05Cr17Ni4Cu4Nb固溶時效后表面污染分析

■ 袁 峰，黃小明

05Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，含有時效強化元素Cu、Nb，主要的強化相為富銅相，以及少量的B2A型金屬化合物（如Fe2Nb），其具有較高的強度、耐蝕性、抗氧化性，適用于400℃以下工作的高強度耐蝕零件，如飛機、導彈的緊固件，發動機渦輪機的前后安裝邊和閥門部件等。

由于真空熱處理具有除氣、表面凈化、脫脂等一系列優點，故公司采用真空油淬處理05Cr17Ni4Cu4Nb材料制造的緊固件，時效在空氣爐中進行。但前期使用普通淬火油固溶時效處理后，易在表面出現白亮層組織，白亮層的存在會影響產品的耐蝕性及耐磨性等，容易形成疲勞源，降低產品的使用壽命，引起構件的提前失效斷裂。后將淬火油改為KR328，該問題得到改善。

采用真空油淬（普通淬火油和KR328）、真空氣淬的對比，分析產生白亮層的影響因素；通過檢測表面白亮層與心部顯微維氏硬度，分析表面白亮層與心部硬度差別；做白亮層及心部化學成分與能譜分析，定性并定量分析白亮層組成元素。

1. 試驗方法

試驗設備如表1所示。試驗材料采用尺寸為φ26mm×500mm的05Cr17Ni4Cu4Nb，原材料為退火態，技術條件為GB/T1220。

將試驗材料05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分為3批，分別裝入HZR—50型真空油淬-氣淬爐中升溫到800℃預熱2h，真空度保持在1.33～13.3Pa，隨后加熱至1040℃保溫1h結束后分別進行真空油淬（第一批為普通真空淬火油，第二批為KR328）和真空氣淬，再在RXF6-60×45×40空氣回火爐中630℃時效4h。用Imager.ALM顯微鏡觀察真空油淬、真空氣淬后材料金相組織表面層狀況，測量白亮層厚度。使用HVS-1000型顯微維氏硬度計分別檢測表面白亮層、過渡段、心部的硬度。收集表面白亮層與心部的屑沫，通過Optima 7000DV型電感耦合等離子發射光譜儀分析判斷白亮層組織與心部正常組織化學元素的差別。借用QUANTAX100型BRUKER能譜分析儀定性分析材料表面白亮層與心部正常組織的化學成分。

圖1 不同熱處理方式對 05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影響

表1 試驗設備

表2 棒材熱處理后白亮層組織與心部組織硬度

2. 試驗結果

（1）不同熱處理方式對05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影響 圖1為冷卻方式不同的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材經過固溶處理+630℃4h時效處理后的顯微組織。

圖1a為HZR-50型號真空油淬（采用KR328）+630℃時效處理后的顯微組織；圖1b為采用HZR-50型號真空氣淬+630℃時效處理后的顯微組織；圖1c為采用HZR-50型號真空油淬（采用普通淬火油）+630℃時效處理后的顯微組織，圖1d為采用HZR-50型號真空油淬（采用普通淬火油）+630℃時效處理+酸洗+噴砂后的顯微組織。圖1表明：真空氣淬和KR328油淬處理的棒材均沒有表面污染，普通淬火油油淬處理的棒材有0.04mm表面污染層，白亮污染層均勻一致，且與基體結合緊密、耐磨性較好。

（2）05Cr17Ni4Cu4Nb白亮層與心部硬度 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h時效處理后測定棒材白亮層與心部的顯微維氏硬度，結果如表2、圖2所示。

表2表明：白亮層與過渡層的硬度均比心部高，白亮層硬度高出心部60HV0.05，過渡層硬度高出心部25HV0.05。

（3）化學成分分析 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h時效處理后噴砂去除表面氧化皮，用銑床銑05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面污染層，銑入深度不大于0.1mm。收集白亮層表面與心部屑沫，按GB223分別對其進行化學成分分析，結果如表3所示。

表3表明：05Cr17Ni4Cu4Nb棒材心部組織的化學成分符合GB1220的要求，而表面白亮層的wC為0.37%，不符合GB1220的要求，其他合金元素含量均滿足GB1220。

（4）能譜分析 05Cr17Ni4Cu4Nb棒材采用普通淬火油真空油淬后表面白亮層厚度僅為0.04mm，銑床銑白亮層做化學分析時，銑入的深度并不能保證小于0.04mm，必然帶入非白亮層的正常組織，從而影響判斷結果，故而借用能譜分析定量分析其元素具體含量，結果得知：05Cr17Ni4Cu4Nb白亮層wC為0.91%，不符合GB1220，合金元素含量均符合GB1220，非白亮層正常組織化學元素均符合GB1220。

表3 棒材表面組織與心部組織的化學成分（質量分數） （%）

3. 討論與分析

本文通過對05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分別采用普通淬火油、KR328、氣淬火，白亮層僅出現在普通淬火油油淬過程中。對白亮層做化學成分分析，得出白亮層的碳含量比心部高，表明白亮層是由于油淬時瞬時滲碳導致的，且白亮層的wC為0.91%。

05Cr17Ni4Cu4Nb棒材在真空高溫加熱時，經真空凈化作用，使其表面處于活化狀態，當其棒材在1040℃時于油中淬火，溫度降至900～1000℃的瞬間，熾熱的棒材會使由C、H、O組成的有機化合物真空淬火油發生熱裂解。普通淬火油在與活性的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面接觸瞬間，將形成薄而致密的、包圍著工件的油蒸氣外套，其裂解的有機化合物（如CH4、CO）將分解并析出濃度高和傳播特性快的活性碳原子，而05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含碳量很低，且含有大量的Cr、Nb均為碳化物形成元素，有利于增大鋼表面的吸收碳原子能力，增大滲層中的碳含量。同時05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含有大量的Ni、Cu，能增加碳原子在基體中的擴散速度，故而棒材表面產生強烈的滲碳結果。但同時專業的真空專用淬火油（比如KR328）其本身具備極低的飽和蒸汽壓這項性能，在真空度環境下，其產生的油蒸氣極少，不利于形成油蒸氣外套，從而在工件表面不能產生足夠的活性碳原子，滲碳條件不滿足。

金相檢驗時發現表面白亮層中的晶界不易腐蝕，用硝酸酒精、苦味酸、鹽酸苦味醇酸和飽和苦味酸進行腐蝕均呈白色。經顯微硬度測量，表面硬度和過渡層硬度比心部略高，而表面碳含量比心部高很多，表面碳含量高，Ms點低，殘留奧氏體含量將增多，說明白亮層主要是由含碳量較高并具有回火穩定性的奧氏體及少量馬氏體、碳化物及合金化合物等所組成。

圖2 白亮層與心部組織顯微維氏硬度

4. 結語

（1）05Cr17Ni4Cu4Nb棒材1040℃采用普通淬火油真空油淬時，因其無法滿足真空專用淬火油（如KR328）極低的飽和蒸氣壓特性，淬火時在工件表面易形成油蒸氣外套，因發生熱裂解為活性碳原子，并隨即被工件吸收而產生滲碳作用的結果，表面產生0.04mm白亮層組織，且白亮層組織均勻一致，與基體組織沒有明顯的過渡區。

（2）白亮層主要是由含碳量高并具有回火穩定性的奧氏體及少量馬氏體、碳化物等所組成，硬度比心部高50HV0.05，白亮層wC為0.91%。

（3）因普通淬火油無法滿足真空狀態下油品的相關性能，為確保工件淬火質量，建議真空油淬選擇專用的真空淬火油（如KR328）。

參考文獻：

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