1Cr17Ni2铁素体含量的控制及其对性能的影响

草虫gg 2024-04-15 发布于四川

展开全文

[摘要]航空发动机用1Cr17Ni2叶片经锻造及热处理后进行硬度检查，发现硬度偏低。通过在熔炼过程中调节Cr、Ni元素含量以及在后续热处理过程中逐步提高淬火温度，提出控制铁素体含量的具体办法，同时对不同铁素体含量的热处理后的棒料进行相关力学试验。结果表明：叶片硬度偏低与材料中存在较多δ−铁素体有关；1Cr17Ni2中δ−铁素体含量可以通过调节Cr、Ni元素含量及热处理过程中淬火温度进行控制，当原材料中铁素体形成元素含量高时，随着淬火温度的升高，特别是淬火温度高于1150 ℃，铁素体含量迅速增加；1Cr17Ni2合金钢中δ−铁素体含量过多时，其抗拉强度、冲击韧性、硬度等力学性能降低；通过合理调节原材料中Cr、Ni元素的含量，选择合适的热处理温度可以有效减少δ−铁素体含量，从而提高零件的力学性能。

0 引言

1Cr17Ni2属于马氏体−铁素体不锈钢，组织结构中除了马氏体外还有铁素体，具有良好的冷冲压成型性能，被用于制造航空发动机叶片。国内外文献研究了热处理对显微组织和力学性能的影响[1-3]，合金中铁素体含量对其力学性能尤其是硬度的影响也有较多研究[4-5]，但缺乏对该材料铁素体含量的定量评价，且未研究原材料中初始铁素体含量对经热处理后毛坯件中铁素体含量的影响。

原材料标准GJB 2294—1995对1Cr17Ni2的δ−铁素体含量没有明确的规定，但是对其硬度要求为HB 3.5~3.8。对于普通叶片而言，其组织中存在的铁素体含量一般为10%~15%（体积分数，下同）。航空发动机叶片热处理完成后，发现部分批次存在硬度不均匀且硬度偏低的问题，导致零件整批报废。本研究由此初步探讨化学成分和热处理温度对铁素体含量的影响，原材料中初始铁素体含量对毛坯件铁素体含量影响，以及铁素体含量与力学性能之间的关系。

1 理论分析

抽取硬度合格和不合格零件进行金相组织分析，发现硬度不合格的叶片零件中δ−铁素体含量高达20%~25%，而合格零件的δ−铁素体含量为10%~15%（图1）。因为铁素体含量过高会影响钢的硬度、拉伸以及冲击韧性等。因此，要求尽量减少钢中铁素体含量。

图1 叶片显微组织
Fig.1 Microstructure of blade parts

1Cr17Ni2属马氏体不锈钢，其主要合金元素为 Cr、Fe、Ni。从成分设计来看，C、Mn、Si的含量相对稳定，因此铁素体含量主要取决于Cr、Ni 2个主要元素的含量[6-8]。奥氏体形成元素Ni对铁素体形成有抑制作用，而铁素体形成元素Cr则促进铁素体的形成，使铁素体含量增多。可以通过控制投入炉中的Cr、Ni元素含量，稳定其他次要影响元素的含量，使1Cr17Ni2不锈钢中铁素体含量控制在理想范围内[9]。

另外，除了成分的偏差会导致铁素体析出外，淬火温度的变化也会导致高温δ−铁素体大量析出，从而影响材料的力学性能[10-12]。

2 试验方案

2.1 化学成分调整

按GJB 2294A—2014标准采用中频感应炉熔炼+电渣重熔，对Cr、Ni元素含量进行调整，制备φ50 mm的1Cr17Ni2棒料，其化学成分见表1。对棒料进行淬火+回火后，分别检测其显微组织（铁素体含量），测量室温拉伸、冲击、硬度等力学性能。

表1 1Cr17Ni2 化学成分及铁素体含量
Table 1 Chemical composition and ferrite content of 1Cr17Ni2

Note: equivalent conversion for stainless steel: Ni=Ni%+30C% + 30 N%+0.5 Mn%+0.25Cu%; C=Cr%+Mo% + 1.5Si% +0.5Nb%+0.25Ti%

2.2 淬火温度调整

选取铁素体含量不同的棒料进行淬火+回火处理，淬火温度分别为 950、980、1010、1030、1070、1110、1130、1140、1150、1160、1180 ℃。热处理完成后，分别检查其显微组织（铁素体含量）和硬度[13-15]。

3 试验结果及分析

3.1 化学成分对铁素体含量的影响

对进行化学成分调整后的棒料进行金相组织检查，结果见表1和图2，可见Ⅲ、Ⅳ批次棒料中的铁素体含量远高于Ⅰ、Ⅱ批次的棒料。结合化学成分可知，Ⅲ、Ⅳ批次棒料的Cr含量比Ⅰ、Ⅱ批次棒料低，且Ni含量比Ⅰ、Ⅱ批次棒料高。因此，合理地降低铁素体形成元素Cr的含量，提高奥氏体形成元素Ni的含量，可以有效地控制1Cr17Ni2中铁素体含量。

图2 不同批次的 1Cr17Ni2 显微组织
Fig.2 Microstructure of different batches of 1Cr17Ni2

3.2 淬火温度对铁素体含量的影响

选取Ⅰ、Ⅲ批次棒料进行淬火（不同温度）+回火后，进行金相显微组织检查，其铁素体含量如图3所示。从图3可以看出：1）随着淬火温度的升高，δ−铁素体含量有增加趋势，而δ−铁素体含量增加的幅度跟原材料中δ−铁素体含量有着重要关系。其中，Ⅲ批次棒料由于原材料中的δ−铁素体含量较多，δ−铁素体含量随温度的增加较明显，而Ⅰ批次棒料原材料的δ−铁素体含量较少，δ−铁素体含量随温度的变化不明显；2）Ⅲ批次棒料原材料中δ−铁素体含量较多，淬火温度为980~1150 ℃时，δ−铁素体含量增加较为平稳，增加量不大，但当淬火温度高于1150 ℃之后，δ−铁素体含量迅速增加。Ⅰ批次棒料原材料中δ−铁素体含量较少，在1150 ℃之前变化不大，而淬火温度高于1150 ℃之后，δ−铁素体含量也有所增加。显微组织如图4所示。

图3 不同温度淬火+回火后 1Cr17Ni2 的铁素体含量
Fig.3 Ferrite contents of 1Cr17Ni2 after after quenching at different temperatures and tempering

图4 不同温度淬火+回火后 1Cr17Ni2 的显微组织
Fig.4 Microstructure of 1Cr17Ni2 after quenching at different temperatures and tempering

3.3 铁素体含量对力学性能的影响

对进行热处理后的试验棒料进行室温拉伸及冲击试验，测量结果见表2。可以看出，铁素体含量对材料拉伸、冲击及硬度等性能都有较大的影响。Ⅲ、Ⅳ批次棒料由于铁素体含量较高，抗拉强度、冲击韧性及硬度均比Ⅰ、Ⅱ批次棒料低。这是由于原材料经淬火+回火热处理后，显微组织为回火马氏体+δ−铁素体。当δ−铁素体含量较高时，回火马氏体相对含量减少，又因为δ−铁素体是一种强度低和塑性差的脆化相，所以造成了抗拉强度及冲击韧性降低。

表2 棒料力学性能
Table 2 Mechanical properties of 1Cr17Ni2

对热处理后的Ⅰ、Ⅲ批次棒料进行硬度检测，结果见图5。可知，Ⅲ批次棒料δ−铁素体含量较多，淬火温度为980~1150 ℃时，δ−铁素体含量增加较为平稳，增加量不大，但随着淬火温度高于1150 ℃，δ−铁素体含量基本呈直线增加，硬度值出现了先升后降。由于Ⅰ批次棒料的δ−铁素体含量较少，淬火温度在1150 ℃之前，其硬度值变化不大，而淬火温度高于1150 ℃之后，δ−铁素体含量略有增加，硬度变化不明显。

图5 棒料经不同温度热处理后硬度
Fig.5 Hardness of different batches after different heat treatment

4 分析与讨论

结合相关试验数据来看，叶片硬度偏低主要是由1Cr17Ni2合金钢中δ−铁素体含量过高造成。1Cr17Ni2合金钢中，主要元素有C、Cr、Ni，杂质元素为Si、Mn，其中Cr、Si为铁素体形成元素，C、Ni、Mn为奥氏体形成元素。试验表明，铁素体形成元素偏高，奥氏体形成元素偏低时，该合金钢中铁素体含量会偏高。控制该合金钢中铁素体含量，需要控制铁素体形成元素和奥氏体形成元素比例，特别是Cr、Ni元素含量的比例。

当原材料中铁素体形成元素含量高时，随着淬火温度的升高，特别是淬火温度高于1150℃以后，铁素体含量迅速增加；当铁素体形成元素含量相对较低时，随着淬火温度的升高，铁素体含量增加不明显。由于1Cr17Ni2合金钢中δ−铁素体相是高温脆化相，强度和塑性较差，且不能通过常规热处理工艺进行消除。因此，如果δ−铁素体相含量过多，该合金钢经淬火+回火热处理后，抗拉强度及冲击韧性就会降低。当δ−铁素体含量较少时，δ−铁素体少量增加对硬度影响不大，主要是由淬火+回火的马氏体组织起主导作用。但是当δ−铁素体含量大量增加时，造成热处理后的马氏体组织相对减少，从而使硬度降低。