美国牌号440C不锈钢环锻废品案例分析

2022-05-06 10:17:55 资讯

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作者：范黔伟、徐周进

单位：贵州航天科技有限公司

来源:金属加工(热加工)杂志

440C是美国品牌，类似于中国9Cr18Mo，它是一种碳含量（质量分数）约为1%的高碳高铬马氏体不锈钢。该钢适用于制造在腐蚀环境和无润滑强氧化气氛中工作的轴承和轴套、燃油附件中的活门衬套等耐磨耐腐蚀部件。由于其高碳高铬的特点，热处理后碳化物数量多，耐磨性好，耐腐蚀性好。它在大气、水、海水和一些酸盐水溶液中具有优异的耐腐蚀性。由于碳含量高，该钢在生产过程中容易脱碳、淬火和残留奥氏体。这是一种难以热处理的钢材。

440C高碳高铬马氏体不锈钢锻件是公司承担的轴承应力环锻件。两批锻件的物理化学样品在长期退火后淬火，在淬火冷却和深冷处理过程中开裂。为了找出断裂故障的原因，对淬火样品进行了分析和测试。

1.试验材料及工艺

经锻造成型的试验件，热处理工艺体系为退火、淬火、深冷处理、回火。

退火： 857℃±14℃保温6h后以20℃/h随炉冷至593℃冷却后，退火硬度为255HBW以下。

淬火：在800℃预热30min，升温至1000℃第二段预热30min，升温至1052℃±10℃保温50min油冷至室温。

深冷处理：-73℃±11℃冷处理后，空冷至室温。

回火处理：（232±8）℃×1.5h空冷。

2.测试结果及分析

(1)显微组织检查或宏观形态分析

如图1所示，淬裂样品的宏观和微观形状1a为宏观裂纹图片，图片1b图为样品表面脱碳层的深度1c微图为裂纹处脱碳层。

图 1

由图1a可见裂纹沿纵向延伸，主裂纹周围无分枝微裂纹，为一次性裂纹，裂纹起源位于样品表面。1b从微裂纹的金相图中可以看出，表面有深层脱碳层。1c可见裂纹两侧无脱碳层，说明裂纹是热处理冷却过程中形成的裂纹。

从图2可以看出，组织为隐针状马氏体残留的奥氏体粒状碳化物块状共晶碳化物。由于440C淬火后组织中有大量残留的奥氏体。如果这些残留的奥氏体在回火过程中没有完全改变，它们将在使用过程中缓慢分解并转化为马氏体，以扩大工件的尺寸。同时，这些马氏体沉淀的碳化物会收缩并反复改变工件的尺寸，这对精密设备和锻件来说是一个非常严重的问题。因此，淬火后必须进行冷处理，以充分转化残留的奥氏体。对于精度要求高的奥氏体，应在**次回火后进行深冷处理。由于深冷处理，残留的奥氏体进一步转化为马氏体，组织转化应力进一步增加形成的拉应力，因此样品在深冷处理后出现裂纹。这是造成的440C材料淬火开裂的另一个原因。

图2 隐针马氏体残留奥氏体粒状碳化物块状共晶碳化物

(2)化学成分分析

从淬裂样品中取样，用湿法测量分析化学成分，如表1所示。从表1可以看出，化学成分符合要求AMS5630L标准要求。

表1　440C不锈钢化学成分(质量分数) (%)

元素

检测结果

1.03

0.41

0.40

16.47

0.006

0.026

0.31

0.45

标准要求

0.95～1.20

≤1.0

16.0～18.0

≤0.03

≤0.04

≤0.75

0.4～0.65

(3)力学性能分析

维氏硬度检测结果如表2所示。ASTM E384-11根据五个值的平均值，ASTME140-12b从裂纹处的硬度检测结果可以看出，转换为洛氏硬度符合技术要求。

表2 硬度检测结果

项目

HV1000

HRC

裂纹处硬度

709

技术要求

—

≥55

3.讨论和分析结果

裂纹的原因是表面脱碳层在淬火和冷却过程中首先产生组织变化，因为表面脱碳层Ms点比未脱碳层Ms点高，因此马氏体组织在淬火过程中首先发生变化。淬火马氏体是一种硬而脆的脆性组织，随着碳含量的增加，相当于在表面形成一层硬壳。小心开始冷却到Ms当马氏体组织在点以下发生变化时，由组织变化引起的体积增加，使表面组织产生拉应力，更终导致表面宏观裂纹。表面脱碳是由于锻造后的冷空气和随后的退火。退火系统为：857℃保温6～6.5h后以20℃/h炉冷至593℃由于热处理时间长，出炉空冷24h锻件表面的脱碳层约为1~2mm。样品由锻件解剖取样，锻件脱碳层未去除或不完全去除，导致淬火、深冷处理过程中样品开裂。因此，锻件退火后增加粗加工去除脱碳层，去除脱碳层后锻件和样品经热处理淬火冷处理，无开裂现象。

由于该材料碳含量高，碳化物数量多，预热可以降低热应力，从而减少零件的变形和开裂趋势。对于航空等精度要求高、形状复杂的锻件，淬火后可先进行100℃左右去应力处理。

4.结论及建议

(1)锻件表面脱碳是锻件淬火或深冷处理时开裂的主要原因。

(2)建议在热处理前去除锻件的脱碳层，确保热处理过程中不会出现脱碳或增碳。精密零件可在保护气氛中真空或热处理。

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