1Cr17Ni2不銹鋼軸擴口破裂原因分析

李玉生，郭和平，王 瑩，寇新平

(新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049)

0 引言

1Cr17Ni2鋼是一種用途廣泛的馬氏體-鐵素體不銹鋼，它是在Cr17型不銹鋼的基礎上添加1.5%～2.5%Ni而發(fā)展起來的[1]，其特點是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時，又具有馬氏體不銹鋼的高強性。該鋼具有較好的耐蝕性、熱強性和沖擊韌性，是制造應用于較高溫度下軸、銷、螺栓等部件的專用材料，在航空、船舶、機械等領域應用廣泛。而1Cr17Ni2鋼制零件出現(xiàn)失效案例常見文獻[2-3]報道，采用1Cr17Ni2不銹鋼制銷軸在擴口時常出現(xiàn)批次性的縱向破裂現(xiàn)象。

采用φ16 mm、φ20 mm規(guī)格的1Cr17Ni2圓鋼制作銷軸，軸的一端需要擴口(一種為外圓φ5.3 mm、內(nèi)圓φ3.1 mm，擴口至外圓大于φ5.8 mm；另一種為外圓φ6.3 mm、內(nèi)圓φ4.5 mm，擴口至外圓大于φ6.8 mm)。加工工序為：機加成型→熱處理→擴口。其中熱處理工藝為：980 ℃保溫50 min后油冷淬火，520 ℃回火保溫100 min后油冷。

本研究通過對多批次1Cr17Ni2鋼的化學成分、力學性能、金相組織進行對比分析，主要探討影響銷軸擴口批次性破裂的主要影響因素，從而為解決此類質(zhì)量問題提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 材料分析

對入廠復驗合格的4個批次1Cr17Ni2鋼棒的化學成分進行復驗。材料中合金元素含量均符合標準要求。

4個批次的1Cr17Ni2鋼棒力學性能及低倍組織入廠時均符合標準要求，Rm為1 246～1 440 MPa，力學性能按GJB 2294—1995推薦的工藝[4]進行熱處理(980 ℃保溫60 min后油冷淬火，300 ℃回火保溫120 min后空冷)。

1.2 擴口試驗

對4個批次的1Cr17Ni2鋼棒進行擴口試驗，試驗結(jié)果見表1，其中H14-106、H17-23批次出現(xiàn)批次性破裂，H12-108、H14-109批次通過擴口試驗。

表1 擴口試驗結(jié)果Table 1 Results of expanding test

1.3 金相組織觀察

對4個批次的原材料及其熱處理后的金相組織進行觀察，結(jié)果見圖1、表2。圖1中黑色組織為氣孔或疏松及其變形組織。圖1a組織為回火索氏體+δ-鐵素體，可見較多的黑色組織，并且黑色組織呈條帶狀，δ-鐵素體量呈聚集的條帶狀；圖1b中有極少量的黑色組織，黑色組織呈圓形、橢圓形，未形成黑色條帶且δ-鐵素體量較少，只有一條孤立的寬度為5～6 μm的δ-鐵素體帶；圖1c中有極少量的呈圓形、橢圓形的黑色組織，未形成黑色條帶，有多條寬度1～2 μm的δ-鐵素體帶，δ-鐵素體呈鏈狀，組織為粒狀珠光體+δ-鐵素體的退火態(tài)組織；圖1d中有極少量的黑色組織，呈圓形、橢圓形，未形成黑色條帶，δ-鐵素體含量較高，有多條寬度10～20 μm粗大的δ-鐵素體帶，組織為回火索氏體+δ-鐵素體的淬回態(tài)組織。

表2 金相檢測結(jié)果Table 2 Results of metallographic examination

注：%-面積百分比

圖1 各批次1Cr17Ni2鋼金相組織Fig.1 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steel

2 試驗驗證

1)SAE51431材料擴口試驗。采用進口材料SAE51431(等效于國產(chǎn)1Cr17Ni2不銹鋼)2批進行擴口試驗，未出現(xiàn)縱向破裂現(xiàn)象。金相組織如圖2所示，為回火索氏體，δ-鐵素體量極少，氣孔含量較少，組織均勻。說明控制鋼材冶金質(zhì)量和-鐵素體含量，能有效防止擴口試驗出現(xiàn)縱向破裂現(xiàn)象。

圖2 SAE51431鋼棒金相組織Fig.2 Metallographic structure of SAE51431 stainless steel

2)氣孔含量高的材料擴口試驗。采用感應電爐冶煉1Cr17Ni2不銹鋼，澆注成φ80 mm的鋼錠，鍛打軋制成φ27 mm的鋼棒，經(jīng)熱處理后進行擴口試驗，結(jié)果出現(xiàn)不同程度的縱向破裂。金相組織為回火索氏體，δ-鐵素體量極少，組織較均勻，氣孔含量高(圖3)。

圖3 氣孔含量高的1Cr17Ni2鋼金相組織Fig.3 Metallographic structure of 1Cr17Ni2 stainless steelwith high content of blowholes

3)熱處理次數(shù)對δ-鐵素體量的影響。對H17-23批次的1Cr17Ni不銹鋼進行熱處理(980 ℃保溫50 min后油冷淬火)，原材料鐵素體含量約12%，3次熱處理后，鐵素體含量約30%，說明δ-鐵素體量會隨著熱處理次數(shù)增加而長大(圖4)。

圖4 H17-23批次 的1Cr17Ni2鋼熱處理后的金相組織Fig.4 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steelwith H17-23 batch number after heat-treated

3 分析與討論

1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼擴口時出現(xiàn)縱向破裂的影響因素較多，與原材料質(zhì)量、熱處理工藝、擴口工藝、操作者操作水平等均有關，但出現(xiàn)批次性縱向破裂應與原材料質(zhì)量和熱處理工藝有關。試驗的4個批次原材料入廠復驗均合格，但有2個批次擴口時出現(xiàn)了批次性縱向破裂。金相組織檢查表明：出現(xiàn)批次性縱向破裂的H14-106批次材料黑色組織和δ-鐵素體含量均較高； H17-23批次材料δ-鐵素體含量高；沒有出現(xiàn)縱向破裂的2個批次的金相組織中黑色組織少，δ-鐵素體含量低，且細小、均勻。對進口SAE51431的2批次材料進行擴口試驗，未出現(xiàn)縱向破裂現(xiàn)象，金相組織檢查表明其黑色組織少，δ-鐵素體含量很低，說明擴口時出現(xiàn)批次性縱向破裂與材料本身質(zhì)量有極大關系。

鋼材的冶煉方法和鑄造工藝均會影響鋼材冶金質(zhì)量。鋼材軋制時，鋼材內(nèi)部的氣孔或疏松會沿軋制方向變形而形成條帶，在金相檢查試樣腐蝕后呈現(xiàn)黑色組織，這些黑色組織割裂了基體金屬的連續(xù)性，在擴口變形時容易沿黑色組織開裂造成縱向破裂。因此，采用雙聯(lián)冶煉，在煉鋼和澆注過程中采取各種工藝措施，盡可能降低鋼中氣體含量來保證冶金質(zhì)量，是防止1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼擴口時出現(xiàn)批次性縱向破裂的有效措施之一。

1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼淬火+高溫回火后的金相組織主要為回火索氏體+δ-鐵素體，1Cr17Ni2鋼中δ-鐵素體為富含Cr的脆性相，它的存在一方面造成組織成分的不均勻，另一方面破壞了基體金屬的連續(xù)性，從而使鋼的韌性降低[5-7]，在擴口時，隨著材料變形增大，容易沿兩相交界形成裂紋產(chǎn)生縱向破裂；因此，冶煉時控制Cr、Ni、C含量來控制1Cr17Ni2鋼中δ-鐵素體含量。降低δ-鐵素體含量，以及加大鋼材的鍛壓比(軋制比)，使鋼棒中δ-鐵素體細小、均勻，均能有效地增加鋼材的韌塑性，來保證在擴口時不發(fā)生批次性縱向破裂。

零件熱處理后的δ-鐵素體含量與鋼材供應狀態(tài)δ-鐵素體含量有關，也與熱處理工藝有關。根據(jù)GJB 2294—1995《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》要求，1Cr17Ni2鋼入廠檢驗項目為化學成分、力學性能、低倍組織，并不檢驗鋼中δ-鐵素體含量。而零件在擴口時，鋼材的冶金質(zhì)量和δ-鐵素體含量、形態(tài)對擴口性能影響更甚。AMS 5628F《Steel, Corrosion-Resistant, Bars, Wire, Forgings, and Tubing 16Cr-2.5Ni (SAE 51431)》對δ-鐵素體含量和分布有明確規(guī)定(δ-鐵素體≤4%，δ-鐵素體形態(tài)≤2級)。因此，對鋼材韌塑性要求高的1Cr17Ni2鋼材，應參考AMS 5628F對δ-鐵素體含量的要求進行控制。

熱處理工藝對1Cr17Ni2鋼組織及性能的影響已有大量文獻報道[8-11]，而關于影響1Cr17Ni2鋼中δ-鐵素體含量因素的文章也有文獻報道[12]。本研究試驗表明：標準推薦的熱處理制度并不能有效降低鋼中粗大條狀δ-鐵素體含量，而且多次淬火可能會增加δ-鐵素體含量；因此，對需要韌塑性高的1Cr17Ni2鋼不得進行多次淬火。

4 結(jié)論與建議

1)1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼擴口出現(xiàn)批次性縱向破裂與鋼的冶金質(zhì)量有極大關系。

2)1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼擴口出現(xiàn)批次性縱向破裂與鋼中δ-鐵素體含量及形態(tài)有極大關系。

3)多次淬火可使1Cr17Ni2不銹鋼中δ-鐵素體含量增加。

4)采用雙聯(lián)冶煉來保證1Cr17Ni2鋼材冶金質(zhì)量，以及通過冶煉時控制Cr、Ni、C含量，來控制鋼中δ-鐵素體含量，加大鋼材的鍛壓比，使鋼棒中δ-鐵素體細小、均勻，可有效防止1Cr17Ni2 不銹鋼軸在擴口時出現(xiàn)批次性破裂現(xiàn)象。