El acero inoxidable de 17-4ph (ASTM) es un tipo de endurecimiento por precipitación martensítica, equivalente al estándar nacional 05CR17NI4CU4NB. Este tipo de acero inoxidable tiene un bajo contenido de carbono y un alto contenido de Ni y CR, lo que lo hace altamente soldable y resistente a la corrosión. Además, el acero contiene un alto nivel de elementos de aleación como Cu y NB. Estos elementos precipitan las fases ε-CU, NBC y M23C6 durante el tratamiento térmico, mejorando la resistencia y la dureza del material. Debido a estas ventajas, el acero inoxidable endurecedor de precipitación martensítica de 17-4ph se usa ampliamente en las industrias de aviación, aeroespacial, química y nuclear. Las propiedades mecánicas del acero inoxidable endurecido por precipitación están significativamente influenciadas por su estado de tratamiento térmico. El proceso de tratamiento térmico convencional para el acero inoxidable endureciendo por precipitación martensítica de 17-4ph implica un tratamiento de solución seguido de tratamiento con envejecimiento. Al ajustar la microestructura y controlar la precipitación de las fases, se puede mejorar la resistencia, la dureza y la resistencia a la corrosión. Actualmente, la investigación sobre los procesos de tratamiento térmico de acero inoxidable de 17-4ph ha alcanzado un alto nivel de madurez. Este artículo resume y analiza brevemente el rendimiento y los mecanismos bajo diferentes procesos de tratamiento térmico.

1. Tratamiento de calor de acero inoxidable de 17-4ph

17-4ph El punto de transformación martensítica del acero inoxidable está por encima de la temperatura ambiente. Después del tratamiento de la solución, la estructura de la matriz es básicamente martensítica y su resistencia ha sido muy alta. Se pueden llevar a cabo diferentes tratamientos envejecidos sobre la base del tratamiento de la solución para mejorar la resistencia del material y satisfacer las necesidades de diversas prácticas de producción.

The chemical composition of 17-4PH stainless steel (by mass fraction,%) is as follows: ≤0.07% carbon (C), ≤1.0% 00Mn,≤1.00Si, ≤0.023% phosphorus (P), ≤0.03% sulfur (S), 15.50 to 17.50% chromium (Cr), 3.00 to 5.00% nickel (Ni), 3.00 to 5.00% de cobre (Cu), y 0.15 a 0.45% de niobio (NB). Los primeros elementos de endurecimiento de precipitación son el cobre y el niobio, con algunos casos que incluyen aluminio y titanio. Estos elementos se utilizan para lograr el proceso de fortalecimiento utilizando su solubilidad. Cuando el acero inoxidable de 17-4ph se calienta a su temperatura de austenita, la mayor solubilidad de estos elementos de fortalecimiento en austenita y la menor solubilidad en la martensita conduce a la formación de una estructura martensítica sobresaturada con cobre y niobio. El martensite en sí tiene alta fuerza y ​​dureza, proporcionando un cierto nivel de fortalecimiento. Después del tratamiento con envejecimiento, el cobre y el niobio sobresaturados se disuelven en la matriz, mejorando aún más la resistencia del material. Por lo tanto, se pueden cumplir varios requisitos de rendimiento a través de diferentes procesos de tratamiento térmico.

1. Tratamiento de solución sólida El tratamiento con solución sólida es un proceso de tratamiento térmico esencial para el acero de 17-4ph. Durante el tratamiento de solución sólida, la temperatura de calentamiento debe garantizar que los elementos de carbono y aleación se disuelvan completamente en austenita, pero no debe ser demasiado alta. Para el acero de 17-4ph, AC1 es de aproximadamente 670 ℃, AC3 es de aproximadamente 740 ℃, MS es de 80 a 140 ℃ y MF es de aproximadamente 32 ℃. Por lo tanto, el estándar recomienda una temperatura de tratamiento de solución sólida de 1020 a 1060 ℃. Las diferentes temperaturas de la solución sólida dan como resultado diferentes microestructuras y propiedades. Zhao Liping, Du Daming y otros estudiaron la microestructura y las propiedades de acero de 17-4ph a diferentes temperaturas de la solución, seleccionando temperaturas de tratamiento de 1000,1040 y 1080 ℃. El estudio encontró que después de un tratamiento de solución sólida de 1040 ℃, las muestras tenían la mayor dureza. Esto se debe a que cuando la temperatura de tratamiento de la solución sólida es baja, la austenita formada durante el calentamiento es desigual, y los carburos de aleación disueltos son mínimos, lo que conduce a una dureza de martensita más baja después del enfriamiento. Cuando la temperatura de tratamiento de la solución sólida es alta, los granos se vuelven más gruesos y más carburos de aleación se disuelven en austenita, aumentando la estabilidad de austenita y bajando el punto de transformación de martensita. Como resultado, la cantidad de martensita disminuye después del enfriamiento, la cantidad de austenita residual aumenta y la dureza disminuye. Además, las temperaturas de calentamiento excesivamente altas pueden conducir a un mayor contenido de ferrita en la estructura de solución sólida, lo que afecta el efecto de fortalecimiento final. Por lo tanto, es esencial seleccionar la temperatura de tratamiento de solución sólida adecuada para garantizar las propiedades deseadas. Debido a la presencia de cromo y níquel en acero de 17-4ph, puede formar martensita cuando se enfría aire. Sin embargo, para lograr una estructura de solución sólida más fina, un mejor fortalecimiento y una mejor ductilidad y dureza, el enfriamiento de aceite se usa comúnmente en la producción. El tratamiento con microestructura después de la solución consiste en placas bainíticas bajas en carbono que contienen cobre y niobio sobresaturados. A veces, debido al enfriamiento insuficiente o las temperaturas de calentamiento excesivamente altas, puede permanecer una pequeña cantidad de austenita y ferrita residuales.

El acero de 17-4ph debe tratarse térmicamente de acuerdo con el rendimiento requerido, con la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento determinado en consecuencia. Los estudios han demostrado que después del tratamiento de la solución a 1040 ℃, a medida que aumenta la temperatura del envejecimiento, las estructuras martensíticas sufren un temple y precipitan continuamente la forma. A 450 ℃, los precipitados de cobre y niobio comienzan a formarse. Para 470-480 ℃, los precipitados están finos y ampliamente distribuidos dentro de los granos, lo que resulta en la mayor dureza del material. A medida que la temperatura del envejecimiento continúa aumentando, la dureza y la resistencia disminuyen, mientras que la plasticidad y la tenacidad aumentan. Dado que los cambios en la dureza y la fuerza siguen patrones similares, para piezas con requisitos específicos de dureza y fuerza, la temperatura de envejecimiento debe controlarse estrictamente para cumplir con los requisitos de uso. Los cambios en la resistencia y la plasticidad durante el proceso de envejecimiento del acero de 17-4ph son similares a los de 0CR15NI5CU2TIC endo inoxidable de acero inoxidable. El envejecimiento por encima de 510 ℃ se considera exagerado. Hou Kai et al. Estudió la resistencia al impacto del acero de 17-4ph en condiciones de exceso y descubrió que a medida que aumenta la temperatura del envejecimiento, la resistencia al impacto del material mejora gradualmente. Para garantizar la formación completa de precipitados y envejecimiento efectivo, el tiempo de retención a la temperatura de envejecimiento generalmente debe ser no menos de 4 horas, seguido de enfriamiento por aire. A la misma temperatura de envejecimiento, diferentes tiempos de retención dan como resultado diferentes propiedades finales. La Figura 1 muestra la curva de dureza de acero de 17-4ph a 350 ℃ temperatura de envejecimiento, con los cambios con el tiempo. Es evidente que a medida que aumenta el tiempo de retención, la dureza de las muestras aumenta gradualmente. En la etapa temprana del tratamiento con envejecimiento, el aumento de la dureza es relativamente lento; Después de 6000 h de envejecimiento, el aumento de la dureza se acelera; Alrededor de 9000 h de envejecimiento, la dureza alcanza su pico; Después de este punto, a medida que el tiempo de envejecimiento continúa extendiéndose, la dureza comienza a disminuir rápidamente. Peng Yanhua et al. realizó un estudio detallado sobre la relación entre el envejecimiento a largo plazo y las propiedades de tracción de acero de 17-4ph. Los resultados indican que después de 350 ℃ de envejecimiento a largo plazo, la resistencia al rendimiento y la resistencia a la tracción aumentan con el tiempo de envejecimiento extendido, mientras que la reducción en el área y la alargamiento disminuyen; La superficie de la fractura se transforma de estructuras de pozo fina a gruesa. El estudio también encontró que después del envejecimiento a largo plazo, la microestructura de los cambios de acero de 17-4pH, con una descomposición espinodal que comienza en los límites de grano, y las partículas precipitadas de ε-Cu que crecen gradualmente, junto con la formación de una pequeña cantidad de austenito de transformación inversa. A medida que se extiende el tiempo de envejecimiento, la descomposición espinodal cambia gradualmente de los límites de grano a los granos, y una gran cantidad de fases G finas orientadas precipitan en la matriz, mientras que la estructura de la matriz permanece baínita. El comportamiento de fragilidad de acero de 17-4ph bajo 350 ℃ envejecimiento a largo plazo se estudió utilizando el método de impacto oscilográfico. La prueba de impacto oscilográfico proporciona diversas información transitoria sobre el tiempo de energía, el tiempo de carga y el tiempo de desviación del proceso de deformación y fractura durante la fractura de impacto de la muestra, que es esencial para comprender el comportamiento de deformación y fractura de los materiales en condiciones de carga dinámica. Los resultados muestran que el trabajo de inicio de grietas (EI), el trabajo de propagación de grietas (EP), el trabajo de impacto total (ET) y la dureza de la fractura dinámica (KID) de 17-4ph de acero disminuyen con la extensión del tiempo de envejecimiento a largo plazo a 350 ℃

El tratamiento térmico convencional para acero inoxidable de 17-4ph implica solución y envejecimiento. Estudios recientes han demostrado que realizar un tratamiento de ajuste antes del envejecimiento puede alterar significativamente las propiedades de resistencia mecánica y de corrosión del material. El propósito de este tratamiento de ajuste es ajustar los puntos de transformación de MS y MF del acero, por lo tanto, también se conoce como un tratamiento de transformación de fase. Después de agregar el tratamiento de ajuste, la resistencia al impacto del material se duplica más que en la misma solución y temperaturas de envejecimiento, y su resistencia a la corrosión también se mejora significativamente. Yang Shiwei y sus colegas utilizaron métodos como inmersión química, curvas de polarización, curvas de polarización cíclica e impedancia electroquímica para estudiar la resistencia a la corrosión del acero de 17-4ph en el agua de mar artificial en condiciones de envejecimiento de la solución y solución + ajuste + devejecimiento. El estudio encontró que después de 17-4ph, el acero inoxidable sufre un tratamiento de ajuste seguido del envejecimiento, el potencial de autocorrosión y el potencial de picadura aumentan, mientras que la tasa de corrosión anual disminuye, mejorando significativamente su resistencia a la corrosión de agua de mar en comparación con las muestras envejecidas directamente. Esto se debe a que el tratamiento de ajuste previene efectivamente la formación de áreas pobres en cromo, que son cruciales para mantener una buena resistencia a la corrosión. Además, la estructura martensita se vuelve más fina, mejorando la uniformidad de la microestructura del material. Las microestructuras después del envejecimiento de la solución y la solución + ajuste + envejecimiento se muestran en la figura

2. Se puede ver que la microestructura después del tratamiento de ajuste tiene límites de grano más claros, placas martensitas uniformemente finas y una relación de orientación clara. En contraste, la microestructura después del envejecimiento de la solución solo muestra placas de martensita gruesas y una gran cantidad de precipitados blancos en los límites del grano. Después del tratamiento de ajuste, la estructura martensítica "genéticamente" hereda las características de la miniaturización en el estado ajustado. Los límites de grano están conectados para formar una red, y los granos compuestos principalmente de martensita y austenita residual están encapsuladas en ella. Este tipo de estructura está relacionada con la producción de más transformación inversa austenita en acero.

Muchos investigadores también han estudiado los efectos de ajustar el tiempo de procesamiento y la temperatura. Los estudios encontraron que si bien los ajustes al tiempo y la temperatura tuvieron un impacto limitado en la microestructura del material, a medida que aumentaba el tiempo de ajuste, la estructura de martensita se volvió más fina y uniforme. A medida que aumentó la temperatura de procesamiento, la resistencia del material aumentó gradualmente, pero su plasticidad y tenacidad disminuyeron. Después del tratamiento de ajuste de 816 ℃, a medida que aumentó la temperatura de envejecimiento, la resistencia del material disminuyó gradualmente, mientras que su plasticidad y resistencia aumentaron gradualmente.

217-4ph Mecanismo de tratamiento de tratamiento térmico de acero inoxidable.

Durante el tratamiento de solución sólida de acero inoxidable martensítico de 17-4ph, el cobre y el niobio se disuelven en los granos de austenita. Al enfriar, este proceso da como resultado una martensita sobresaturada que contiene cobre y niobio, lo que lleva al primer fortalecimiento. Durante el proceso de envejecimiento, los elementos sobresaturados precipitan de los granos, lo que resulta en un segundo fortalecimiento de la matriz. Este es el mecanismo de fortalecimiento primario para el acero de 17-4ph.

Los diferentes procesos de tratamiento térmico pueden producir diferentes microestructuras y propiedades, pero el mecanismo de fortalecimiento es el mismo: está relacionado con la precipitación de precipitados. La distribución de precipitados como ε-CU, NBC y M23C6 varía, lo que conduce a diferentes propiedades del material. En las aleaciones endurecidas por precipitación, la resistencia al rendimiento está determinada por el efecto de las fases de fortalecimiento en las dislocaciones. Cuando las partículas de fase de fortalecimiento son extremadamente finas y dispersas, forman una capa densa que bloquea las líneas de dislocación, evitando que pasen a través de estas partículas, aumentando así la resistencia de rendimiento de la aleación y, en última instancia, causando fragilidad. Por el contrario, cuando las partículas de fase de fortalecimiento son más grandes y menos densamente distribuidas, las dislocaciones pueden omitir estas partículas de acuerdo con el mecanismo de Owrrone, evitando el bloqueo de la línea de dislocación y reduciendo la resistencia al rendimiento de la aleación. Es por eso que, en el acero de 17 a 4 ph de edad, cuando hay muchos granos de transformación inversa de austenita, las partículas ε-CU en la transformación inversa austenita son más finas y más escasamente distribuidas que las de la martensita, proporcionando poca o ninguna obstrucción a las deslocaciones, lo que reduce la resistencia de la aleación. En general, después del enfriamiento, el acero de 17-4ph conserva una pequeña cantidad de austenita residual, que son partículas muy finas que se convierten en el núcleo de la transformación inversa austenita durante el temple. Por lo tanto, cuanto más austenita residual en la aleación, más transformación inversa se genera austenita durante el envejecimiento. Por lo tanto, cuando el contenido de elementos que promueven la formación de martensita (como C) en la aleación disminuye, mientras que el contenido de elementos que estabilizan austenita (como N) es demasiado alto, se formará más austenita residual después de enfriar y se formará una transformación más inversa austenita después del templado, reduciendo así la fuerza de rendimiento de la aleación. A medida que aumenta la temperatura del envejecimiento, la austenita de transformación inversa comienza a formarse y crecer, lo que lleva a un aumento en la cantidad de austenita residual a temperatura ambiente y una disminución de la resistencia. Por lo tanto, para los materiales con requisitos de resistencia, es esencial desarrollar un proceso de tratamiento térmico razonable y controlar estrictamente la cantidad de austenita de transformación inversa en la microestructura. ε-Cu es la fase de fortalecimiento primaria en acero 17-4ph. En los últimos años, la investigación sobre su morfología ha aumentado. Los países extranjeros comenzaron anteriormente, mientras que la investigación nacional, particularmente en Harbin Turbine Factory, ha sido más exhaustiva. En general, se creía que "en todos los casos, ε-Cu es esférico". Sin embargo, la fábrica de turbinas de harbina encontró que las fases ε-CU precipitadas de la matriz martensítica son varillas cortas suaves, mientras que las precipitadas de austenita (transformación inversa austenita) son esféricas. Esto se debe a que tanto las fases de austenita como ε-Cu tienen redes cúbicas centradas en la cara, y su energía interfacial es muy baja, lo que resulta en fases esféricas ε-CU. Por el contrario, la martensita tiene una red cúbica centrada en el cuerpo, que difiere significativamente de la red cúbica centrada en la cara de las fases ε-CU, lo que lleva a una alta energía interfacial y fases ε-CU tipo varilla. Zhang Hongbin et al. También estudió la morfología de las fases ε-Cu en acero de 17-4ph y descubrió que las fases ε-CU precipitadas de la matriz martensítica son casi esféricas