440C不锈钢材料热处理工艺研究

辛宇鹏，郭 辉，杨晓娟，沈 勇

(1.海装驻汉中地区军事代表室，陕西 汉中 723000；2.中航飞机股份有限公司 长沙起落架分公司，陕西 汉中 723000)

集成阀为起落架电液一体化控制单元，其多项核心零件材料为440C不锈钢。440C(高强度刃具钢)钢材是一种马氏体型不锈钢，碳含量为1.0%，铬含量为16%～18%，抗锈能力强，具有耐腐耐高温特性，经热处理后可以获得较高屈服强度，硬度可达到58 HRC，在国内不锈钢牌号中属最硬的不锈钢之一。该钢碳含量高，热处理参数不合适会造成脱碳、淬裂和残留奥氏体等问题，且热处理工艺较常规不锈钢较为复杂。该材料在中航飞机股份有限公司长沙起落架分公司首次应用且企业无440C热处理工艺标准[1-6]。

1 热处理研究目的

为确定440C热处理参数，根据已知参考资料，需在淬火温度(1 000～1 080 ℃)、回火温度(100～350 ℃)范围内开展工艺试验[7-8]。选取合理淬火温度和回火温度，摸索不同热处理设备淬火后脱碳层的深度；根据企业现有情况，考虑生产效率、成本等因素下合理的淬火设备；为稳定工件热处理变形，淬火后应及时进行冷处理且至少进行2次回火。摸索回火、冷处理相关参数；440C钢淬透性好且碳含量高，冷却速度过快易产生开裂，冷却速度过慢则残余奥氏体含量增多[9-11]。通过试验分析，选择合适的淬火介质。

440C热处理技术指标及要求：1)表面污染测试；2)表面无全脱碳，不完全脱碳≤0.075 mm，晶间氧化0.012 mm；3)硬度≥58 HRC。

按照热表处理随炉(槽)或周期性检查试件的要求及4项产品的形状结构及厚度，确定硬度试件(见图1)和金相试件(见图2)的尺寸参数。

2 热处理工艺应用研究

为确定440C不锈钢热处理相关参数指标，需确定其淬火设备，优选淬火温度和回火温度。

2.1 工艺设备选择方案

440C不锈钢材料热处理后硬度高，机械加工困难，因此应尽量减少热后零件加工余量。考虑到该材料淬火温度高，热处理过程存在表面污染，如脱碳、晶间氧化等现象，其中脱碳层深度不但直接影响硬度和耐磨性，而且还会造成零件表面硬度不均匀，为此应对空气热处理和真空热处理进行工艺对比分析试验，具体要求如下。

1)淬火设备工艺试验：选取空气炉(试样采用涂料保护)、真空炉两类设备进行淬火。温度为1 052 ℃，空气炉保温时间为60 min；真空炉按75 min进行油淬。

2)试验测试要求：完全脱碳按GB/T 224金相法，增氮增碳和不完全脱碳按HB 6735的显微硬度法。晶间氧化可在脱碳试样重新抛光后，在无腐蚀条件下不小于250倍显微镜下进行测试。试件表面应无增氮增碳和无完全脱碳，晶间氧化深度应≤0.012 mm，记录设备不完全脱碳层深度。

3)试验结果及分析：440C不锈钢试件表面污染测试结果见表1。测试结果表明：空气炉刷涂料和真空炉淬火均可满足工艺要求，能用于零件生产交付(空气炉需刷保护涂料)。

表1 表面污染测试

2.2 淬火工艺参数确定方案

脱碳层深度直接影响零件硬度和耐磨性，同时会造成零件表面硬度不均匀，需针对不同规格的材料确定淬火后脱碳层深度，并兼顾选择生产效率、成本等因素下合理的淬火设备。

1)淬火温度选择：分别在1 000、1 025、1 052和1 075 ℃等4个不同淬火温度下进行试件油淬，过程按照起落架工艺标准22008进行控制。

2)试验测试要求：按照GB 230.1C测试硬度，记录实测值。对比试件在不同淬火温度下残余奥氏体含量及硬度值的变化。

3)试验结果及分析：440C不锈钢试件在不同淬火温度下的硬度及残余奥氏体测试结果见表2。

表2 不同淬火温度试验结果

结果分析如下。

1)在空气炉不刷保护涂料时，试件表面存在严重脱碳现象，硬度明显低于有涂料保护的硬度值(无涂料时为45 HRC，有涂料时≥58 HRC)。

2)在空气炉中，对试件分别按1 000、1 025、1 052、1 075 ℃温度进行淬火，试件硬度相差不大，且≥58 HRC，从残余奥体含量来看，1 052 ℃的淬火温度残奥量最少。

3)经真空炉验证：1 052 ℃淬火温度下，试件硬度和残奥均满足要求。

对于不锈钢而言，淬火温度较低，溶入奥氏体基体的碳化物较少，易造成组织不均匀；淬火温度较高时，碳化物溶解充分，淬火后残奥过多，可导致硬度降低，并造成晶粒粗大。综上分析，淬火温度宜选择1 052 ℃。

2.3 回火工艺参数确定方案

准备规格为G28×6×15的440C不锈钢硬度试件18件，依据上述试验结果优选淬火温度，冷处理-68 ℃，保温2 h。

1)回火温度试验：冷处理结束后分别在163、200、250、300 ℃下进行回火。

2)测试性能指标：按照GB 230.1测试硬度。

3)结果及分析：440C不锈钢试件在不同回火温度下的试验结果见表3。

表3 不同回火温度试验结果

(续表)

结果分析如下。

1)在空气炉不同回火温度下进行5次试验，163 ℃时材料硬度为59 HRC，随温度上升至200 ℃时，硬度值减少到55～57 HRC。这表明在一定温度下，随着回火温度的升高，材料硬度降低。

2)真空炉163 ℃回火，能更好保持材料硬度，满足设计要求。

2.4 二次回火、冷处理工艺试验方案

为消除应力，减少变形，稳定工件尺寸，依据440C不锈钢材料特性开展空气炉和真空炉的二次回火、冷处理工艺试验。试验结果见表4。

表4 二次回火、冷处理后硬度测试

结果分析如下：经二次回火冷处理后，硬度无明显变化，均满足设计要求。

3 热处理工艺参数验证

根据上述试验，编制零件热处理工艺规程，并对集成阀中440C核心零件按优选热处理参数进行热处理，零件硬度检查满足设计要求。热处理结果见表5。

表5 热处理结果

4 结语

本文对集成阀多项核心零件材料440C不锈钢开展了热处理工艺研究，试验结果表明：440C不锈钢在空气炉刷涂料和真空炉淬火，其表面污染测试均可满足相关规范要求；通过试验确定了空气炉最优的淬火温度为1 052 ℃，空气炉、真空炉回火温度为163 ℃及二次回火冷处理后对硬度影响不明显等热处理工艺参数。440C不锈钢热处理工艺研究的开展，不但确保了新研产品的按期交付，也填补了本公司在440C不锈钢热处理方面的空白。