440C不銹鋼環(huán)鍛件廢品案例解析

■ 范黔偉，徐周進(jìn)

440C為美國(guó)牌號(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題，是較難進(jìn)行熱處理的鋼種。

440C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，在淬火冷卻過程中和冷處理過程中均出現(xiàn)了開裂現(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255HBW以下。

淬火：在800℃預(yù)熱30min，升溫至1 0 0 0℃第二段預(yù)熱30min，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，裂紋沿縱向進(jìn)行延伸擴(kuò)展，主裂紋周圍沒有出現(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1b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)沒有出現(xiàn)脫碳層，說明裂紋是在熱處理冷卻過程中形成的裂紋。

圖 1

由圖2可見，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)在第一次回火后再次進(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440C材料淬火開裂的另一原因。

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，在淬火冷卻過程中首先發(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，因此在淬火過程中首先發(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，最終造成表面出現(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，鍛件脫碳層沒有去除或去除不徹底造成試樣在淬回火及冷處理過程中開裂。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，均未出過開裂現(xiàn)象。

表1 440C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。