超高强度300M 钢热加工过程中高温腐蚀行为的分析与总结

文／孟斌，徐常顺·国机重型装备集团股份有限公司

钢铁是人类使用最早、用量最大的结构材料之一，在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域已广泛应用。为了克服早期钢铁结构材料强度不足、耐腐蚀性差以及易疲劳断裂等缺点，从二十世纪中期开始，在普通合金结构钢的基础上通过合金元素优化设计、采用先进冶炼工艺以及改善热处理制度等措施发展了一系列超高强度钢，以期满足航空航天工业快速发展的需要。超高强度钢是室温抗拉强度Rm≥1400MPa 或屈服强度Rp0.2≥1350MPa 的结构钢材，在航空领域多用于制造飞机起落架主承力构件等，是航空制造业必不可少的材料之一。

飞机起落架作为飞机重要安全功能部件，是用于飞机起飞、着陆、地面滑行和停放的重要支持系统，是飞机的主要承力构件。飞机起落架的技术水平和可靠度对于飞机整体性能和使用安全具有重要影响。根据超高强度钢中合金元素的总含量可将其分为三类，即低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。现今90%以上的世界飞机起落架都是超高强度钢制造的，而低合金超高强度钢300M 是当前应用最广泛、最成功的起落架用钢。

300M 钢最初是美国国际镍公司1952 年研制开 发 的，300— 强 度 为300ksi(2000MPa 级)、M—modified；1964 年开始用于美国C-5A 银河运输机，60 年代开始推广应用于各类战斗机、民航客机。世界上目前在役的90%以上的飞机起落架均采用300M钢制造，如波音全系列(B737、B747、B787 等)以及空客全系列(A330、A340、A380)等。

超高强度300M 钢热加工过程中高温腐蚀行为的认识

表1 为超高强度钢300M 的化学成分，可以看出，300M 钢碳含量达到了0.38 ～0.43%，属于中碳钢，退火组织为珠光体和铁素体。碳元素在钢材中主要起两个作用：一是通过形成固溶体结构(如奥氏体、铁素体等)提高钢材强度；二是形成碳化物组织(如渗碳体Fe3C)提高硬度和耐磨性。随着钢中碳含量增加，组织中珠光体数量增加，而铁素体数量减少。当碳含量大于0.40%时，淬火组织除了马氏体外还有少量残留奥氏体，残留奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加，因此，300M 钢经淬火、回火后具有良好的综合力学性能，如表2 所示。

表1 超高强度钢300M 的化学成分(质量分数，%)

表2 超高强度钢300M 的主要力学性能

超高强度300M 钢在高温、长时间、多火次的加热过程中，不可避免地会发生高温腐蚀，如图1 所示，例如氧化、脱碳等。通常情况下，超大规格300M 钢锻件的加热温度在1100 ～1200℃，每火次的加热时间为6 ～8h，累计加热次数为3 ～8 次。

图1 超高强度钢300M 高温腐蚀

超高强度300M 钢锻件在实际生产过程中，各大锻造企业考虑到生产经济性和生产效率等因素，往往会采用天然气加热炉进行加热，而天然气炉气氛环境复杂，坯料在加热过程中会与炉内气氛发生选择性反应，如图2 所示。实际上，300M 钢表面的氧化、脱碳行为也极难控制，最终成形后的锻件即便经过喷砂、抛丸和表面机加工，表面的硬度也由于脱碳或半脱碳的原因而不达标，而300M 钢部件大都处在高温、高压、高速，需要承受很大应力和在腐蚀性介质侵蚀的恶劣条件下工作，零件加工表面状态会严重影响其使用性能。

图2 天然气炉炉内气氛分类情况

氧化行为的认识

300M 钢的氧化是一个扩散过程，铁以离子状态由内层向外层表面扩散，氧化性气体的原子吸附在表层后向内扩散，随着加热时间的延长，会逐渐形成一层高温腐蚀产物——氧化皮。

⑴氧化皮的成分和结构较为复杂，当加热温度在570℃以下，氧化膜包括三氧化二铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)；当加热温度在570℃以上时，氧化膜由内向外依次是氧化亚铁(FeO)、三氧化二铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)；

⑵从体积分数测算，FeO 约占40%、Fe3O4约占50%；Fe2O3层最薄，约占10%。FeO 结构疏松，保护作用较弱；而Fe3O4、Fe2O3结构致密，有较好的保护性。

⑶在继续长时间加热的过程中或者在后续出炉冷却过程中，由于最外层Fe2O3比同质量金属的体积大2 倍多，因此在氧化物层内产生很大的应力，引起氧化铁皮周期性的破裂，以致脱落，给进一步氧化造成有利条件。

⑷300M 钢的高温氧化不仅会造成严重的金属损耗(钢材每加热一次约有1.5%～3%的金属损耗)，而且生成的氧化皮压入锻件将严重影响锻件表面质量和尺寸精度。

脱碳行为的认识

300M 钢的脱碳是生产过程中十分常见的一种表面缺陷(表层元素贫化，钢材中碳成分减少的现象)，一般在钢材加热至某个温度后钢中的碳元素与周围气氛中的氧和氢发生反应时会发生脱碳行为，形成脱碳层，使得钢材表面的力学性能和内部的力学性能存在一定的差异。

脱碳行为发生后，脱碳层的硬度和屈服强度会随着碳含量的减少而明显降低，最终发生脱碳层软化现象，即使经过淬火，钢材硬度依然不高，因此很容易在后续机加工过程中经过交变应力的影响从而产生裂纹和过早疲劳失效。此外，脱碳层的存在导致表面碳含量呈梯度变化，淬火时在不同位置会有不同的膨胀系数和组织体积变化，因此容易出现应力集中现象，产生局域微裂纹，最终形成应力集中区为后续能够引起钢材断裂的宏观裂纹的产生埋下伏笔。

查阅相关文献资料可知，⑴脱碳的速度取决于化学反应的速度，也取决于双向扩散过程的条件。脱碳气体扩散到金属表面，并且气态反应产物向金属表面移动。另外，由于浓度差异，来自内层的碳移动到表面脱碳的金属层。⑵脱碳速度随温度升高而增加。因此，脱碳层的厚度也会随着加热温度的升高而增加。⑶温度一定的情况下，加热时间越长，脱碳层越厚，且脱碳厚度随加热时间的平方根变化呈线性变化关系。

氧化和脱碳行为内在联系

查阅相关文献资料可知，⑴起始氧化温度为500℃，表面仅能生成很薄的一层氧化膜；当温度升至600～700℃，便开始有显著氧化，并生成氧化铁皮；从800 ～900℃开始，钢的氧化速度急剧升高。⑵起始脱碳温度650 ～700℃，温度超过700℃脱碳行为会加剧。⑶在高温区域(高于800 ～900℃)，钢的氧化和脱碳过程是并行且相互联系的。实际生产中，脱碳和氧化同时进行。⑷当钢加热到1000℃以上时，由于强烈的氧化，脱碳作用较弱。在更高温度下，氧化皮剥落丧失保护作用，脱碳将剧烈发生。

区别主要在于，如果氧化反应的速度更快，300M 钢表面会形成氧化铁或氧化亚铁；反之，当脱碳反应速度大于氧化反应时，脱碳行为便会发生(如渗碳体和氧反应生成铁素体和一氧化碳)。

减缓300M 钢高温腐蚀行为的相关建议

关于300M 钢高温腐蚀(脱碳和氧化)，这是一个热力学与动力学交错的科学问题，这也是300M 钢本身材料属性的问题。因此，我们能做的就是尽可能改善，建议可以从加热温度、保温时间、保护介质三个角度去深入思考和挖掘，如图3 所示。

图3 300M 钢高温腐蚀行为控制原理

加热温度与保温时间

加热温度与保温时间对氧化及脱碳的影响基本一致，它们都是通过影响元素扩散速率来影响脱碳及氧化的程度。300M 钢加热温度越高，原子热运动就越剧烈，原子扩散速率就越大，这样氧化及脱碳的趋势就越大。同样，加热时间越长，原子扩散的就越充分，这样就会加速氧化和脱碳的进行。所以，要降低钢的氧化和脱碳，就要尽可能在不影响产品质量的前提下，适当降低300M 钢的加热温度，缩短保温时间。

保护介质

从300M 钢的氧化与脱碳过程来看，300M 钢与氧元素的接触是反应开始进行的主要原因，所以减少铁/氧的接触、控制元素扩散的速度对于减少钢铁高温氧化与脱碳起着重要的作用。目前减少钢铁氧化与脱碳的方法主要有真空法、保护气氛法和涂料防护法三种。

⑴真空法是指在生产300M 钢锻件的过程中，将其置于真空状态下，避免300M 钢与氧化性气体接触的方法。虽然这种方法防护效果非常好，氧化烧损量与脱碳层深度微乎其微，但是设备昂贵、操作复杂、影响生产流程，增加生产成本。所以目前在钢铁材料的生产和使用中，真空法的应用范围并不广泛，更多的是应用于科学研究、实验等方面。

⑵保护气氛法的原理是通过充入保护气体隔绝钢铁与氧元素的接触，从而达到减少氧化与脱碳的目的。保护气氛法在实际应用中并不仅仅单纯使用一种保护气体，更多的是使用多种混合气体。这种方法保护效果良好，但存在成本高、保护气体的制备和储运技术难攻克、设备复杂等缺点，所以目前仍不适用于大规模的工业生产中。在解决了这一系列及使用过程中的安全与环保等问题的基础上，保护气氛法仍有一定的应用前景。

⑶从目前的技术和设备等方面考虑，要使钢材在生产过程中完全处于无氧状态是不可能的。在防止和延缓钢铁高温氧化和脱碳的诸多措施中，最有效且经济的莫过于在加热过程中采用涂料保护。

300M 钢锻前在其表面喷涂保护涂层，涂层在随锻件入炉加热后，会迅速烧结致密，并与基体紧密结合，隔绝氧气，同时防止合金钢内部的碳元素溢出，达到在高温下的防氧化、防脱碳的效果。当然，目前防护涂料种类繁多，但是距离在企业中大规模应用还尚需一些研究和探索。涂料防护法实际应用的核心思路就是“用好涂料”，主要体现在两个方面：一方面是“用好”涂料，这主要与产品结构、实际工况、生产模式等因素密切相关；另一方面就是用“好涂料”。“好涂料”的典型特点包括①优异的防护性能，防止或减缓锻件在高温下氧化、脱碳；②能够适应具体工况(加热温度、保温时间、加热火次、入炉方式、冷却方式等)；③具有润滑、保温、可控剥落性等辅助效果，对于多火次，可使用钢材出炉冷却时不剥落的涂层，这样可以在下火次加热时继续起到防护作用，对于单火次，可使用钢材出炉冷却时自行剥落的涂层，这样可以免去清除涂层的工序，提高生产效率和节约生产成本；④涂层高温时硬度低，可随锻件变形而延展，有利于锻造成形并且不会在锻件表面形成划伤或压坑等缺陷；⑤绿色环保，对车间环境和人体健康不造成伤害。

300M 钢的高温腐蚀试验验证

某300M钢锻件是采用天然气加热炉进行热处理，天然气炉气氛环境复杂，300M 钢锻坯表面的氧化、脱碳行为也极难控制，如图4A(300M 锻坯氧化情况，无调控)和4B 所示。针对该类问题，合理设计工艺试验，在同工况生产条件下进行试验验证。验证后发现：通过用“好涂料”、“用好”涂料、优化生产制造工艺等其他特殊调控手段可以实现少无氧化控制，如图4C(C-300M 试样氧化情况，有调控)和图4D所示。

图4 300M 钢高温腐蚀调控验证

结论

⑴超高强度钢300M 是当前应用最广泛、最成功的起落架用钢。

⑵超高强度300M 钢在高温、长时间、多火次的加热过程中，不可避免地会发生高温腐蚀行为(氧化和脱碳)，且氧化和脱碳行为是并行且相互联系的。

⑶超高强度300M 钢通过用“好涂料”、“用好”涂料等优化生产制造工艺等其他特殊调控手段，可以实现少无氧化控制。