超高強(qiáng)度300M 鋼熱加工過程中高溫腐蝕行為的分析與總結(jié)

文／孟斌，徐常順·國機(jī)重型裝備集團(tuán)股份有限公司

鋼鐵是人類使用最早、用量最大的結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天、汽車制造和建筑工程等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。為了克服早期鋼鐵結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度不足、耐腐蝕性差以及易疲勞斷裂等缺點(diǎn)，從二十世紀(jì)中期開始，在普通合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上通過合金元素優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)冶煉工藝以及改善熱處理制度等措施發(fā)展了一系列超高強(qiáng)度鋼，以期滿足航空航天工業(yè)快速發(fā)展的需要。超高強(qiáng)度鋼是室溫抗拉強(qiáng)度Rm≥1400MPa 或屈服強(qiáng)度Rp0.2≥1350MPa 的結(jié)構(gòu)鋼材，在航空領(lǐng)域多用于制造飛機(jī)起落架主承力構(gòu)件等，是航空制造業(yè)必不可少的材料之一。

飛機(jī)起落架作為飛機(jī)重要安全功能部件，是用于飛機(jī)起飛、著陸、地面滑行和停放的重要支持系統(tǒng)，是飛機(jī)的主要承力構(gòu)件。飛機(jī)起落架的技術(shù)水平和可靠度對(duì)于飛機(jī)整體性能和使用安全具有重要影響。根據(jù)超高強(qiáng)度鋼中合金元素的總含量可將其分為三類，即低合金超高強(qiáng)度鋼、中合金超高強(qiáng)度鋼和高合金超高強(qiáng)度鋼?，F(xiàn)今90%以上的世界飛機(jī)起落架都是超高強(qiáng)度鋼制造的，而低合金超高強(qiáng)度鋼300M 是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、最成功的起落架用鋼。

300M 鋼最初是美國國際鎳公司1952 年研制開 發(fā) 的，300— 強(qiáng) 度 為300ksi(2000MPa 級(jí))、M—modified；1964 年開始用于美國C-5A 銀河運(yùn)輸機(jī)，60 年代開始推廣應(yīng)用于各類戰(zhàn)斗機(jī)、民航客機(jī)。世界上目前在役的90%以上的飛機(jī)起落架均采用300M鋼制造，如波音全系列(B737、B747、B787 等)以及空客全系列(A330、A340、A380)等。

超高強(qiáng)度300M 鋼熱加工過程中高溫腐蝕行為的認(rèn)識(shí)

表1 為超高強(qiáng)度鋼300M 的化學(xué)成分，可以看出，300M 鋼碳含量達(dá)到了0.38 ～0.43%，屬于中碳鋼，退火組織為珠光體和鐵素體。碳元素在鋼材中主要起兩個(gè)作用：一是通過形成固溶體結(jié)構(gòu)(如奧氏體、鐵素體等)提高鋼材強(qiáng)度；二是形成碳化物組織(如滲碳體Fe3C)提高硬度和耐磨性。隨著鋼中碳含量增加，組織中珠光體數(shù)量增加，而鐵素體數(shù)量減少。當(dāng)碳含量大于0.40%時(shí)，淬火組織除了馬氏體外還有少量殘留奧氏體，殘留奧氏體數(shù)量隨著鋼中碳含量的增加而增加，因此，300M 鋼經(jīng)淬火、回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，如表2 所示。

表1 超高強(qiáng)度鋼300M 的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 超高強(qiáng)度鋼300M 的主要力學(xué)性能

超高強(qiáng)度300M 鋼在高溫、長時(shí)間、多火次的加熱過程中，不可避免地會(huì)發(fā)生高溫腐蝕，如圖1 所示，例如氧化、脫碳等。通常情況下，超大規(guī)格300M 鋼鍛件的加熱溫度在1100 ～1200℃，每火次的加熱時(shí)間為6 ～8h，累計(jì)加熱次數(shù)為3 ～8 次。

圖1 超高強(qiáng)度鋼300M 高溫腐蝕

超高強(qiáng)度300M 鋼鍛件在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各大鍛造企業(yè)考慮到生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率等因素，往往會(huì)采用天然氣加熱爐進(jìn)行加熱，而天然氣爐氣氛環(huán)境復(fù)雜，坯料在加熱過程中會(huì)與爐內(nèi)氣氛發(fā)生選擇性反應(yīng)，如圖2 所示。實(shí)際上，300M 鋼表面的氧化、脫碳行為也極難控制，最終成形后的鍛件即便經(jīng)過噴砂、拋丸和表面機(jī)加工，表面的硬度也由于脫碳或半脫碳的原因而不達(dá)標(biāo)，而300M 鋼部件大都處在高溫、高壓、高速，需要承受很大應(yīng)力和在腐蝕性介質(zhì)侵蝕的惡劣條件下工作，零件加工表面狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響其使用性能。

圖2 天然氣爐爐內(nèi)氣氛分類情況

氧化行為的認(rèn)識(shí)

300M 鋼的氧化是一個(gè)擴(kuò)散過程，鐵以離子狀態(tài)由內(nèi)層向外層表面擴(kuò)散，氧化性氣體的原子吸附在表層后向內(nèi)擴(kuò)散，隨著加熱時(shí)間的延長，會(huì)逐漸形成一層高溫腐蝕產(chǎn)物——氧化皮。

⑴氧化皮的成分和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，當(dāng)加熱溫度在570℃以下，氧化膜包括三氧化二鐵(Fe2O3)和四氧化三鐵(Fe3O4)；當(dāng)加熱溫度在570℃以上時(shí)，氧化膜由內(nèi)向外依次是氧化亞鐵(FeO)、三氧化二鐵(Fe2O3)和四氧化三鐵(Fe3O4)；

⑵從體積分?jǐn)?shù)測(cè)算，F(xiàn)eO 約占40%、Fe3O4約占50%；Fe2O3層最薄，約占10%。FeO 結(jié)構(gòu)疏松，保護(hù)作用較弱；而Fe3O4、Fe2O3結(jié)構(gòu)致密，有較好的保護(hù)性。

⑶在繼續(xù)長時(shí)間加熱的過程中或者在后續(xù)出爐冷卻過程中，由于最外層Fe2O3比同質(zhì)量金屬的體積大2 倍多，因此在氧化物層內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，引起氧化鐵皮周期性的破裂，以致脫落，給進(jìn)一步氧化造成有利條件。

⑷300M 鋼的高溫氧化不僅會(huì)造成嚴(yán)重的金屬損耗(鋼材每加熱一次約有1.5%～3%的金屬損耗)，而且生成的氧化皮壓入鍛件將嚴(yán)重影響鍛件表面質(zhì)量和尺寸精度。

脫碳行為的認(rèn)識(shí)

300M 鋼的脫碳是生產(chǎn)過程中十分常見的一種表面缺陷(表層元素貧化，鋼材中碳成分減少的現(xiàn)象)，一般在鋼材加熱至某個(gè)溫度后鋼中的碳元素與周圍氣氛中的氧和氫發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)發(fā)生脫碳行為，形成脫碳層，使得鋼材表面的力學(xué)性能和內(nèi)部的力學(xué)性能存在一定的差異。

脫碳行為發(fā)生后，脫碳層的硬度和屈服強(qiáng)度會(huì)隨著碳含量的減少而明顯降低，最終發(fā)生脫碳層軟化現(xiàn)象，即使經(jīng)過淬火，鋼材硬度依然不高，因此很容易在后續(xù)機(jī)加工過程中經(jīng)過交變應(yīng)力的影響從而產(chǎn)生裂紋和過早疲勞失效。此外，脫碳層的存在導(dǎo)致表面碳含量呈梯度變化，淬火時(shí)在不同位置會(huì)有不同的膨脹系數(shù)和組織體積變化，因此容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生局域微裂紋，最終形成應(yīng)力集中區(qū)為后續(xù)能夠引起鋼材斷裂的宏觀裂紋的產(chǎn)生埋下伏筆。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，⑴脫碳的速度取決于化學(xué)反應(yīng)的速度，也取決于雙向擴(kuò)散過程的條件。脫碳?xì)怏w擴(kuò)散到金屬表面，并且氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物向金屬表面移動(dòng)。另外，由于濃度差異，來自內(nèi)層的碳移動(dòng)到表面脫碳的金屬層。⑵脫碳速度隨溫度升高而增加。因此，脫碳層的厚度也會(huì)隨著加熱溫度的升高而增加。⑶溫度一定的情況下，加熱時(shí)間越長，脫碳層越厚，且脫碳厚度隨加熱時(shí)間的平方根變化呈線性變化關(guān)系。

氧化和脫碳行為內(nèi)在聯(lián)系

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，⑴起始氧化溫度為500℃，表面僅能生成很薄的一層氧化膜；當(dāng)溫度升至600～700℃，便開始有顯著氧化，并生成氧化鐵皮；從800 ～900℃開始，鋼的氧化速度急劇升高。⑵起始脫碳溫度650 ～700℃，溫度超過700℃脫碳行為會(huì)加劇。⑶在高溫區(qū)域(高于800 ～900℃)，鋼的氧化和脫碳過程是并行且相互聯(lián)系的。實(shí)際生產(chǎn)中，脫碳和氧化同時(shí)進(jìn)行。⑷當(dāng)鋼加熱到1000℃以上時(shí)，由于強(qiáng)烈的氧化，脫碳作用較弱。在更高溫度下，氧化皮剝落喪失保護(hù)作用，脫碳將劇烈發(fā)生。

區(qū)別主要在于，如果氧化反應(yīng)的速度更快，300M 鋼表面會(huì)形成氧化鐵或氧化亞鐵；反之，當(dāng)脫碳反應(yīng)速度大于氧化反應(yīng)時(shí)，脫碳行為便會(huì)發(fā)生(如滲碳體和氧反應(yīng)生成鐵素體和一氧化碳)。

減緩300M 鋼高溫腐蝕行為的相關(guān)建議

關(guān)于300M 鋼高溫腐蝕(脫碳和氧化)，這是一個(gè)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)交錯(cuò)的科學(xué)問題，這也是300M 鋼本身材料屬性的問題。因此，我們能做的就是盡可能改善，建議可以從加熱溫度、保溫時(shí)間、保護(hù)介質(zhì)三個(gè)角度去深入思考和挖掘，如圖3 所示。

圖3 300M 鋼高溫腐蝕行為控制原理

加熱溫度與保溫時(shí)間

加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)氧化及脫碳的影響基本一致，它們都是通過影響元素?cái)U(kuò)散速率來影響脫碳及氧化的程度。300M 鋼加熱溫度越高，原子熱運(yùn)動(dòng)就越劇烈，原子擴(kuò)散速率就越大，這樣氧化及脫碳的趨勢(shì)就越大。同樣，加熱時(shí)間越長，原子擴(kuò)散的就越充分，這樣就會(huì)加速氧化和脫碳的進(jìn)行。所以，要降低鋼的氧化和脫碳，就要盡可能在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，適當(dāng)降低300M 鋼的加熱溫度，縮短保溫時(shí)間。

保護(hù)介質(zhì)

從300M 鋼的氧化與脫碳過程來看，300M 鋼與氧元素的接觸是反應(yīng)開始進(jìn)行的主要原因，所以減少鐵/氧的接觸、控制元素?cái)U(kuò)散的速度對(duì)于減少鋼鐵高溫氧化與脫碳起著重要的作用。目前減少鋼鐵氧化與脫碳的方法主要有真空法、保護(hù)氣氛法和涂料防護(hù)法三種。

⑴真空法是指在生產(chǎn)300M 鋼鍛件的過程中，將其置于真空狀態(tài)下，避免300M 鋼與氧化性氣體接觸的方法。雖然這種方法防護(hù)效果非常好，氧化燒損量與脫碳層深度微乎其微，但是設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、影響生產(chǎn)流程，增加生產(chǎn)成本。所以目前在鋼鐵材料的生產(chǎn)和使用中，真空法的應(yīng)用范圍并不廣泛，更多的是應(yīng)用于科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)等方面。

⑵保護(hù)氣氛法的原理是通過充入保護(hù)氣體隔絕鋼鐵與氧元素的接觸，從而達(dá)到減少氧化與脫碳的目的。保護(hù)氣氛法在實(shí)際應(yīng)用中并不僅僅單純使用一種保護(hù)氣體，更多的是使用多種混合氣體。這種方法保護(hù)效果良好，但存在成本高、保護(hù)氣體的制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)難攻克、設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以目前仍不適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中。在解決了這一系列及使用過程中的安全與環(huán)保等問題的基礎(chǔ)上，保護(hù)氣氛法仍有一定的應(yīng)用前景。

⑶從目前的技術(shù)和設(shè)備等方面考慮，要使鋼材在生產(chǎn)過程中完全處于無氧狀態(tài)是不可能的。在防止和延緩鋼鐵高溫氧化和脫碳的諸多措施中，最有效且經(jīng)濟(jì)的莫過于在加熱過程中采用涂料保護(hù)。

300M 鋼鍛前在其表面噴涂保護(hù)涂層，涂層在隨鍛件入爐加熱后，會(huì)迅速燒結(jié)致密，并與基體緊密結(jié)合，隔絕氧氣，同時(shí)防止合金鋼內(nèi)部的碳元素溢出，達(dá)到在高溫下的防氧化、防脫碳的效果。當(dāng)然，目前防護(hù)涂料種類繁多，但是距離在企業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用還尚需一些研究和探索。涂料防護(hù)法實(shí)際應(yīng)用的核心思路就是“用好涂料”，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是“用好”涂料，這主要與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、實(shí)際工況、生產(chǎn)模式等因素密切相關(guān)；另一方面就是用“好涂料”?！昂猛苛稀钡牡湫吞攸c(diǎn)包括①優(yōu)異的防護(hù)性能，防止或減緩鍛件在高溫下氧化、脫碳；②能夠適應(yīng)具體工況(加熱溫度、保溫時(shí)間、加熱火次、入爐方式、冷卻方式等)；③具有潤滑、保溫、可控剝落性等輔助效果，對(duì)于多火次，可使用鋼材出爐冷卻時(shí)不剝落的涂層，這樣可以在下火次加熱時(shí)繼續(xù)起到防護(hù)作用，對(duì)于單火次，可使用鋼材出爐冷卻時(shí)自行剝落的涂層，這樣可以免去清除涂層的工序，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本；④涂層高溫時(shí)硬度低，可隨鍛件變形而延展，有利于鍛造成形并且不會(huì)在鍛件表面形成劃傷或壓坑等缺陷；⑤綠色環(huán)保，對(duì)車間環(huán)境和人體健康不造成傷害。

300M 鋼的高溫腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證

某300M鋼鍛件是采用天然氣加熱爐進(jìn)行熱處理，天然氣爐氣氛環(huán)境復(fù)雜，300M 鋼鍛坯表面的氧化、脫碳行為也極難控制，如圖4A(300M 鍛坯氧化情況，無調(diào)控)和4B 所示。針對(duì)該類問題，合理設(shè)計(jì)工藝試驗(yàn)，在同工況生產(chǎn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)：通過用“好涂料”、“用好”涂料、優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝等其他特殊調(diào)控手段可以實(shí)現(xiàn)少無氧化控制，如圖4C(C-300M 試樣氧化情況，有調(diào)控)和圖4D所示。

圖4 300M 鋼高溫腐蝕調(diào)控驗(yàn)證

結(jié)論

⑴超高強(qiáng)度鋼300M 是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、最成功的起落架用鋼。

⑵超高強(qiáng)度300M 鋼在高溫、長時(shí)間、多火次的加熱過程中，不可避免地會(huì)發(fā)生高溫腐蝕行為(氧化和脫碳)，且氧化和脫碳行為是并行且相互聯(lián)系的。

⑶超高強(qiáng)度300M 鋼通過用“好涂料”、“用好”涂料等優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝等其他特殊調(diào)控手段，可以實(shí)現(xiàn)少無氧化控制。