17-4PH鋼安裝座線切割加工過程炸裂原因分析

劉松，于淼，譚盛斌

（航空工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106）

0 引言

金屬零件的制造離不開機(jī)械加工，而在各種機(jī)械加工過程中，工件的加工表面及內(nèi)部均會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。殘余應(yīng)力的存在就有可能會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，造成零件報(bào)廢。如磨削裂紋就是一種較為常見的在機(jī)械加工過程中形成的裂紋[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電火花加工已經(jīng)成為一種成熟的、新型的機(jī)械加工方式，在各工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于電火花線切割加工技術(shù)具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、不受加工工件硬度影響等優(yōu)勢(shì)，使其成為精密加工和超精密加工的重要手段，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。電火花線切割加工的工作原理是利用移動(dòng)的金屬絲作為工具電極，在金屬絲和工件間通以脈沖電流，利用脈沖放電的腐蝕作用對(duì)工件進(jìn)行切割加工。雖然電火花線切割加工過程中不會(huì)像磨削、車削等傳統(tǒng)機(jī)械加工方式在零件制造過程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，但是如果對(duì)被加工工件應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化缺乏足夠的重視，在線切割加工過程中也可能會(huì)出現(xiàn)工件開裂的情況[4-6]。然而，在實(shí)際的零件機(jī)械加工制造中，工件線切割加工過程中產(chǎn)生裂紋的情況還是比較少見的，往往會(huì)被技術(shù)人員忽視，一旦發(fā)生工件線切割加工過程中產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象就會(huì)缺乏應(yīng)對(duì)及改進(jìn)措施。

安裝座材料為17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）馬氏體型沉淀硬化不銹鋼[7]，經(jīng)固溶熱處理及車、銑加工后進(jìn)行時(shí)效處理，再研磨、銑、車加工后進(jìn)行線切割加工成形。在線切割加工過程中發(fā)生了炸裂。本研究通過對(duì)安裝座的加工過程進(jìn)行分析，結(jié)合斷口、材料的理化檢測(cè)結(jié)果及工藝改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定17-4PH鋼安裝座線切割加工過程中炸裂的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。旨在避免類似情況再次發(fā)生，造成工件報(bào)廢，豐富零件在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生加工缺陷的案例。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

安裝座是飛機(jī)組合動(dòng)力裝置上的一個(gè)零件，用來安裝溫度、壓力傳感器。由于其形狀較復(fù)雜（圖1），需在一端裝夾并機(jī)械加工成底座面后，再用線切割加工出另一端的外形。

圖1 安裝座模型Fig.1 Mode of 17-4PH steel installation base

1.1 斷口檢查

安裝座在線切割加工一段距離后突然炸裂，沿線切割前端形成長(zhǎng)裂紋，如圖2所示。裂紋斷口表面較為粗糙（圖3）；裂紋源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜等冶金缺陷（圖4）；微觀斷口上有明顯的河流狀花樣、撕裂棱、韌窩等形貌（圖5），呈典型的準(zhǔn)解理斷口特征。

圖2 線切割產(chǎn)生的裂紋形貌Fig.2 Crack morphology produced by WEDM

圖3 裂紋斷口宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of crack fracture

圖4 裂紋源區(qū)形貌Fig.4 Morphology of the initiation area

圖5 裂紋斷口微觀形貌Fig.5 Fracture microstructure

1.2 理化檢測(cè)

對(duì)安裝座進(jìn)行金相組織檢查，金相組織為塊狀及板條狀馬氏體+沉淀析出的富Cu相（圖6），與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的17-4PH鋼在固溶處理+時(shí)效狀態(tài)的金相組織相符[8]。

圖6 金相組織形貌Fig.6 Metallurgical morphology

對(duì)安裝座進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果符合GB/T 1220—2014規(guī)定的17-4PH不銹鋼的化學(xué)成分要求。

對(duì)安裝座進(jìn)行硬度測(cè)試，其測(cè)試的5點(diǎn)平均洛氏硬度值約為HRC 45，雖符合零件圖紙對(duì)硬度的要求（HRC 40~45），但已處于硬度要求的上限。

采用X射線殘余應(yīng)力測(cè)試的方法對(duì)安裝座已經(jīng)完成機(jī)械加工的平面進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試（圖2中的A面），兩點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的平均應(yīng)力值約為?1021 MPa；對(duì)沒有機(jī)械加工的平面進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試，兩點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的平均應(yīng)力值約為?488 MPa。

2 工藝試驗(yàn)

從該批安裝座剩余的半成品件中抽取4件，分別按表1的4種方案進(jìn)行工藝試驗(yàn)，以此分析其在線切割加工過程中炸裂的原因及改進(jìn)措施。

表1 工藝試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Heat treatment experiment plan and results

從工藝試驗(yàn)的結(jié)果可知，保持原狀態(tài)或進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火后，對(duì)安裝座進(jìn)行線切割時(shí)，炸裂現(xiàn)象依然存在；對(duì)安裝座重新進(jìn)行固溶處理或固溶+時(shí)效處理，再對(duì)安裝座進(jìn)行線切割，炸裂現(xiàn)象消失。

從該批安裝座剩余的半成品件中抽取1件，重新進(jìn)行固溶處理（1040 ℃，油冷）后，制取多個(gè)15 mm×15 mm×15 mm 的試樣，進(jìn)行不同時(shí)效溫度的熱處理（時(shí)效保溫時(shí)間均為1 h）。測(cè)試不同時(shí)效處理后試樣的洛氏硬度值，繪制不同時(shí)效溫度與硬度關(guān)系的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果曲線圖（圖7）。根據(jù)17-4PH鋼安裝座不同時(shí)效溫度與硬度關(guān)系的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，該批安裝座經(jīng)480 ℃時(shí)效熱處理后，硬度值比較高，已經(jīng)達(dá)到峰時(shí)效的效果。

圖7 17-4PH鋼安裝座的時(shí)效溫度與硬度關(guān)系圖Fig.7 Relationship between aging temperature and hardness of 17-4PH steel installation base

3 分析與討論

安裝座在線切割加工過程中發(fā)生炸裂的裂紋斷口表面較為粗糙，源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜等冶金缺陷，呈典型的準(zhǔn)解理斷口特征。從斷口形貌可以確定，炸裂原因與材料冶金缺陷無關(guān)，斷口形貌符合大應(yīng)力快速過載斷裂的斷口特征[9]。安裝座的Cu含量為3.02%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；金相組織為塊狀及板條狀馬氏體+沉淀析出的富銅相；硬度約為HRC 45；熱處理工藝為固溶（1040 ℃，油冷）+時(shí)效（480 ℃，保溫1 h，空冷）。通過對(duì)安裝座進(jìn)行不同時(shí)效溫度與硬度關(guān)系試驗(yàn)的結(jié)果（固溶溫度為1040 ℃，油冷，時(shí)效溫度不同，時(shí)效時(shí)間為1 h）及相關(guān)研究資料[10-12]可以判斷，安裝座的熱處理時(shí)效效果達(dá)到峰時(shí)效（17-4PH鋼時(shí)效最高硬度在HRC 45左右）。17-4PH鋼峰時(shí)效的特點(diǎn)為強(qiáng)度、硬度達(dá)到峰值，沖擊韌性最低，延遲斷裂敏感性最強(qiáng)。該批安裝座接連出現(xiàn)10件產(chǎn)品在線切割加工過程中炸裂，炸裂發(fā)生的位置基本一致。

結(jié)合斷口及材料的理化檢測(cè)結(jié)果分析可知，安裝座在線切割加工過程中發(fā)生炸裂可能與其殘余應(yīng)力過大有關(guān)。17-4PH鋼安裝座經(jīng)過固溶+時(shí)效處理后，達(dá)到峰時(shí)效的效果，產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力；加之后續(xù)的研磨、銑、車等機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使安裝座的殘余應(yīng)力進(jìn)一步增加。安裝座的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以證實(shí)這一點(diǎn)。安裝座沒有機(jī)械加工的表面殘余應(yīng)力值約為?488 MPa（該殘余應(yīng)力應(yīng)為組織轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[13]）。已經(jīng)完成機(jī)械加工的表面殘余應(yīng)力值約為?1021 MPa（該殘余應(yīng)力應(yīng)為組織轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的疊加）。盡管安裝座內(nèi)部有相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，但對(duì)其總體而言，應(yīng)力還是處于平衡狀態(tài)的，即安裝座內(nèi)應(yīng)力的總和以及力矩的總和等于零。因而，這種處于平衡狀態(tài)的殘余應(yīng)力還不能引起安裝座炸裂。

在安裝座進(jìn)行線切割加工過程中，其原來的殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，內(nèi)應(yīng)力將進(jìn)行重新分配。這樣就致使在安裝座上產(chǎn)生新的附加內(nèi)應(yīng)力，其大小、方向及分布狀態(tài)均不同于原來的殘余應(yīng)力。由于新附加內(nèi)應(yīng)力的方向與被切割面上的原殘余應(yīng)力方向相反[4]，所以安裝座受到壓應(yīng)力的部分，線切割面產(chǎn)生的附加內(nèi)應(yīng)力則變?yōu)槔瓚?yīng)力。因此，當(dāng)安裝座進(jìn)行線切割時(shí)，導(dǎo)致原殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞，引起內(nèi)應(yīng)力的重新分配，從而在線切割面產(chǎn)生新的附加內(nèi)應(yīng)力。隨著安裝座線切割過程的進(jìn)行，產(chǎn)生的新的附加內(nèi)應(yīng)力隨之增大，在線切割割面尖端應(yīng)力集中效應(yīng)的促進(jìn)下，當(dāng)割面尖端產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力大于安裝座材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則使安裝座在該處萌生裂紋，迅速炸裂。

從工藝試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過工藝試驗(yàn)方案2處理后，安裝座在進(jìn)行線切割加工過程中依然會(huì)在相同位置處發(fā)生炸裂現(xiàn)象，且與方案1發(fā)生炸裂的位置基本相同。說明較低溫度的去應(yīng)力退火工藝（方案2）不能降低安裝座的峰值殘余應(yīng)力，不能解決安裝座在進(jìn)行線切割加工過程中炸裂的問題。通過工藝試驗(yàn)方案3、4處理后，安裝座在進(jìn)行線切割加工過程發(fā)生炸裂的現(xiàn)象均已消失。方案3是重新進(jìn)行固溶處理（1040 ℃，油冷）后進(jìn)行線切割，方案4是重新進(jìn)行固溶+時(shí)效處理（1040 ℃，油冷；480 ℃，保溫 1 h，空冷）后進(jìn)行線切割，兩種方案說明用較高的溫度重新進(jìn)行固溶處理可以改變或降低安裝座原來的峰值殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)分布，能解決安裝座在進(jìn)行線切割加工過程中炸裂的問題。分析安裝座的工藝加工流程可知，安裝座是經(jīng)過固溶處理及車、銑加工后，進(jìn)行時(shí)效處理；再進(jìn)行研磨、銑、車加工，然后進(jìn)行線切割加工成形，在線切割加工過程中發(fā)生炸裂。

工藝試驗(yàn)方案4是重新進(jìn)行固溶+時(shí)效處理后（同樣時(shí)效效果達(dá)到峰時(shí)效，硬度值約HRC 44.7），進(jìn)行線切割加工成形，但在線切割加工過程中發(fā)生炸裂的現(xiàn)象消失。這說明雖然安裝座熱處理達(dá)到峰時(shí)效，造成其殘余應(yīng)力較大、延遲斷裂敏感性較強(qiáng)，但并不是致使其在線切割加工過程中發(fā)生炸裂的唯一原因。安裝座的工藝加工流程與工藝試驗(yàn)方案4的主要不同處在于，其是在時(shí)效后還進(jìn)行研磨、銑、車等機(jī)械加工，再進(jìn)行線切割加工；而工藝試驗(yàn)方案4是在固溶+時(shí)效后直接進(jìn)行線切割加工（固溶處理可能已經(jīng)把原來研磨、銑、車機(jī)械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力改變或降低）。因此，不能忽視研磨、銑、車等機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與熱處理過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加的問題。

分析認(rèn)為，安裝座在加工制造過程中熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與機(jī)械切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力；盡管其內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，但總體處于平衡狀態(tài)；線切割加工過程中，使其殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，促使其內(nèi)應(yīng)力重新分配，在線切割面產(chǎn)生新的附加內(nèi)應(yīng)力；當(dāng)在線切割割面尖端位置（裂紋萌生位置）產(chǎn)生附加拉應(yīng)力大于安裝座材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋產(chǎn)生，迅速炸裂。

4 結(jié)論

1）安裝座在線切割加工過程中發(fā)生炸裂與其內(nèi)部殘余應(yīng)力較大有關(guān)；但并不是殘余應(yīng)力直接作用的結(jié)果，而是線切割破壞殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)，促使其內(nèi)應(yīng)力重新分配，在線切割割面尖端位置產(chǎn)生大于安裝座的材料抗拉強(qiáng)度的附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致其裂紋產(chǎn)生，迅速炸裂。

2）安裝座內(nèi)部殘余應(yīng)力較大是熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與機(jī)械切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相互疊加的結(jié)果。

3）重新進(jìn)行固溶處理能夠改變或降低安裝座原有的峰值殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)分布，可以避免其在線切割加工過程中產(chǎn)生炸裂的現(xiàn)象。