1Cr17Ni2不锈钢轴扩口破裂原因分析
2018-09-19李玉生郭和平寇新平
李玉生,郭和平,王 莹,寇新平
(新乡航空工业(集团)有限公司,河南 新乡 453049)
0 引言
1Cr17Ni2钢是一种用途广泛的马氏体-铁素体不锈钢,它是在Cr17型不锈钢的基础上添加1.5%~2.5%Ni而发展起来的[1],其特点是在保留铁素体不锈钢耐蚀性的同时,又具有马氏体不锈钢的高强性。该钢具有较好的耐蚀性、热强性和冲击韧性,是制造应用于较高温度下轴、销、螺栓等部件的专用材料,在航空、船舶、机械等领域应用广泛。而1Cr17Ni2钢制零件出现失效案例常见文献[2-3]报道,采用1Cr17Ni2不锈钢制销轴在扩口时常出现批次性的纵向破裂现象。
采用φ16 mm、φ20 mm规格的1Cr17Ni2圆钢制作销轴,轴的一端需要扩口(一种为外圆φ5.3 mm、内圆φ3.1 mm,扩口至外圆大于φ5.8 mm;另一种为外圆φ6.3 mm、内圆φ4.5 mm,扩口至外圆大于φ6.8 mm)。加工工序为:机加成型→热处理→扩口。其中热处理工艺为:980 ℃保温50 min后油冷淬火,520 ℃回火保温100 min后油冷。
本研究通过对多批次1Cr17Ni2钢的化学成分、力学性能、金相组织进行对比分析,主要探讨影响销轴扩口批次性破裂的主要影响因素,从而为解决此类质量问题提供借鉴。
1 试验过程与结果
1.1 材料分析
对入厂复验合格的4个批次1Cr17Ni2钢棒的化学成分进行复验。材料中合金元素含量均符合标准要求。
4个批次的1Cr17Ni2钢棒力学性能及低倍组织入厂时均符合标准要求,Rm为1 246~1 440 MPa,力学性能按GJB 2294—1995推荐的工艺[4]进行热处理(980 ℃保温60 min后油冷淬火,300 ℃回火保温120 min后空冷)。
1.2 扩口试验
对4个批次的1Cr17Ni2钢棒进行扩口试验,试验结果见表1,其中H14-106、H17-23批次出现批次性破裂,H12-108、H14-109批次通过扩口试验。
表1 扩口试验结果Table 1 Results of expanding test
1.3 金相组织观察
对4个批次的原材料及其热处理后的金相组织进行观察,结果见图1、表2。图1中黑色组织为气孔或疏松及其变形组织。图1a组织为回火索氏体+δ-铁素体,可见较多的黑色组织,并且黑色组织呈条带状,δ-铁素体量呈聚集的条带状;图1b中有极少量的黑色组织,黑色组织呈圆形、椭圆形,未形成黑色条带且δ-铁素体量较少,只有一条孤立的宽度为5~6 μm的δ-铁素体带;图1c中有极少量的呈圆形、椭圆形的黑色组织,未形成黑色条带,有多条宽度1~2 μm的δ-铁素体带,δ-铁素体呈链状,组织为粒状珠光体+δ-铁素体的退火态组织;图1d中有极少量的黑色组织,呈圆形、椭圆形,未形成黑色条带,δ-铁素体含量较高,有多条宽度10~20 μm粗大的δ-铁素体带,组织为回火索氏体+δ-铁素体的淬回态组织。
表2 金相检测结果Table 2 Results of metallographic examination
注:%-面积百分比
图1 各批次1Cr17Ni2钢金相组织Fig.1 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steel
2 试验验证
1)SAE51431材料扩口试验。采用进口材料SAE51431(等效于国产1Cr17Ni2不锈钢)2批进行扩口试验,未出现纵向破裂现象。金相组织如图2所示,为回火索氏体,δ-铁素体量极少,气孔含量较少,组织均匀。说明控制钢材冶金质量和-铁素体含量,能有效防止扩口试验出现纵向破裂现象。
图2 SAE51431钢棒金相组织Fig.2 Metallographic structure of SAE51431 stainless steel
2)气孔含量高的材料扩口试验。采用感应电炉冶炼1Cr17Ni2不锈钢,浇注成φ80 mm的钢锭,锻打轧制成φ27 mm的钢棒,经热处理后进行扩口试验,结果出现不同程度的纵向破裂。金相组织为回火索氏体,δ-铁素体量极少,组织较均匀,气孔含量高(图3)。
图3 气孔含量高的1Cr17Ni2钢金相组织Fig.3 Metallographic structure of 1Cr17Ni2 stainless steelwith high content of blowholes
3)热处理次数对δ-铁素体量的影响。对H17-23批次的1Cr17Ni不锈钢进行热处理(980 ℃保温50 min后油冷淬火),原材料铁素体含量约12%,3次热处理后,铁素体含量约30%,说明δ-铁素体量会随着热处理次数增加而长大(图4)。
图4 H17-23批次 的1Cr17Ni2钢热处理后的金相组织Fig.4 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steelwith H17-23 batch number after heat-treated
3 分析与讨论
1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口时出现纵向破裂的影响因素较多,与原材料质量、热处理工艺、扩口工艺、操作者操作水平等均有关,但出现批次性纵向破裂应与原材料质量和热处理工艺有关。试验的4个批次原材料入厂复验均合格,但有2个批次扩口时出现了批次性纵向破裂。金相组织检查表明:出现批次性纵向破裂的H14-106批次材料黑色组织和δ-铁素体含量均较高; H17-23批次材料δ-铁素体含量高;没有出现纵向破裂的2个批次的金相组织中黑色组织少,δ-铁素体含量低,且细小、均匀。对进口SAE51431的2批次材料进行扩口试验,未出现纵向破裂现象,金相组织检查表明其黑色组织少,δ-铁素体含量很低,说明扩口时出现批次性纵向破裂与材料本身质量有极大关系。
钢材的冶炼方法和铸造工艺均会影响钢材冶金质量。钢材轧制时,钢材内部的气孔或疏松会沿轧制方向变形而形成条带,在金相检查试样腐蚀后呈现黑色组织,这些黑色组织割裂了基体金属的连续性,在扩口变形时容易沿黑色组织开裂造成纵向破裂。因此,采用双联冶炼,在炼钢和浇注过程中采取各种工艺措施,尽可能降低钢中气体含量来保证冶金质量,是防止1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口时出现批次性纵向破裂的有效措施之一。
1Cr17Ni2马氏体不锈钢淬火+高温回火后的金相组织主要为回火索氏体+δ-铁素体,1Cr17Ni2钢中δ-铁素体为富含Cr的脆性相,它的存在一方面造成组织成分的不均匀,另一方面破坏了基体金属的连续性,从而使钢的韧性降低[5-7],在扩口时,随着材料变形增大,容易沿两相交界形成裂纹产生纵向破裂;因此,冶炼时控制Cr、Ni、C含量来控制1Cr17Ni2钢中δ-铁素体含量。降低δ-铁素体含量,以及加大钢材的锻压比(轧制比),使钢棒中δ-铁素体细小、均匀,均能有效地增加钢材的韧塑性,来保证在扩口时不发生批次性纵向破裂。
零件热处理后的δ-铁素体含量与钢材供应状态δ-铁素体含量有关,也与热处理工艺有关。根据GJB 2294—1995《航空用不锈钢及耐热钢棒规范》要求,1Cr17Ni2钢入厂检验项目为化学成分、力学性能、低倍组织,并不检验钢中δ-铁素体含量。而零件在扩口时,钢材的冶金质量和δ-铁素体含量、形态对扩口性能影响更甚。AMS 5628F《Steel, Corrosion-Resistant, Bars, Wire, Forgings, and Tubing 16Cr-2.5Ni (SAE 51431)》对δ-铁素体含量和分布有明确规定(δ-铁素体≤4%,δ-铁素体形态≤2级)。因此,对钢材韧塑性要求高的1Cr17Ni2钢材,应参考AMS 5628F对δ-铁素体含量的要求进行控制。
热处理工艺对1Cr17Ni2钢组织及性能的影响已有大量文献报道[8-11],而关于影响1Cr17Ni2钢中δ-铁素体含量因素的文章也有文献报道[12]。本研究试验表明:标准推荐的热处理制度并不能有效降低钢中粗大条状δ-铁素体含量,而且多次淬火可能会增加δ-铁素体含量;因此,对需要韧塑性高的1Cr17Ni2钢不得进行多次淬火。
4 结论与建议
1)1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口出现批次性纵向破裂与钢的冶金质量有极大关系。
2)1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口出现批次性纵向破裂与钢中δ-铁素体含量及形态有极大关系。
3)多次淬火可使1Cr17Ni2不锈钢中δ-铁素体含量增加。
4)采用双联冶炼来保证1Cr17Ni2钢材冶金质量,以及通过冶炼时控制Cr、Ni、C含量,来控制钢中δ-铁素体含量,加大钢材的锻压比,使钢棒中δ-铁素体细小、均匀,可有效防止1Cr17Ni2 不锈钢轴在扩口时出现批次性破裂现象。