05Cr17Ni4Cu4Nb固溶时效后表面污染分析

■ 袁 峰，黄小明

05Cr17Ni4Cu4Nb是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，含有时效强化元素Cu、Nb，主要的强化相为富铜相，以及少量的B2A型金属化合物（如Fe2Nb），其具有较高的强度、耐蚀性、抗氧化性，适用于400℃以下工作的高强度耐蚀零件，如飞机、导弹的紧固件，发动机涡轮机的前后安装边和阀门部件等。

由于真空热处理具有除气、表面净化、脱脂等一系列优点，故公司采用真空油淬处理05Cr17Ni4Cu4Nb材料制造的紧固件，时效在空气炉中进行。但前期使用普通淬火油固溶时效处理后，易在表面出现白亮层组织，白亮层的存在会影响产品的耐蚀性及耐磨性等，容易形成疲劳源，降低产品的使用寿命，引起构件的提前失效断裂。后将淬火油改为KR328，该问题得到改善。

采用真空油淬（普通淬火油和KR328）、真空气淬的对比，分析产生白亮层的影响因素；通过检测表面白亮层与心部显微维氏硬度，分析表面白亮层与心部硬度差别；做白亮层及心部化学成分与能谱分析，定性并定量分析白亮层组成元素。

1. 试验方法

试验设备如表1所示。试验材料采用尺寸为φ26mm×500mm的05Cr17Ni4Cu4Nb，原材料为退火态，技术条件为GB/T1220。

将试验材料05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分为3批，分别装入HZR—50型真空油淬-气淬炉中升温到800℃预热2h，真空度保持在1.33～13.3Pa，随后加热至1040℃保温1h结束后分别进行真空油淬（第一批为普通真空淬火油，第二批为KR328）和真空气淬，再在RXF6-60×45×40空气回火炉中630℃时效4h。用Imager.ALM显微镜观察真空油淬、真空气淬后材料金相组织表面层状况，测量白亮层厚度。使用HVS-1000型显微维氏硬度计分别检测表面白亮层、过渡段、心部的硬度。收集表面白亮层与心部的屑沫，通过Optima 7000DV型电感耦合等离子发射光谱仪分析判断白亮层组织与心部正常组织化学元素的差别。借用QUANTAX100型BRUKER能谱分析仪定性分析材料表面白亮层与心部正常组织的化学成分。

图1 不同热处理方式对 05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影响

表1 试验设备

表2 棒材热处理后白亮层组织与心部组织硬度

2. 试验结果

（1）不同热处理方式对05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影响 图1为冷却方式不同的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材经过固溶处理+630℃4h时效处理后的显微组织。

图1a为HZR-50型号真空油淬（采用KR328）+630℃时效处理后的显微组织；图1b为采用HZR-50型号真空气淬+630℃时效处理后的显微组织；图1c为采用HZR-50型号真空油淬（采用普通淬火油）+630℃时效处理后的显微组织，图1d为采用HZR-50型号真空油淬（采用普通淬火油）+630℃时效处理+酸洗+喷砂后的显微组织。图1表明：真空气淬和KR328油淬处理的棒材均没有表面污染，普通淬火油油淬处理的棒材有0.04mm表面污染层，白亮污染层均匀一致，且与基体结合紧密、耐磨性较好。

（2）05Cr17Ni4Cu4Nb白亮层与心部硬度 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h时效处理后测定棒材白亮层与心部的显微维氏硬度，结果如表2、图2所示。

表2表明：白亮层与过渡层的硬度均比心部高，白亮层硬度高出心部60HV0.05，过渡层硬度高出心部25HV0.05。

（3）化学成分分析 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h时效处理后喷砂去除表面氧化皮，用铣床铣05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面污染层，铣入深度不大于0.1mm。收集白亮层表面与心部屑沫，按GB223分别对其进行化学成分分析，结果如表3所示。

表3表明：05Cr17Ni4Cu4Nb棒材心部组织的化学成分符合GB1220的要求，而表面白亮层的wC为0.37%，不符合GB1220的要求，其他合金元素含量均满足GB1220。

（4）能谱分析 05Cr17Ni4Cu4Nb棒材采用普通淬火油真空油淬后表面白亮层厚度仅为0.04mm，铣床铣白亮层做化学分析时，铣入的深度并不能保证小于0.04mm，必然带入非白亮层的正常组织，从而影响判断结果，故而借用能谱分析定量分析其元素具体含量，结果得知：05Cr17Ni4Cu4Nb白亮层wC为0.91%，不符合GB1220，合金元素含量均符合GB1220，非白亮层正常组织化学元素均符合GB1220。

表3 棒材表面组织与心部组织的化学成分（质量分数） （%）

3. 讨论与分析

本文通过对05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分别采用普通淬火油、KR328、气淬火，白亮层仅出现在普通淬火油油淬过程中。对白亮层做化学成分分析，得出白亮层的碳含量比心部高，表明白亮层是由于油淬时瞬时渗碳导致的，且白亮层的wC为0.91%。

05Cr17Ni4Cu4Nb棒材在真空高温加热时，经真空净化作用，使其表面处于活化状态，当其棒材在1040℃时于油中淬火，温度降至900～1000℃的瞬间，炽热的棒材会使由C、H、O组成的有机化合物真空淬火油发生热裂解。普通淬火油在与活性的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面接触瞬间，将形成薄而致密的、包围着工件的油蒸气外套，其裂解的有机化合物（如CH4、CO）将分解并析出浓度高和传播特性快的活性碳原子，而05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含碳量很低，且含有大量的Cr、Nb均为碳化物形成元素，有利于增大钢表面的吸收碳原子能力，增大渗层中的碳含量。同时05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含有大量的Ni、Cu，能增加碳原子在基体中的扩散速度，故而棒材表面产生强烈的渗碳结果。但同时专业的真空专用淬火油（比如KR328）其本身具备极低的饱和蒸汽压这项性能，在真空度环境下，其产生的油蒸气极少，不利于形成油蒸气外套，从而在工件表面不能产生足够的活性碳原子，渗碳条件不满足。

金相检验时发现表面白亮层中的晶界不易腐蚀，用硝酸酒精、苦味酸、盐酸苦味醇酸和饱和苦味酸进行腐蚀均呈白色。经显微硬度测量，表面硬度和过渡层硬度比心部略高，而表面碳含量比心部高很多，表面碳含量高，Ms点低，残留奥氏体含量将增多，说明白亮层主要是由含碳量较高并具有回火稳定性的奥氏体及少量马氏体、碳化物及合金化合物等所组成。

图2 白亮层与心部组织显微维氏硬度

4. 结语

（1）05Cr17Ni4Cu4Nb棒材1040℃采用普通淬火油真空油淬时，因其无法满足真空专用淬火油（如KR328）极低的饱和蒸气压特性，淬火时在工件表面易形成油蒸气外套，因发生热裂解为活性碳原子，并随即被工件吸收而产生渗碳作用的结果，表面产生0.04mm白亮层组织，且白亮层组织均匀一致，与基体组织没有明显的过渡区。

（2）白亮层主要是由含碳量高并具有回火稳定性的奥氏体及少量马氏体、碳化物等所组成，硬度比心部高50HV0.05，白亮层wC为0.91%。

（3）因普通淬火油无法满足真空状态下油品的相关性能，为确保工件淬火质量，建议真空油淬选择专用的真空淬火油（如KR328）。

参考文献：

[1] 冯慎田，桂治斌，等.中国航空材料手册[M].北京：中国标准出版社，2001.

[2] 包耳，田绍洁.真空热处理[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2009.

[3] 胡光立，谢希文.钢的热处理[M].西安：西北工业大学出版社，2010.