0Cr17Ni4Cu4Nb鋼安裝座線切割后開裂問題分析及工藝改進

徒玉龍，鞏丁，游平平

南京機電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

1 序言

0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，簡稱17-4PH鋼，為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，該鋼具有較高的強度、耐蝕性、抗氧化和焊接性，適用于制造400℃以下工作的高強度耐蝕零件，如飛機、導(dǎo)彈的緊固件，發(fā)動機渦輪機匣的前后安裝邊和閥門部件等[1]。

某型0Cr17Ni4Cu4Nb鋼安裝座制造工藝流程：固溶（1040℃）→車削加工→線切割→銑削加工→時效（480℃）→線切割→銑削加工→熒光檢測→檢驗。安裝座加工過程中，在時效之后線切割時發(fā)生開裂，造成零件報廢。

2 檢驗與結(jié)果

（1）宏觀觀察 開裂安裝座斷裂形貌如圖1所示，表面開裂起源于零件邊角位置，裂紋擴展平滑，無二次裂紋。

圖1 線切割時安裝座開裂處

（2）成分分析 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)成分見表1，原材料的化學(xué)成分符合GJB 2294—1995《航空用不銹鋼耐熱鋼棒規(guī)范》的規(guī)定要求。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（3）硬度檢測 用洛氏硬度計對失效零件進行硬度檢測，零件硬度一致，均為41～42HRC，符合40～47HRC的技術(shù)要求。

（4）金相分析 0C r17N i4C u4N b鋼屬于馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，顯微組織為回火馬氏體+彌散強化物，晶粒細小均勻，屬于正常固溶（1040℃×150min，水冷）+時效（480℃×1h，空冷）處理組織，如圖2所示。

圖2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼金相組織

（5）力學(xué)性能分析 從零件底部底盤處取拉伸試棒進行力學(xué)性能檢測，見表2。力學(xué)性能符合GJB 8268—2014《航空用沉淀硬化不銹鋼棒規(guī)范》中對材料0Cr17Ni4Cu4Nb鋼按H480熱處理后的技術(shù)要求。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的力學(xué)性能

（6）斷口分析 在開裂源區(qū)取樣，打開斷口后經(jīng)超聲波清洗，在掃描電鏡下觀察斷口形貌，源區(qū)低倍形貌如圖3a所示。斷口齊平無銹蝕產(chǎn)物，高倍下觀察斷口，源區(qū)及擴展區(qū)均為解理斷裂特征形貌，如圖3b所示。

圖3 斷裂源區(qū)附近的解理特征

3 結(jié)果分析

1）根據(jù)成分分析結(jié)果可知，該安裝座的化學(xué)成分符合GJB 2294—1995標(biāo)準(zhǔn)對0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的技術(shù)要求。

2）根據(jù)硬度檢查結(jié)果可知，該安裝座硬度為41～42HRC，符合設(shè)計圖樣40～47HRC的硬度要求。

3）從金相分析結(jié)果可知，該安裝座經(jīng)固溶、時效后組織為馬氏體組織+沉淀析出相，未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒粗大及組織異常的情況。

4）從力學(xué)性能檢測結(jié)果可知，該安裝座經(jīng)固溶（1040℃×150min，水冷）+時效（480℃×1h，空冷）后力學(xué)性能符合GJB 8268—2014中該熱處理制度下的技術(shù)要求。

5）從斷口形貌分析結(jié)果可知，該安裝座經(jīng)時效硬化后線切割開裂的斷裂位置存在明顯解理裂紋特征。解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵被破壞而造成沿一定晶體學(xué)平面（即解理面）快速分離[2]。影響解理斷裂的因素主要有環(huán)境溫度、介質(zhì)、材料的晶體結(jié)構(gòu)，顯微組織、應(yīng)力大小與狀態(tài)等。

綜上所述，因零件存在厚薄差較大導(dǎo)致應(yīng)力集中，在480℃×1h的時效硬化后該安裝座未充分消除零件殘余應(yīng)力，同時因組織轉(zhuǎn)變的組織應(yīng)力及熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致在線切割過程中破壞零件應(yīng)力平衡引起斷裂。

4 工藝改進措施

針對上述分析，調(diào)整機械加工過程，將線切割前的時效處理更改為固溶+時效，固溶處理能夠有效消除機械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，時效處理后線切割過程未發(fā)現(xiàn)開裂問題。

5 結(jié)束語

在0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼安裝座批量生產(chǎn)中，零件經(jīng)時效處理后線切割時產(chǎn)生開裂，其主要原因是零件存在厚薄差較大的位置，480℃×1h的時效處理無法有效去除殘余應(yīng)力。建議在后續(xù)加工過程中，將固溶工序后移，零件線切割前進行固溶+時效處理，能有效防止零件斷裂情況的發(fā)生。