對(duì)sus440C高碳高鉻馬氏體不銹鋼在熱處理過(guò)程中淬火不均勻或脫碳現(xiàn)象及冷處理時(shí)發(fā)生開(kāi)裂進(jìn)行了解析。
關(guān)鍵詞：sus440C,馬氏體不銹鋼,高碳高鉻,失效分析,殘留奧氏體
sus440C為美國(guó)號(hào), 近似于我國(guó)的102Cr17Mo, 是一種高碳高鉻的馬氏體不銹鋼, 其碳含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 達(dá)到1%左右。該鋼適用于制造在腐蝕環(huán)境和無(wú)潤(rùn)滑強(qiáng)氧化氣氛中工作的軸承、軸套, 燃油附件中的活門(mén)襯套和其他既耐磨又耐蝕的零件。由于其高碳高鉻的特性, 熱處理后碳化物數(shù)量多, 耐磨性好, 耐蝕性好。在大氣、水、海水中以及某些酸類和鹽類的水溶液中有優(yōu)良的耐蝕性。該鋼由于含碳量高, 生產(chǎn)時(shí)易出現(xiàn)脫碳、淬裂和殘留奧氏體等問(wèn)題, 是較難進(jìn)行熱處理的鋼種。
sus440C高碳高鉻馬氏體不銹鋼鍛件是公司承接的某公司用軸承應(yīng)力環(huán)鍛件。兩批次鍛件的理化試樣在長(zhǎng)時(shí)間退火后進(jìn)行淬火, 在淬火冷卻過(guò)程中和冷處理過(guò)程中均出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象。為找出斷裂失效原因, 對(duì)淬裂樣件進(jìn)行了分析檢測(cè)。
1. 試驗(yàn)材料及過(guò)程
試驗(yàn)件經(jīng)鍛造成形, 熱處理的工藝制度為退火、淬火、深冷處理、回火。
退火:857℃±14℃保溫6h后以20℃/h隨爐冷至593℃后出爐冷, 退火硬度在255H B W以下。
淬火:在800℃預(yù)熱30min, 升溫至1 0 0 0℃第二段預(yù)熱30m i n, 升溫至1052℃±10℃保溫50min油冷至室溫。
冷處理:-73℃±11℃冷處理后空冷至室溫。
回火處理: (232±8) ℃×1.5h空冷。
2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析
(1) 顯微組織檢查或宏觀形貌分析淬裂樣件的宏觀及微觀形貌如圖1所示, 圖1a為宏觀裂紋圖片, 圖1b為樣件表面脫碳層深度圖片, 圖1c為裂紋處脫碳層微觀圖片。
由圖1a可見(jiàn), 裂紋沿縱向進(jìn)行延伸擴(kuò)展, 主裂紋周圍沒(méi)有出現(xiàn)分枝微裂紋, 為一次裂紋, 裂紋起源位置在樣件表面處。由圖1 b微觀裂紋的金相圖片可以看出, 表面處存在很深的脫碳層。由圖1c可看出, 裂紋兩側(cè)沒(méi)有出現(xiàn)脫碳層, 說(shuō)明裂紋是在熱處理冷卻過(guò)程中形成的裂紋。
(a)宏觀裂紋圖片
(b)樣件表面脫碳層深度圖片
(c)裂紋處脫碳層微觀圖片
由圖2可見(jiàn), 組織為隱針狀馬氏體+殘留奧氏體+粒狀碳化物+塊狀共晶碳化物。由于440C淬火后組織中存在大量的殘留奧氏體, 這些殘留奧氏體如果在回火時(shí)未轉(zhuǎn)變完全, 使用中就會(huì)緩慢分解, 轉(zhuǎn)變成馬氏體, 使工件尺寸膨脹, 同時(shí), 這些馬氏體析出碳化物會(huì)出現(xiàn)收縮, 使工件尺寸反復(fù)變化, 這對(duì)精密設(shè)備和鍛件是很嚴(yán)重的問(wèn)題, 因此淬火后一定要進(jìn)行冷處理, 使殘留奧氏體充分轉(zhuǎn)化, 對(duì)于精度要求高的還應(yīng)在次回火后再次進(jìn)行冷處理。由于冷處理使殘留奧氏體進(jìn)一步向馬氏體轉(zhuǎn)變, 造成組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力進(jìn)一步增大形成的拉應(yīng)力, 從而使樣件在冷處理后出現(xiàn)裂紋。這是造成sus440C材料淬火開(kāi)裂的另一原因。
圖2 隱針馬氏體+殘留奧氏體+粒狀碳化物+塊狀共晶碳化物
(2) 化學(xué)成分分析從淬裂樣件上取樣進(jìn)行, 采用濕法測(cè)量對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果如表1所示。由表1可看出, 化學(xué)成分符合AMS5630L標(biāo)準(zhǔn)要求。
(3) 力學(xué)性能分析維氏硬度檢測(cè)結(jié)果如表2所示。測(cè)試方法按ASTM E384-11五個(gè)數(shù)值的平均數(shù), 并根據(jù)ASTME140-12b轉(zhuǎn)換成洛氏硬度, 由裂紋處硬度檢測(cè)結(jié)果可知符合技術(shù)要求。
表2 硬度檢測(cè)結(jié)果
3. 結(jié)果討論和分析
產(chǎn)生裂紋的原因是由于表面的脫碳層, 在淬火冷卻過(guò)程中先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變, 因表面脫碳層的Ms點(diǎn)較未脫碳層的Ms點(diǎn)高, 因此在淬火過(guò)程中先發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變。而淬火馬氏體是脆性組織, 特性是硬而脆, 這種組織隨碳含量的增加脆性增大, 相當(dāng)于在表面形成一層硬殼。當(dāng)心部開(kāi)始冷卻到Ms點(diǎn)以下產(chǎn)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變時(shí), 由于組織的轉(zhuǎn)變而引起的體積增大, 使表層組織產(chǎn)生拉應(yīng)力, 終造成表面出現(xiàn)宏觀裂紋。產(chǎn)生表面脫碳是由于鍛后空冷及隨后進(jìn)行的退火。退火制度為:857℃保溫6~6.5h后以20℃/h爐冷至593℃出爐空冷, 由于熱處理時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)到24h左右, 造成鍛件表面出現(xiàn)的脫碳層達(dá)到1~2mm。而試樣是由鍛件解剖一件進(jìn)行取樣的, 鍛件脫碳層沒(méi)有去除或去除不徹底造成試樣在淬回火及冷處理過(guò)程中開(kāi)裂。因此, 在鍛件退火后增加一次粗加工以去除脫碳層, 鍛件及試樣在去除脫碳層后再經(jīng)熱處理淬火、冷處理, 均未出過(guò)開(kāi)裂現(xiàn)象。
表1 sus440C不銹鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
由于該材料碳含量高、碳化物數(shù)量多, 因此預(yù)熱可以減少熱應(yīng)力從而減少零件的變形和開(kāi)裂傾向。對(duì)于航空等精度要求高、形狀復(fù)雜的鍛件, 為防止開(kāi)裂, 淬火后可先在100℃左右進(jìn)行去應(yīng)力處理。
4. 結(jié)論及建議
(1) 鍛件表面脫碳是造成鍛件淬火或冷處理時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因。
(2) 建議鍛件熱處理前需將脫碳層去除, 并確保熱處理過(guò)程中不出現(xiàn)脫碳或增碳現(xiàn)象, 對(duì)于精密零件可以采用真空或在保護(hù)氣氛中進(jìn)行熱處理。
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