史利三 SHI Li-san
（浙江通迪重工机械有限公司，宁波 315400）
（Zhejiang Tongdi Heavy Machinery Co.，Ltd.，Ningbo 315400，China）
摘要：17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢材料的用途越来越广，不过其产品在锻造过程中表层开裂特别严重。钢锭是通过电渣重熔冶炼出来的，无重熔时暂留缺陷。钢锭通过机床加工两端和车光外径，在鐓粗过程、拔长过程、压下过程都会产生严重开裂事故，导致生产不能正常进行。为了解决这种情况，在本文的分析研究中，对其原因进行深入分析，并提出相关解决措施。
Abstract： The use of 17-4PH precipitation hardening martensitic stainless steel materials becomes more widely， but the surface cracking problem in its forging process is particularly serious. The ingot is the product of electroslag remelting， if no electroslag remelting， it will appear defects. By machining both ends and lathing outer diameter， in the upsetting process， stretching process and reduction process of ingot， it will have severe cracking accident， resulting in the production is unable to proceed normally. To address this situation， in the analysis of this study， in-depth analysis of its causes is made and the solutions are proposed.
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关键词 ：表层开裂；锻造温度；铸造性能；热脆
Key words： surface cracking；forging temperature；casting properties；hot shortness
中图分类号：TG316.1+7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0148-02
作者简介：史利三（1961-），男，浙江余姚人，经济师，从事热加工工艺设备厂房生产管理三十余年，现主要研究海上用锻件产品，特别是沉淀钢、无磁钢的锻造技术。
0 引言
17-4PH兼有强度高、耐蚀性好的优点，传统的工艺为固溶+时效处理，普遍采用的固溶温度为1040℃，随着时效温度和时效时间的延长，其强度和硬度升高，而塑韧性降低，因此就容易引起锻造开裂现象。在本文的研究中，在传统工艺的基础上，增加对相关化学成分的调整处理，可以细化马氏体基体组织，提高材料的韧性及耐蚀性。
1 17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的特点和应用
1.1特点分析 17-4PH钢属于沉淀、硬化不锈钢。强度水平相当于Cr13型马氏体不锈钢，耐蚀性相当于18-8型奥氏体不锈钢。有良好的冷、热加工性能和焊接性能和铸造性能。
1.2 应用 17-4PH不锈钢广泛应用于飞机发动机、导弹、化工设备、核反应推重、制作400℃以下工作零件。海上平台、直升机、甲板、航天涡旋机叶片、核废物桶等等。美国一些先进的飞机发动机如CFM-56\CFM-80等。不少中温工作的承力件用17-4PH钢制作。在我国新研制的某型号发动机中也有不少17-4PH钢的零件。在我国首先研制并获得应用的沉淀硬化不锈钢也是17-4PH钢，但到目前为止应用时间不久。
2 锻造开裂原因分析
近期对17-4PH合金是沉淀、硬化马氏体不锈钢材料用度越来越广。但产品在锻造过程中表层开裂特别严重。钢锭是电渣重熔冶炼。钢锭通过机床加工两端和外径车光，无重熔时暂留缺陷。在鐓粗过程、拔长过程、压下过程都会产生严重开裂事故，导致生产不能正常进行，不得不停产分析开裂原因。
2.1 锻造加热温度过高 考虑到为了增加抗腐蚀能力，材料中铜熔点为1083℃，当加热温度超过1100℃，因选择性氧化作用富铜层将熔化侵蚀钢表层晶粒界。在1100℃以上锻造时，会发生热脆现象，使锻件表层发生鱼鳞状开裂现象。基于这个理论，我们首先制订了两种试验方案：①将锻造加热温度调整为1100℃，始锻温度为1080℃，终锻温度为880℃。②进行温锻试验，加热温度为880℃，始锻温度为860℃，终锻温度为660℃。在制订方案并实施的同时笔者与上海材料研究所、武汉大学取得联系，将17-4PH的锻造过程开裂情况与专业高级工程师、武汉大学他们的意见，也是建议降低锻造温度严格控制锻造过程，按照新的试验方案进行了试验①锻造的试验件、锻件仍开裂。方案②进行温锻试验因变形抗力大，无法完全成形。至此，生产试验工作不能进行。为了找到锻件开裂的真正原因，笔者在自由锻锤上做了小件模拟性试验。首先把锻件在锤上轻锻六面，开始重锻，锻件未出现开裂现象。为了找到产品开裂的真正原因，用远红外测温仪检测连续锻造过程，发现产品在大约985℃左右这个温度正好是锻造的红脆区。即高温脆性又可称热脆性。钢的冲击韧度极低，至此高温下锻造易产生裂纹。通过几次试验确定17-4PH锻造开裂的真正原因是拔长过程中锻造温度控制不当而造成。
2.2 化学成分控制不否合理 17-4PH不锈钢的化学成分控制（见表1）。
国产变形钢和铸钢的相应排号分别为Cr17Ni4Cu4Nb和ZGOCr17Ni4Cu3Nb，17-4PH为超低碳钢，不利用碳起固溶强化和碳化物强化的作用。碳量多会使钢的韧性、耐蚀性和焊接性能降低，铜含量多会使钢字锻造过程增加难度。磷在晶界偏折与Nb-C-P的相互作用有关，当6<Nb/C<20时，钢的韧性低，当Nb/C<6时，钢的韧性高，Nb和P生成NbP，与碳作用生成NbC，当NbC生成量增加，碳在晶界的数量减少，磷便扩散到晶界上，形成磷偏折，使钢变脆，这也就增加了铸件开裂的可能性。17-4PH钢中铜是产生时效硬化的元素，在奥氏体中的溶解度达9%而在铁素体中的溶解度在室温下小于0.2%。固溶处理时铜溶于基体，在冷却转变的马氏体中有很大的过饱和度，在随后的时效中，即富铜相中基体中弥漫沉淀，产生硬化效果，但是铜的含量过多则易产生晶界偏折，降低钢的塑性和韧性，还易产生锻造时裂纹。
3 解决措施
3.1 做好温度控制 通迪试验后得出结论17-4PH的钢材的最高加热温度不大于1260℃，不会产生过热问题。经过试验探讨后决定鐓粗后拔长连续锻造的加热温度调整到1260℃，出炉后在压机上轻压外圆四周，然后重压保证终锻温度在1000℃以上，整个过程用测温仪监控，成功解决了锻件开裂情况为今后生产17-4PH的材料奠定了技术基础。
3.2 科学限制相关化学成分的含量 首先必须限制碳和铜的含量，若碳量增多，就有多余的碳替代晶界上磷，钢的韧性提高，所以铌取中下限为宜。锰和硅均不是主要合金元素，在熔炼过程中它们能对其他元素起保护作用，防止其氧化。硅还能提高钢液的流动性。铬和镍是17-4PH钢中的主要元素，保证钢在室温和高温有高的力学性能和抗蚀性。其次，铬量不应低于15.5%，铬不有抗氢脆的作用。第三，合理控制镍和铌等化学成分的含量。镍既提高钢的强度又提高韧性，铌和钼都是碳化物形成元素，一般17-4PH中仅加铌，在钢中生成NbC，呈细小颗粒状分布于基体中。在奥氏体化温度NbC未完成溶解，阻碍晶粒长大。Nb还提高钢的大抗力，而不显著降低钢的强度，铌还是保证室温和高温强度的重要元素。具体参数及操作流程详见表2。
4 结论
以上所述通过调整锻件的加热温度以及加热时间，严格控制锻造变形过程的始锻温度，成功解决了常规锻造17-4PH材料开裂的问题，并总结出如下注意问题：①17-4PH是沉淀、硬化、马氏体不锈钢，若用于锻件生产，在材料采购中控制冶金过程的铜含量。②17-4PH是沉淀、硬化、马氏体不锈钢连续锻造，若终锻温度在880℃，锻件具有开裂的风险性。③用于中温工作的承件17-4PH是沉淀、硬化、马氏体不锈钢在实际锻造生产过程中，热加工工艺始锻温度控制在1260℃以下，不会产生锻件过热问题。④17-4PH是沉淀、硬化、马氏体不锈钢胚料连续加热时间应保证奥氏体充分均匀化。⑤17-4PH是沉淀、硬化、马氏体不锈钢连续锻造变型过程中加热温度控制在1260℃，出炉后在压机上轻压外圆及四周。加热时间保证奥氏体均匀化，连续锻压过程中的最后环节的始锻及终锻温度控制在1100℃-1000℃之间可确保锻件成形，避免锻造裂纹和产品晶粒度。
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