0Cr17Ni4Cu4Nb鋼安裝座線切割后開裂問題分析及工藝改進

徒玉龍，鞏丁，游平平

南京機電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106

1 序言

0Cr17Ni4Cu4Nb鋼，簡稱17-4PH鋼，為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，該鋼具有較高的強度、耐蝕性、抗氧化和焊接性，適用于制造400℃以下工作的高強度耐蝕零件，如飛機、導彈的緊固件，發動機渦輪機匣的前后安裝邊和閥門部件等[1]。

某型0Cr17Ni4Cu4Nb鋼安裝座制造工藝流程：固溶（1040℃）→車削加工→線切割→銑削加工→時效（480℃）→線切割→銑削加工→熒光檢測→檢驗。安裝座加工過程中，在時效之后線切割時發生開裂，造成零件報廢。

2 檢驗與結果

（1）宏觀觀察 開裂安裝座斷裂形貌如圖1所示，表面開裂起源于零件邊角位置，裂紋擴展平滑，無二次裂紋。

圖1 線切割時安裝座開裂處

（2）成分分析 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學成分見表1，原材料的化學成分符合GJB 2294—1995《航空用不銹鋼耐熱鋼棒規范》的規定要求。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學成分（質量分數） （%）

（3）硬度檢測 用洛氏硬度計對失效零件進行硬度檢測，零件硬度一致，均為41～42HRC，符合40～47HRC的技術要求。

（4）金相分析 0C r17N i4C u4N b鋼屬于馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，顯微組織為回火馬氏體+彌散強化物，晶粒細小均勻，屬于正常固溶（1040℃×150min，水冷）+時效（480℃×1h，空冷）處理組織，如圖2所示。

圖2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼金相組織

（5）力學性能分析 從零件底部底盤處取拉伸試棒進行力學性能檢測，見表2。力學性能符合GJB 8268—2014《航空用沉淀硬化不銹鋼棒規范》中對材料0Cr17Ni4Cu4Nb鋼按H480熱處理后的技術要求。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的力學性能

（6）斷口分析 在開裂源區取樣，打開斷口后經超聲波清洗，在掃描電鏡下觀察斷口形貌，源區低倍形貌如圖3a所示。斷口齊平無銹蝕產物，高倍下觀察斷口，源區及擴展區均為解理斷裂特征形貌，如圖3b所示。

圖3 斷裂源區附近的解理特征

3 結果分析

1）根據成分分析結果可知，該安裝座的化學成分符合GJB 2294—1995標準對0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的技術要求。

2）根據硬度檢查結果可知，該安裝座硬度為41～42HRC，符合設計圖樣40～47HRC的硬度要求。

3）從金相分析結果可知，該安裝座經固溶、時效后組織為馬氏體組織+沉淀析出相，未發現明顯的晶粒粗大及組織異常的情況。

4）從力學性能檢測結果可知，該安裝座經固溶（1040℃×150min，水冷）+時效（480℃×1h，空冷）后力學性能符合GJB 8268—2014中該熱處理制度下的技術要求。

5）從斷口形貌分析結果可知，該安裝座經時效硬化后線切割開裂的斷裂位置存在明顯解理裂紋特征。解理斷裂是金屬在正應力作用下，由于原子結合鍵被破壞而造成沿一定晶體學平面（即解理面）快速分離[2]。影響解理斷裂的因素主要有環境溫度、介質、材料的晶體結構，顯微組織、應力大小與狀態等。

綜上所述，因零件存在厚薄差較大導致應力集中，在480℃×1h的時效硬化后該安裝座未充分消除零件殘余應力，同時因組織轉變的組織應力及熱應力的影響，導致在線切割過程中破壞零件應力平衡引起斷裂。

4 工藝改進措施

針對上述分析，調整機械加工過程，將線切割前的時效處理更改為固溶+時效，固溶處理能夠有效消除機械加工過程中產生的殘余應力，時效處理后線切割過程未發現開裂問題。

5 結束語

在0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼安裝座批量生產中，零件經時效處理后線切割時產生開裂，其主要原因是零件存在厚薄差較大的位置，480℃×1h的時效處理無法有效去除殘余應力。建議在后續加工過程中，將固溶工序后移，零件線切割前進行固溶+時效處理，能有效防止零件斷裂情況的發生。