提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺的制作方法

　　本发明涉及05Cr17Ni4Cu4Nb钢的热处理工艺。

　　背景技术：

　　05Cr17Ni4Cu4Nb材料与国外17-4PH(美)、X5CrNiCuNb174(德)、Z5CNU17.04(法)、SUS630(日)牌号相近，为典型的马氏体沉淀硬化不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢早在四十年代美国Armco公司就得到了发展，05Cr17Ni4Cu4Nb材料具有低的碳含量和较高的Cr、Ni含量，保证了钢微观组织为塑韧性好的低碳马氏体基体，而且较高的Cu含量，提供弥散强化作用，使此钢种有良好的塑韧性、耐蚀性、振动衰减性等，被广泛使用在核能发电、海上平台、造纸业、食品工程等，尤其是良好的振动衰减性能，使此材料更适合作为末级叶片的材料。

　　05Cr17Ni4Cu4Nb材料的热处理工艺包括固溶处理和时效处理两个过程。固溶处理指材料加热到全部奥氏体化温度以上保温一定的时间，使析出相重新回溶至基体中，然后以超过临界冷速的速度冷却至室温，形成过饱和马氏体，05Cr17Ni4Cu4Nb的固溶温度一般选择为1038℃左右。固溶处理后的金相组织为典型板条马氏体，板条晶间没有任何析出相，合金元素固溶在基体中，并且以过饱和的状态存在。其板束之间有少量的残余奥氏体。固溶温度保温时，δ-铁素体可能与奥氏体并存，并能保留至室温，一般来说标准要求δ-铁素体的百分含量不超过5％。

　　05Cr17Ni4Cu4Nb的时效处理分两种，中间时效(又称调整处理)与更终时效，有的材料热处理过程中不采用中间时效。中间时效的温度一般选择815℃。在中间时效过程中，基体中析出Cr、Nb元素的碳化物，并伴有大量颗粒状富铜相析出，并起一定的弥散强化作用。中间时效处理能调整材料的马氏体转变开始点，这是由于中间时效过程中析出碳化物和析出相，降低基体中的奥氏体形成元素，从而提高Ms点。

　　更终时效的温度一般选择480～650℃，更终时效温度对材料性能影响较大。更终时效处理直接决定材料更终的使用性能。更终时效过程中，马氏体析出ε-Cu、碳化物及逆变奥氏体，ε-Cu在基体中呈球形随机分布，并且细小弥散，与位错有强烈的交互作用，达到沉淀硬化的目的。时效温度提高后，ε-Cu尺寸变大，沉淀硬化效果减弱，但材料的塑性增加。在460～650℃温度范围内处理时，480℃硬度更高，这是由于在此温度ε-Cu及碳化物高度弥散，强化效果更好。

　　现有的05Cr17Ni4Cu4Nb钢热处理工艺为：升温至1040℃左右进行保温，然后冷却至室温，再升温至600℃左右保温进行时效处理，更后降至室温。现有的热处理工艺得到05Cr17Ni4Cu4Nb钢的力学性能不佳，抗拉强度为1000MPa左右，0.2％屈服强度为960MPa左右，0.02％屈服强度为770MPa左右。无法满足05Cr17Ni4Cu4Nb材料作为精度零部件的使用需求。

　　技术实现要素：

　　本发明是要解决采用现有的热处理工艺得到的05Cr17Ni4Cu4Nb钢的力学性能不佳的问题，提供一种提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺

　　本发明提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺，包括以下步骤：

　　步骤一：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1035～1045℃保温1～2小时，随炉冷却至600～610℃，保温4～5小时，出炉空冷至室温；

　　步骤二：然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至600～610℃保温4～5小时，出炉空冷至室温。

　　本发明提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺，包括以下步骤：

　　步骤一：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1035～1045℃保温1～2小时，出炉直接放入600～610℃时效处理炉中，保温4～5小时，出炉空冷至室温；

　　步骤二：然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至600～610℃保温4～5小时，出炉空冷至室温。

　　本发明的原理：

　　05Cr17Ni4Cu4Nb钢材料不同温度下基体中Cu元素的平衡浓度见图1所示，从图1可得，在605℃时，Cu元素的溶解度很小，当材料奥氏体化以后，冷却过程中在此温度保温，基体中Cu元素过饱和，过饱和Cu元素以析出相方式析出。Cu元素在05Cr17Ni4Cu4Nb材料中对强度的影响有两种，一种是固溶在基体中的固溶强化作用，Friedel计算出Cu在钢中的固溶强化引起的强度增加为8MPa，固溶强化作用较小；另一种是做为ε-Cu析出相，其强化机理为位错切割第二相粒子消耗能量，当ε-Cu颗粒半径为1.5nm时强度增量可达350MPa，强化效果很明显。因此05Cr17Ni4Cu4Nb材料固态处理过程中，基体在奥氏体状态下析出ε-Cu可以达到提高固溶处理后材料强度的效果。

　　在此固溶处理热处理工艺的基础上，再进行时效处理，Cu元素在马氏体基体上进一步析出，并析出碳化物、逆变奥氏体等第二相，尤其是较多的逆变奥氏体的析出，使基体中第二相数量大量增多，提高了位错与第二相相互作用的几率，有效阻止形成引起塑性变形的滑移带，提高了RP0.2、RP0.02数值，尤其是RP0.02值，大大提高了材料抗微变形能力，在保证材料塑性的基础上充分挖掘材料强度潜力。

　　现有的热处理工艺，固溶处理过程合金元素回溶至基体中，在时效过程中同时析出第二相ε-Cu及逆变奥氏体，在605℃时效时，此时基体为马氏体组织，ε-Cu引起的材料硬度的提高在很短时间内达到峰值，随后硬度以较快速度下降，马氏体中的ε-Cu相随着时间的延长尺寸增大，发生Ostwald熟化，对材料强度的贡献降低；逆变奥氏体随着时效时间的延长而增加，时效处理5小时后，其逆变奥氏体含量为11％左右。而本发明改进后热处理工艺在两个时效温度分别析出ε-Cu及逆变奥氏体，固溶处理冷却过程中时效处理时，ε-Cu在奥氏体基体中析出，析出相对更加弥散，强化效果更好，在后续第二步骤时效处理中，时效处理5小时后，其逆变奥氏体含量为8.5％左右，逆变奥氏体含量相对传统工艺更低，而且逆变奥氏体可以在固溶后时效过程析出的ε-Cu上形核，增加了形核位置，使逆变奥氏体分布更加弥散、尺寸更加细小，强化效果更佳，所以改进热处理工艺能够显著提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢的力学性能。

　　本发明的有益效果：

　　本发明通过调整ε-Cu析出相形成过程，提高固溶处理后材料力学性能，达到国标中固溶处理加580℃时效处理力学性能要求。

　　经过本方法热处理后的05Cr17Ni4Cu4Nb钢的抗拉强度可达到1044MPa，0.2％屈服强度可达到1019MPa，0.02％屈服强度可达到930MPa。与现有的热处理方法相比抗拉强度提高3.9％，0.2％屈服强度提高5.6％，0.02％屈服强度提高了19.8％。

　　本发明在保证塑性同时提高材料强度，显著提高了05Cr17Ni4Cu4Nb材料的力学性能，尤其是0.02％屈服强度显著提高，提高了材料的抗微变形能力，充分挖掘材料潜力。

　　附图说明

　　图1为05Cr17Ni4Cu4Nb材料Cu析出量随温度的变化关系图；

　　图2为不同工艺固溶处理对应应力应变曲线；

　　图3为不同工艺固溶处理结合时效处理工艺对应应力应变曲线。

　　具体实施方式

　　本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

　　具体实施方式一：本实施方式提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺，包括以下步骤：

　　步骤一：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1035～1045℃保温1～2小时，随炉冷却至600～610℃，保温4～5小时，出炉空冷至室温；

　　步骤二：然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至600～610℃保温4～5小时，出炉空冷至室温。

　　具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中在奥氏体化温度1040℃保温1小时。其它与具体实施方式一相同。

　　具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中随炉冷却至605℃，保温4小时。其它与具体实施方式一或二相同。

　　具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中再次升温至605℃保温4小时。其它与具体实施方式一至三之一相同。

　　具体实施方式五：本实施方式提高05Cr17Ni4Cu4Nb钢强度的热处理工艺，包括以下步骤：

　　步骤一：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1035～1045℃保温1～2小时，出炉直接放入600～610℃时效处理炉中，保温4～5小时，出炉空冷至室温；

　　步骤二：然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至600～610℃保温4～5小时，出炉空冷至室温。

　　具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中在奥氏体化温度1040℃保温1小时。其它与具体实施方式五相同。

　　具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤一中放入605℃时效处理炉中，保温4小时。其它与具体实施方式五或六相同。

　　具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤二中再次升温至605℃保温4小时。其它与具体实施方式五至七之一相同。

　　下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

　　试验1：

　　常规固溶处工艺：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1040℃保温1小时，出炉空冷至室温。

　　本发明改进的固溶处理工艺：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1040℃保温1小时，随炉冷却至605℃，保温4小时，出炉空冷至室温。

　　相同固溶处理温度时，常规固溶处理及本发明改进的固溶处理工艺后得到的05Cr17Ni4Cu4Nb材料力学性能见表1，其应力-应变曲线对比度见图2(其中实线表示常规处理，虚线表示改进处理)。从表1中可以看出，改进后固溶处理比常规固溶处理材料强度提高，Rm增加134MPa，RP0.2增加95MPa，RP0.02增加21MPa，延伸率增加1.8％，硬度值增加20HB。从结果可以得出，通过在固溶处理冷却过程中析出过饱和Cu元素，可以提高材料的强度及塑性，并可以达到国标《GB/T 1220-2007不锈钢棒》中固溶处理后580℃时效力学性能标准要求。

　　表1不同固溶处理方式材料力学性能

　　试验2：

　　常规热处理工艺：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1040℃保温1小时，出炉空冷至室温；然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至605℃保温5小时，出炉空冷至室温。

　　本发明改进的热处理工艺：将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样在奥氏体化温度1040℃保温1小时，随炉冷却至605℃，保温4小时，出炉空冷至室温；然后将05Cr17Ni4Cu4Nb钢试样再次升温至605℃保温5小时，出炉空冷至室温。

　　在常规固溶处理和改进固溶处理的基础上，进行605℃×5h的相同工艺时效处理，处理后材料力学性能测量结果见表2，其应力-应变曲线对比见图3(其中实线表示常规处理，虚线表示改进处理)。从表2中可以看出，经过新型固溶时效处理，材料Rm增加39MPa，RP0.2增加54MPa，RP0.02增加164MPa，延伸率降低0.56％，从结果可以看出，经过新型固溶时效处理后材料强度提高，尤其是RP0.02大幅增加，但材料延伸率、断面收缩率等相差不大。

　　表2不同固溶处理方式材料力学性能