精密鑄造用0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼熱力學模擬及熱物性能預(yù)測

供稿|袁程，范曄，孫濤，滕樹滿

內(nèi)容導(dǎo)讀 采用Jmatpro 熱力學計算軟件對精密鑄造用0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼進行熱力學計算，模擬分析了該不銹鋼的熱力學平衡相組成、連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線（CCT）、連續(xù)加熱奧氏體化曲線（TTA）、最佳淬火溫度及回火溫度，最后預(yù)測了熱物性能參數(shù)。計算結(jié)果表明：室溫下該不銹鋼平衡相質(zhì)量分數(shù)分別為72.92%鐵素體、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4% Cu 固溶體、1.23% M23C6，該不銹鋼固溶溫度區(qū)間為1030～1080 ℃，最佳回火溫度為550 ℃，最終預(yù)測了熱物性能參數(shù)，以期為現(xiàn)場實際熱處理工藝制定提供一定的理論指導(dǎo)和依據(jù)。

17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）是一種典型的馬氏體沉淀型硬化不銹鋼，由于其具有優(yōu)良的鑄造、耐腐蝕、焊接等性能及較高的強度，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、海洋裝備及核電等領(lǐng)域[1-2]。尤其適用于制造在380 ℃ 工況下使用的高強度結(jié)構(gòu)零件，如大型飛機緊固件、發(fā)動機閥門零件等[3-5]。為獲得優(yōu)異的綜合力學性能，該沉淀型不銹鋼通常采用固溶處理+人工時效熱處理工藝，加熱過程中可以消除成分的不均勻性，使合金碳氮化物充分固溶于奧氏體基體中，得到過飽和固溶體，為隨后的時效處理準備條件。經(jīng)過時效處理后，細小的ε-Cu、M23C6等碳化物析出實現(xiàn)沉淀強化，獲得良好的力學性能[6-8]。該不銹鋼中添加了Nb、Ti 等微量合金元素，在熱加工過程中形成細小的鈮鈦等碳氮化物析出，第二相析出可以阻礙奧氏體晶粒粗化，從而達到細晶強化的目的[9]。對該成分不銹鋼進行熱力學計算并對其相變過程及碳氮化物的析出行為進行研究，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)，提升綜合力學性能，對擴大該不銹鋼的應(yīng)用范圍具有重要意義。

目前針對0Cr17Ni4Cu4Nb 的研究主要集中在熱處理后的組織和性能[8]，然而若僅通過實驗對材料熱物性能及相變進行分析，將會消耗大量的人力物力及時間[10]。本文以0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼為研究對象，運用熱力學模擬軟件分析了熱力學平衡相組成、等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線（TTT）、連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線（CCT）、連續(xù)加熱奧氏體化曲線（TTA）及熱物性能參數(shù)，以期為現(xiàn)場實際熱處理工藝的制定提供一定的理論指導(dǎo)和依據(jù)。

成分及平衡相分析

0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼成分如表1 所示，不銹鋼平衡相圖是根據(jù)相圖計算（CALPHAD）技術(shù)，考慮每一相的吉布斯自由能來繪制的，體系每一相的吉布斯自由能（Gm）如下所示。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

式中，Xi、Xj分為i、j組元所占質(zhì)量分數(shù)；為i組元的吉布斯自由能；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度；L為不同組元之間的交互作用系數(shù)，為不同組元之間的交互作用系數(shù)，一般需要通過相圖計算軟件進行計算和取值，通過不斷優(yōu)化此參數(shù)使計算相圖和理論相圖各相關(guān)系吻合從而得到此參數(shù)[11]，通常情況下在0～1 之間；第1 項為純組元的吉布斯自由能之和，第2 項為理想混合熵引起的吉布斯自由能增加，第3 項為偏離理想溶液引起的過剩吉布斯自由能。

圖1（a）為不銹鋼200～1600 ℃ 的平衡組織相圖，圖1（b）為碳氮化物、Cu 固溶體、G 相、碳化物M23C6隨溫度析出相圖。有圖1（a）可以看出，此不銹鋼平衡相圖共有7 個相區(qū)，主要包括液相區(qū)、鐵素體、奧氏體，其余為Cu 固溶體、碳化物M23C6、碳氮化物以及G 相。由于此不銹鋼中Cr 元素含量較高，平衡轉(zhuǎn)變中進一步會促進G 相形成，G 相為一類復(fù)雜的金屬間化合物，其元素含量隨溫度變化如圖2 所示。從圖1（b）可以看出，隨溫度降低碳化物及碳氮化物種類及固溶體相析出增多，碳氮化物在265 ℃ 時開始從基體中作為第二相析出，碳化物M23C6在416 ℃ 時析出量最大，達到1.24%。室溫下該不銹鋼平衡相質(zhì)量分數(shù)組成為72.92%鐵素體、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4%Cu 固溶體、1.23% M23C6。

圖1 0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼平衡相圖(a)和碳化物及其余相組成圖(b)

圖2 不銹鋼G 相各元素含量隨溫度變化情況

熱處理參數(shù)分析

熱力學分析

連續(xù)加熱奧氏體化轉(zhuǎn)變（TTA）曲線描述了奧氏體化過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變程度、溫度和加熱速度3 者之間的關(guān)系，對熱處理過程中選擇合適的加熱速度及溫度有指導(dǎo)意義[10]，0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼的加熱過程中TTA 曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出加熱速度直接影響奧氏體均勻化溫度及時間，隨加熱速率的升高，鋼在加熱過程中奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度A1、奧氏體轉(zhuǎn)變完成溫度A3以及奧氏體均勻化所需的溫度（Homog.Augt）均有所升高，且隨加熱速率的提高，奧氏體均勻化時間縮短，原因是碳原子在快速升溫過程中擴散加快，使得碳原子從鐵素體向奧氏體遷移的過程加快，從而使奧氏體均勻化時間縮短[12]。圖3 中4 個區(qū)域分別對應(yīng)為奧氏體形核、奧氏體晶粒長大、殘余奧氏體溶解和奧氏體均勻化。

圖3 0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼TTA 曲線

表2 為加熱速率對奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度、均勻化時間和溫度的影響。選擇合適的加熱速率和加熱時間對奧氏體均勻化程度有重要的影響。

表2 加熱速率對奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度、均勻化時間和溫度的影響

過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻（CCT）曲線對熱處理工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義，對于沉淀型馬氏體不銹鋼來說臨界冷卻速度是鋼在淬火過程中能否獲得馬氏體組織的重要影響因素之一[13]。圖4 為該成分不銹鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線，從圖中可以看出馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度為183.9 ℃，轉(zhuǎn)變50%體積分數(shù)時的溫度為143.4 ℃，轉(zhuǎn)變90%體積分數(shù)時溫度下降至49.3 ℃，珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度為773.7 ℃。從圖中還可以得到珠光體的臨界冷卻速度為0.26 ℃/s，冷卻速度在0.26 ℃/s 以下將得到珠光體+馬氏體組織，冷卻速度大于0.26 ℃/s，將得到全部馬氏體組織。

圖4 不銹鋼過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變冷卻曲線

固溶溫度分析

圖1（b）為碳氮化物及少量固溶體相組成圖，從圖中我們可以得知，Cu 固溶體在加熱過程中溶于奧氏體基體中的溫度為1016 ℃，M23C6溶于奧氏體的溫度為857 ℃。一定條件下，固溶處理溫度越高，合金元素在奧氏體中分布越均勻，碳化物溶于奧氏體基體的速度越快，這些因素均有利于不銹鋼的固溶強化效果[8,14]。但固溶處理溫度選擇也不宜過高，過高的固溶溫度將使得不銹鋼冷卻后殘余奧氏體增加，導(dǎo)致硬度降低。從碳化物加熱轉(zhuǎn)變曲線可知，固溶處理溫度選定區(qū)間范圍為1030～1080 ℃ 較為合理。

回火溫度分析

設(shè)置回火溫度 為500、550、600 和650 ℃ 共4 個回火溫度，不同溫度下計算的碳化物尺寸及碳化物組成如圖5～6 所示。從圖5 可以看出，比較500 和550 ℃，碳化物尺寸隨加熱溫度的升高并沒有發(fā)生明顯的變化，但當回火溫度達到600 ℃ 后，碳化物尺寸明顯出現(xiàn)長大趨勢，導(dǎo)致鋼的高溫強度急劇下降，另一方面，Laves 相（合金鋼中的一種典型金屬間化合物，屬于合金鋼中的強化相，其點陣結(jié)構(gòu)為復(fù)雜六方點陣類型）在超過600 ℃ 后含量明顯降低，也將導(dǎo)致鋼的常溫強度受到影響[15]。從圖6中可以看出，500 ℃ 回火時，析出的碳化物數(shù)量明顯低于550 ℃ 以上回火時的狀態(tài)，碳化物含量的降低將導(dǎo)致鋼的高溫硬度的下降，550 ℃ 以上回火時，碳化物含量并沒有發(fā)生明顯的改變，綜上此成分不銹鋼最佳的回火溫度為550 ℃。

圖6 不同回火溫度下碳化物析出相含量：(a) 500 ℃；(b) 550 ℃；(c) 600 ℃；(d) 650 ℃

材料高溫熱物性能參數(shù)預(yù)測

材料的熱物性能參數(shù)對于現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的制定具有一定的影響，是前期選材數(shù)值模擬需要考慮的重要因素之一，圖7 反映了0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼的熱物性能參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，分別為密度、比熱容、楊氏模量和泊松比。

圖7 不銹鋼高溫熱物性能參數(shù)：(a) 密度；(b) 比熱容；(c) 楊氏模量；(d) 泊松比

從圖中可以看出，該不銹鋼的密度隨溫度升高先升高后減小，楊氏模量與溫度呈負相關(guān)關(guān)系，密度在195 ℃ 時達到最大值7.56 g/cm3，而當不銹鋼開始出現(xiàn)液相轉(zhuǎn)變時兩數(shù)值均顯著降低，從圖中還可以看出不銹鋼的泊松比與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，另外不銹鋼的比熱容在800～1000 ℃ 時存在先增大后減小的變化，在溫度1337～1432 ℃ 范圍，材料發(fā)生了由固態(tài)相轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)相，此時熱物理性能參數(shù)均發(fā)生突然增大或減小。

結(jié)束語

基于Jmatpro 熱力學模擬軟件對0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼進行熱力學模擬分析，獲得了該成分鋼的平衡相組成圖，TTA 及CCT 曲線，并針對其固溶溫度及回火溫度等熱處理參數(shù)進行分析，并最終預(yù)測其高溫熱物理參數(shù)，以期為該鋼種的現(xiàn)場生產(chǎn)及工藝制定提供理論依據(jù)及基礎(chǔ)，結(jié)論如下：

（1）0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼室溫下該不銹鋼平衡相質(zhì)量分數(shù)別為72.92%鐵素體、15.51%碳氮化物、6.33% G 相、4% Cu 固溶體、1.23% M23C6。

（2）加熱速度直接影響奧氏體均勻化溫度及時間，隨加熱速率的升高，A1、A3轉(zhuǎn)變線以及奧氏體均勻化所需的溫度均有所升高。

（3）從CCT 曲線可以得知，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度為183.9 ℃，轉(zhuǎn)變50%體積分數(shù)的溫度為143.4 ℃，轉(zhuǎn)變90%體積分數(shù)是溫度下降至49.3 ℃，珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度為773.7 ℃，珠光體的臨界冷卻速度為0.26 ℃/s，冷卻速度在0.26 ℃/s 以下將得到珠光體+馬氏體組織，冷卻速度大于0.26 ℃/s，將得到全部馬氏體組織。

（4）0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼最佳固溶溫度選定區(qū)間為1030～1080 ℃，較為合理不銹鋼最佳的回火溫度為550 ℃。

（5）在材料的熱物性能參數(shù)中，密度和楊氏模量與溫度均呈負相關(guān)關(guān)系，泊松比與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，在溫度1337～1432 ℃ 范圍，材料發(fā)生了由固態(tài)相轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)相，此時熱物理性能參數(shù)均發(fā)生突然增大或減小。