浅析Cr元素对05Cr17Ni4Cu4Nb时效硬化型不锈钢组织与性能的影响

栾威威，李 宁

（1.沈阳科金特种材料有限公司，辽宁 沈阳 110101；2.沈阳科金特种材料有限公司，辽宁 沈阳 110101）

05Cr17Ni4Cu4Nb是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，它是在Cr17系列不锈钢基础上，加入Cu、Nb等强化元素，通过马氏体相变强化以及在400-650℃内时效析出ε-Cu，NbC，M23C6等碳化物强化相而产生沉淀硬化效果[1]。该钢种含碳量低，铬含量高，具有高强耐蚀耐氧化等特性，以及优良的成型性和可焊性等特点。广泛应用于石油化工、航天航空、核工业等领域，以及在使用温度不高于 370 ℃的要求不锈性及耐弱酸、碱、盐腐蚀又要求高强度的部件，包括轴、齿轮等传动装置件以及螺栓等紧固件，阀、泵等机器部件[2-6]。

由于05Cr17Ni4Cu4Nb钢的高合金含量特点，其化学成分组成对钢的组织性能影响也不同。杨刚[7]等人研究了不同Ni含量对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢富铜相析出的影响，表明Ni可以提高了Cu在γ相区的溶解度，延缓了固溶后炉冷过程中的富铜相析出，降低了Cu在钢中的扩散激活能。王剑星[8]等人研究了Cu含量对0Cr17Ni4Cu4Nb钢时效后的力学性能和组织的影响，研究表明钢中Cu含量增加,对该钢Ac3无显著影响，Ac1下降，Ms点上升，Mf点下降；钢中Cu含量高时，钢的强度、硬度较高，塑性略低。杨钢[9]等还研究了Nb含量对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢组织与力学性能的影响，随Nb含量的增加，该材料强度增加，塑性降低；随时效温度的升高，强度下降。鉴于该钢种的化学元素Cr含量高达至15%～17.5%，Cr元素对该材料的性能和组织影响较为突出，因此文章主要研究了Cr成分变化对0Cr17Ni4Cu4Nb 沉淀硬化型不锈钢材料组织和力学性能的影响。的钢锭，其详细化学成分如表1所示。所有钢锭经1T锻锤锻制，开锻温度为1120℃～1160℃，锻锤开坯成65×65×Lmm方形坯料，锻后采用炉冷缓慢冷却。随后对不同成分的坯料进行相同的热处理实验，热处理工艺如表2所示。

热处理完成后，将不同成分的坯料加工成标准金相试样、直径为12.5mm，标距50mm的标准拉伸试样和冲击试样，采用OLYMPUS GX51型光学显微镜进行组织观察，采用CMT4000型万能拉伸试验机和PTM2000冲击实验机中进行力学性能测试和冲击韧性测试，对Cr含量和试样组织及性能之间的关系进行讨论。

2 试验结果及分析

1 试验材料和方法

试验用料选用规格为250×250×600mm的1.5T真空感应炉（ZG-1.5L/B）熔炼成的Cr含量分别为15.51%、16.57%和17.03%

图1为不同Cr含量05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢热处理后的组织照片，从试样的微观组织照片可以看出，钢坯经过1040℃固溶+580℃时效处理后的组织主要由板条马氏体+少量块状铁素体组成。对比不同Cr含量发现：当 Cr含量为15.51%时，该材料微观组织则几乎看不到铁素体组织的存在，随Cr含量的增加，铁素体量逐渐增加，当Cr含量达到17.03%时，组织中出现的铁素体量增加明显，这些铁素体呈块状和条状形态分布。

表3所示为不同Cr含量坯料力学拉伸性能和冲击性能结果，可以看出，A、B、C成分的钢锭在相同热处理工艺制度固溶时效后，材料在各项力学性能均呈现差异性，其中Cr含量为15.51%成分的钢锭的材料延伸率和冲击等力学性能指标明显优越于其他Cr含量的钢锭。这是因为Cr含量较低，当该材料热处理后，材料获得了均匀的板条马氏体基体，且微观组织中几乎看不到铁素体组织的存在。进行冲击韧性实验时，材料的冲击韧性受到铁素体的影响较大，当Cr元素含量为15.51%时，此时铁素体含量低，材料的基体连续性和均匀性较好，因而材料的冲击韧性也较高。Cr元素的存在，大大提升了05Cr17Ni4Cu4Nb材料的热处理淬火效果，当Cr元素含量增加时，该材料的热处理效果也在提升，所以该材料的屈服强度和断裂强度也在随着Cr元素的增加而不断提高。而微观组织显示，随着05Cr17Ni4Cu4Nb材料的Cr元素含量的增加，铁素体组织的数量也在逐步提升，且当Cr元素增加到17.03%时，该材料的微观组织中，出现了大量的块状和条状的铁素体，这些铁素体以第二相的形式掺杂在板条马氏体基体中，并且大量的分布在晶界处，进一步弱化了晶界的承受载荷，增加了晶界处应力敏感度。此时铁素体数量多，且条形和块状的铁素体存在形态也不理想，使得材料的韧性下降，导致了材料的冲击缺口敏感性降低，使得测得的实验冲击功也较低，且冲击功实验数据不平行。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的化学成分（wt%）

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的热处理工艺

图1 05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢热处理后的组织照片（×500倍）（a）Cr含量为15.51%的组织照片（b）Cr含量为16.57%的组织照片（c）Cr含量为17.03%的组织照片

表3 05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的拉伸性能结果

此外，当承受外界牵引拉力载荷时，材料会自主的选择存在铁素体分布的晶界处应力集中、形成裂纹和裂纹扩展，当应力超过材料的断裂强度时，形成永久性破坏断裂，从而导致了材料的延伸率指标呈现一定的变化趋势。

3 结论

（1）在相同的实验条件下，Cr元素含量为15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料具有良好的金相组织，组织主要为半条马氏体，几乎看不到铁素体的存在；

（2）Cr元素含量为15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料的抗拉强度及屈服强度等力学性能稍低于Cr含量较高的其他。

（3）与其它05Cr17Ni4Cu4Nb材料对比可知，Cr含量为15.51%的合金具有更好的冲击韧性等力学实验性能，材料的微观组织也更加均匀，且铁素体数量和形态控制的更加理想，有利于材料的力学性能。