1Cr18Ni9Ti不銹鋼鍛件表面裂紋分析

曾會書

(廣東省韶鑄集團有限公司，廣東512031)

1Cr18Ni9Ti不銹鋼鍛件表面裂紋分析

曾會書

(廣東省韶鑄集團有限公司，廣東512031)

用1Cr18Ni9Ti不銹鋼試制吊鉤時，發(fā)現(xiàn)吊鉤表面存在鍛造裂紋。采用光譜分析、金相檢驗等分析手段對裂紋進行了分析。結果表明，該批不銹鋼材料由于合金元素配比不合理以及冶煉工藝不當，使得材料中存在較多δ鐵素體和聚集分布的TiN夾雜物，兩者的迭加影響導致吊鉤表面產生裂紋。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼；吊鉤；δ鐵素體；TiN夾雜物；裂紋

某公司開發(fā)一種不銹鋼吊鉤，材質為1Cr18Ni9Ti。在試制時發(fā)現(xiàn)全部吊鉤均存在表面裂紋，裂紋深度約0.3 mm，主要分布在吊鉤柄部和彎鉤處，沿流線方向擴展，如圖1所示。該批吊鉤的生產工藝流程為：下料→檢測→加熱、預鍛→空冷→加熱、模鍛、切邊→空冷→打磨、拋丸→檢測→固溶處理。在拋丸后檢測時發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

1 理化檢驗

1.1 化學成分

在吊鉤柄部取樣進行光電直讀光譜分析，其化學成分符合標準要求，見表1。

圖1 吊鉤及裂紋宏觀形貌Figure1 Macro morphologies of the lifting hook and its crack

表1 吊鉤化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of hook (mass fraction, %)

圖2 TiN夾雜物Figure 2 TiN inclusions

圖3 TiN夾雜物Figure 3 TiN inclusions

圖4 吊鉤中的α相(300×)Figure 4 α- phase in the hook(300×)

圖5 原材料中的α相(300×)Figure 5 α- phase in the material(300×)

1.2 金相檢驗

在吊鉤柄部取樣進行金相檢驗，經(jīng)拋光后發(fā)現(xiàn)有較多TiN夾雜物，且呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布。根據(jù)GB/T10561—2005[1]評定其非金屬夾雜物為：A：0.5，BTiN>3.0，C：0，D：1.0，見圖2、圖3。經(jīng)浸蝕后觀察發(fā)現(xiàn)存在較多鐵素體，呈鏈狀、針狀和網(wǎng)狀分布，其顯微組織為奧氏體+鐵素體，晶粒度5.0級。根據(jù)GB/T13305—2008[2]評定其α相面積含量>2.0級，見圖4。對原材料進行α相面積測定，其α相面積含量>2.0級，見圖5。

2 分析與討論

綜上分析，原材料化學成分符合標準要求，但在原材料及吊鉤中均發(fā)現(xiàn)有大于2.0級的α相以及呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布的TiN夾雜物存在。

2.1 α相的形成及影響

鉻-鎳不銹鋼中α相的形成及含量與各種因素有關，如化學成分、熱處理、冷熱加工、成型、焊接等等[3]，化學成分是其中決定性因素。本批吊鉤材料雖然各元素含量都在標準要求的范圍內，但鋼中不僅含有較高的殘余強鐵素體形成元素Mo，而且奧氏體形成元素Ni含量靠近下限。鋼中α相級別隨著鎳含量的升高而降低，隨著鉻含量的升高而升高[4]。通常根據(jù)材料的化學成分計算其鉻當量和鎳當量，然后利用Schaeffler圖預測其組織結構[5]。將本批1Cr18Ni9Ti材料的成分代入鉻、鎳當量計算公式：

圖6 利用Schaeffler圖預測吊鉤材料的組織Figure 6 Material structure of the hook predicted by the schaeffler diagram

Cr當量=Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb=18.49%

Ni當量=Ni+30×C+0.5×Mn=10.94%

從Schaeffler圖查得其組織為奧氏體+10%鐵素體，如圖6所示。對于鉻- 鎳奧氏體不銹鋼，為保證自高溫快冷后鋼的組織是單相的奧氏體，鎳的含量應大于下列經(jīng)驗公式所給出的數(shù)值[6]：Ni≥1.1×(Cr+Mo+1.5×Si+1.5×Nb)-30×C-0.5×Mn-8.2。根據(jù)本批材料的合金元素含量計算，Ni≥9.45%才能保證得到單純的奧氏體組織，而本批材料中鎳含量為8.25%，顯然偏低很多。可見由于鎳含量偏下限、Ni當量偏低而使組織中出現(xiàn)δ鐵素體。材料中α相面積含量根據(jù)理論計算[7]：α相級別=1.0×Si+0.5×Cr+1.64×Ti-10.86×C-0.29×Ni-0.08×Mn-4.64=2.399≈2.4，與實測相吻合。這說明材料中出現(xiàn)較多α相是由于其合金元素配比不合理，鎳含量及鎳當量偏低以及含有較高的殘余強鐵素體形成元素Mo所造成的。

鐵素體相與奧氏體基體之間化學成分、力學性能及熱穩(wěn)定性存在差異，在變形時變形流動性能也不一樣，因此鐵素體的出現(xiàn)給奧氏體不銹鋼帶來諸多不利影響，尤其使其熱塑性顯著降低，熱加工產生裂紋的傾向性增大[8]。有研究表明，當1Cr18Ni9Ti鋼中(Cr+3.28×Ti)/Ni≤2.0，計算α相級別≤2.3時可獲得良好的表面質量[9]。而對于在熱加工工序中塑性變形大的工件，對其δ鐵素體含量要求更嚴，應控制在7%以內[10]。在拉應力較大的鐓粗、沖孔等工序中，δ鐵素體含量>1級(5%)就可能出現(xiàn)裂紋[11]。而本批吊鉤材料(Cr+3.28×Ti)/Ni≈2.3，計算α相級別≈2.4，δ鐵素體含量>12%，因此在鍛造時很容易產生表面鍛造裂紋。

2.2 TiN夾雜物的形成及影響

TiN夾雜物是含Ti不銹鋼中的主要夾雜物，其形成和分布主要與澆注工藝和方法密切相關，其次與鋼中含Al也有關系。如果未采取有效的保護澆注措施，鋁極易被二次氧化形成Al2O3夾雜物，并成為TiN形核長大的核心。TiN夾雜物在上浮過程中不斷長大，容易與Al2O3夾雜物形成夾雜物群聚集分布[12]。

鋼中加Ti的目的是為了抑制(Cr,Fe)23C6在晶界上析出，消除晶間腐蝕傾向。當Ti元素以TiN夾雜物大量析出且聚集分布時，對材料主要產生兩方面的危害：一方面由于Ti元素與N元素結合析出，使C元素無法或僅有少量與Ti結合，致使晶間腐蝕傾向增大[13]，同時TiN夾雜物本身也使得材料的抗腐蝕能力降低；另一方面，TiN夾雜物是脆性相，硬度高，呈棱角狀，易聚集分布，破壞了鋼材的連續(xù)性并造成應力集中，降低了鋼材的塑性、韌性和抗疲勞性能，在外力作用下容易成為裂紋源[14]。

3 結論

本批吊鉤材料由于合金元素配比不合理，鎳含量及鎳當量偏低以及含有較高的殘余強鐵素體形成元素Mo，使得材料中存在較多δ鐵素體，是其產生表面鍛造裂紋的主要原因。而材料中呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布的TiN夾雜物，不僅對這批吊鉤的鍛造裂紋產生了迭加影響，而且將影響其抗腐蝕能力。

[1] GB/T10561—2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測定- 標準評級圖顯微檢驗法[S].

[2] GB/T13305—2008.不銹鋼中α- 相面積含量金相測定法[S].

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[14] 李道明.不銹鋼中非金屬夾雜物的危害及去除[J].山西冶金，2008,114(4):24-26.

編輯 杜青泉

Analysis on Surface Crack of 1Cr18Ni9Ti Stainless Steel Forgings

ZengHuishu

When 1Cr18Ni9Ti stainless steel hook is carried out trial manufacturing, hook surface is found forging crack. The crack is analyzed by spectral analysis, metallographic test. The results show that there are many δ ferrite and the clumped TiN inclusions in the material because the unreasonable proportion of the alloy elements in the batch of stainless steel materials and improper smelting process, which superposed influence causes the crack on hook surface.

1Cr18Ni9Ti stainless steel；lifting hook; δ- ferrite; TiN inclusion; crack

2013—12—13

曾會書(1971—),男，工程師，主要從事金相分析、失效分析和熱處理工藝研究。

TG316.1+92

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