沉淀硬化超高强度不锈钢技术优化探讨

常用的18-8型铬-镍不锈钢的机械强度不能通过热处理来改善，只有经过强烈的冷塑性变形才能有较大提高，但对于截面较大、形状复杂的零件来说，冷塑性形变强化是困难的。Cr13型不锈钢强度虽然较高，但仍达不到超高强度水平。根据宇航工业的需要，在两类不锈钢基础上，发展了下述两种超高强度不锈钢，这两类钢既具有优良的焊接性能和压力加工性，又具有通过沉淀硬化而获得的高强度。

1.奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢

（1）性能 这类钢经固溶处理后，室温组织为奥氏体，焊接性好和压力加工性好。当加工完成后，通过调整Ms点，使奥氏体转变为含碳极低的马氏体，在低碳马氏体的基础上，再通过时效产生沉淀硬化进一步强化马氏体，从而获得超高强度。

（2）成分 常用奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分见表8-5所示。这类沉淀硬化不锈钢的典型钢号是0Cr17Ni7Al（17-7PH）。

表8-5 奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分

（3）0Cr17Ni7Al钢的热处理

1）固溶处理。1050℃加热，空冷，得到奥氏体组织+5%～20%铁素体。在室温下有良好的冷变形能力和焊接性。

2）调整处理。这类钢含镍较多，固溶处理后Ms点低于室温，为得到尽量多的马氏体必须进行调整处理，调整Ms点的加热称为调整处理。0Cr17Ni7Al钢一般加热至700～800℃，保温1h，使碳化物析出，奥氏体中碳的含量下降，Ms点从-100℃上升到70℃，空冷到室温得到的是马氏体、残留奥氏体、铁素体和合金碳化物组织。残留奥氏体在时效加热超过500℃时才完全分解。

调整处理的加热温度和Ms的关系如图8-5所示，若将加热温度提高到950℃，则Ms点约为60℃，Mf点约为-80℃。调整处理后主要得到马氏体组织，而且无碳化物在晶界析出。故其强度比700～800℃调整处理时高。

为使残留奥氏体转变完全，也可进行冷变形，在室温或零下轧制，变形量60%可使残留奥氏体转变为马氏体。

图8-5 调整处理温度对0Cr17Ni7Al钢Ms点的影响

3）时效处理。时效处理是沉淀硬化钢强化的主要手段。0Cr17Ni7Al钢的时效温度在高于400℃时析出强化相Ni₃Al，500℃左右时效强化效果最好。若要提高塑性和韧性，则可将时效温度提高至560℃。(www.xing528.com)

奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢强化的热处理规范及力学性能见表8-6。

表8-6 奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理规范和力学性能

这类钢固溶处理后，加工性能好，时效后具有较高的固溶硬度，适于制造机体的薄壁结构、蜂巢结构和蒙皮、燃料储存箱等。

2.马氏体沉淀硬化不锈钢

在Cr13型马氏体不锈钢基础上加入钼、钨、钛、铌等强化元素，能形成Fe₂Mo、Fe₂Ti、Fe₂Nb、Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀等金属间化合物。在400～650℃时效处理时，在低碳马氏体基体上析出这些金属间化合物，产生沉淀硬化，从而提高了钢的强度。

常用的马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分见表8-7。

表8-7 马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分

0Cr17Ni14Cu4Nb钢是最早使用的马氏体沉淀硬化不锈钢，经过1000～1050℃固溶处理，空冷或油冷，得到低碳马氏体，硬度约为340HBW；再经过480℃、1h的时效处理，由于含铜相的析出而得到强化效果，硬度达到420HBW。

在含铬马氏体不锈钢中同时加入钴和钼，会使沉淀硬化效应特别强烈，因此，发展了铬-钼-钴型沉淀硬化不锈钢。目前这类钢有两种基本成分，一种是以Cr13型为基加入w（Mo）=5%和w（Co）=13%的高钼量钢；另一种是以Cr13型为基加入w（Mo）=2%～3%和w（Co）=20%的高钴量钢。

AFC-77为典型高钼量钢，经过1093℃加热油淬后，室温组织为马氏体（约80%）+残留奥氏体，经过-73℃冰冷处理后，残留奥氏体减少。低碳合金马氏体具有较低硬度（约30HRC）和较高塑韧性，有较小的加工硬化倾向，可直接进行冷变形。

这类钢在大气、水及一些介质中可以耐蚀，适用于做液体火箭壳体和核动力装置中的零件。