440C不銹鋼材料熱處理工藝研究

辛宇鵬，郭 輝，楊曉娟，沈 勇

(1.海裝駐漢中地區(qū)軍事代表室，陜西 漢中 723000；2.中航飛機(jī)股份有限公司 長(zhǎng)沙起落架分公司，陜西 漢中 723000)

集成閥為起落架電液一體化控制單元，其多項(xiàng)核心零件材料為440C不銹鋼。440C(高強(qiáng)度刃具鋼)鋼材是一種馬氏體型不銹鋼，碳含量為1.0%，鉻含量為16%～18%，抗銹能力強(qiáng)，具有耐腐耐高溫特性，經(jīng)熱處理后可以獲得較高屈服強(qiáng)度，硬度可達(dá)到58 HRC，在國(guó)內(nèi)不銹鋼牌號(hào)中屬最硬的不銹鋼之一。該鋼碳含量高，熱處理參數(shù)不合適會(huì)造成脫碳、淬裂和殘留奧氏體等問題，且熱處理工藝較常規(guī)不銹鋼較為復(fù)雜。該材料在中航飛機(jī)股份有限公司長(zhǎng)沙起落架分公司首次應(yīng)用且企業(yè)無440C熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)[1-6]。

1 熱處理研究目的

為確定440C熱處理參數(shù)，根據(jù)已知參考資料，需在淬火溫度(1 000～1 080 ℃)、回火溫度(100～350 ℃)范圍內(nèi)開展工藝試驗(yàn)[7-8]。選取合理淬火溫度和回火溫度，摸索不同熱處理設(shè)備淬火后脫碳層的深度；根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有情況，考慮生產(chǎn)效率、成本等因素下合理的淬火設(shè)備；為穩(wěn)定工件熱處理變形，淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行冷處理且至少進(jìn)行2次回火。摸索回火、冷處理相關(guān)參數(shù)；440C鋼淬透性好且碳含量高，冷卻速度過快易產(chǎn)生開裂，冷卻速度過慢則殘余奧氏體含量增多[9-11]。通過試驗(yàn)分析，選擇合適的淬火介質(zhì)。

440C熱處理技術(shù)指標(biāo)及要求：1)表面污染測(cè)試；2)表面無全脫碳，不完全脫碳≤0.075 mm，晶間氧化0.012 mm；3)硬度≥58 HRC。

按照熱表處理隨爐(槽)或周期性檢查試件的要求及4項(xiàng)產(chǎn)品的形狀結(jié)構(gòu)及厚度，確定硬度試件(見圖1)和金相試件(見圖2)的尺寸參數(shù)。

2 熱處理工藝應(yīng)用研究

為確定440C不銹鋼熱處理相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，需確定其淬火設(shè)備，優(yōu)選淬火溫度和回火溫度。

2.1 工藝設(shè)備選擇方案

440C不銹鋼材料熱處理后硬度高，機(jī)械加工困難，因此應(yīng)盡量減少熱后零件加工余量。考慮到該材料淬火溫度高，熱處理過程存在表面污染，如脫碳、晶間氧化等現(xiàn)象，其中脫碳層深度不但直接影響硬度和耐磨性，而且還會(huì)造成零件表面硬度不均勻，為此應(yīng)對(duì)空氣熱處理和真空熱處理進(jìn)行工藝對(duì)比分析試驗(yàn)，具體要求如下。

1)淬火設(shè)備工藝試驗(yàn)：選取空氣爐(試樣采用涂料保護(hù))、真空爐兩類設(shè)備進(jìn)行淬火。溫度為1 052 ℃，空氣爐保溫時(shí)間為60 min；真空爐按75 min進(jìn)行油淬。

2)試驗(yàn)測(cè)試要求：完全脫碳按GB/T 224金相法，增氮增碳和不完全脫碳按HB 6735的顯微硬度法。晶間氧化可在脫碳試樣重新拋光后，在無腐蝕條件下不小于250倍顯微鏡下進(jìn)行測(cè)試。試件表面應(yīng)無增氮增碳和無完全脫碳，晶間氧化深度應(yīng)≤0.012 mm，記錄設(shè)備不完全脫碳層深度。

3)試驗(yàn)結(jié)果及分析：440C不銹鋼試件表面污染測(cè)試結(jié)果見表1。測(cè)試結(jié)果表明：空氣爐刷涂料和真空爐淬火均可滿足工藝要求，能用于零件生產(chǎn)交付(空氣爐需刷保護(hù)涂料)。

表1 表面污染測(cè)試

2.2 淬火工藝參數(shù)確定方案

脫碳層深度直接影響零件硬度和耐磨性，同時(shí)會(huì)造成零件表面硬度不均勻，需針對(duì)不同規(guī)格的材料確定淬火后脫碳層深度，并兼顧選擇生產(chǎn)效率、成本等因素下合理的淬火設(shè)備。

1)淬火溫度選擇：分別在1 000、1 025、1 052和1 075 ℃等4個(gè)不同淬火溫度下進(jìn)行試件油淬，過程按照起落架工藝標(biāo)準(zhǔn)22008進(jìn)行控制。

2)試驗(yàn)測(cè)試要求：按照GB 230.1C測(cè)試硬度，記錄實(shí)測(cè)值。對(duì)比試件在不同淬火溫度下殘余奧氏體含量及硬度值的變化。

3)試驗(yàn)結(jié)果及分析：440C不銹鋼試件在不同淬火溫度下的硬度及殘余奧氏體測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同淬火溫度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果分析如下。

1)在空氣爐不刷保護(hù)涂料時(shí)，試件表面存在嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象，硬度明顯低于有涂料保護(hù)的硬度值(無涂料時(shí)為45 HRC，有涂料時(shí)≥58 HRC)。

2)在空氣爐中，對(duì)試件分別按1 000、1 025、1 052、1 075 ℃溫度進(jìn)行淬火，試件硬度相差不大，且≥58 HRC，從殘余奧體含量來看，1 052 ℃的淬火溫度殘奧量最少。

3)經(jīng)真空爐驗(yàn)證：1 052 ℃淬火溫度下，試件硬度和殘奧均滿足要求。

對(duì)于不銹鋼而言，淬火溫度較低，溶入奧氏體基體的碳化物較少，易造成組織不均勻；淬火溫度較高時(shí)，碳化物溶解充分，淬火后殘奧過多，可導(dǎo)致硬度降低，并造成晶粒粗大。綜上分析，淬火溫度宜選擇1 052 ℃。

2.3 回火工藝參數(shù)確定方案

準(zhǔn)備規(guī)格為G28×6×15的440C不銹鋼硬度試件18件，依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選淬火溫度，冷處理-68 ℃，保溫2 h。

1)回火溫度試驗(yàn)：冷處理結(jié)束后分別在163、200、250、300 ℃下進(jìn)行回火。

2)測(cè)試性能指標(biāo)：按照GB 230.1測(cè)試硬度。

3)結(jié)果及分析：440C不銹鋼試件在不同回火溫度下的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同回火溫度試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表)

結(jié)果分析如下。

1)在空氣爐不同回火溫度下進(jìn)行5次試驗(yàn)，163 ℃時(shí)材料硬度為59 HRC，隨溫度上升至200 ℃時(shí)，硬度值減少到55～57 HRC。這表明在一定溫度下，隨著回火溫度的升高，材料硬度降低。

2)真空爐163 ℃回火，能更好保持材料硬度，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 二次回火、冷處理工藝試驗(yàn)方案

為消除應(yīng)力，減少變形，穩(wěn)定工件尺寸，依據(jù)440C不銹鋼材料特性開展空氣爐和真空爐的二次回火、冷處理工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 二次回火、冷處理后硬度測(cè)試

結(jié)果分析如下：經(jīng)二次回火冷處理后，硬度無明顯變化，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 熱處理工藝參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)，編制零件熱處理工藝規(guī)程，并對(duì)集成閥中440C核心零件按優(yōu)選熱處理參數(shù)進(jìn)行熱處理，零件硬度檢查滿足設(shè)計(jì)要求。熱處理結(jié)果見表5。

表5 熱處理結(jié)果

4 結(jié)語

本文對(duì)集成閥多項(xiàng)核心零件材料440C不銹鋼開展了熱處理工藝研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：440C不銹鋼在空氣爐刷涂料和真空爐淬火，其表面污染測(cè)試均可滿足相關(guān)規(guī)范要求；通過試驗(yàn)確定了空氣爐最優(yōu)的淬火溫度為1 052 ℃，空氣爐、真空爐回火溫度為163 ℃及二次回火冷處理后對(duì)硬度影響不明顯等熱處理工藝參數(shù)。440C不銹鋼熱處理工藝研究的開展，不但確保了新研產(chǎn)品的按期交付，也填補(bǔ)了本公司在440C不銹鋼熱處理方面的空白。