17-4PH不銹鋼鍛件開裂原因分析

范衛(wèi)東 ， 張全新

(1.常熟市良益金屬材料有限公司，江蘇 蘇州 215500；2.重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084)

某公司使用的17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)不銹鋼鍛件在熱處理過后發(fā)生明顯開裂，造成批量性報廢。該批材料規(guī)格為Φ180 mm圓棒，經(jīng)定尺下料切割成高度為150 mm的圓柱鍛件15件，在進行固溶和時效熱處理后，檢查發(fā)現(xiàn)鍛件均有不同程度的開裂，如圖1、圖2所示。鍛棒的主要生產(chǎn)工藝過程為：中頻感應冶煉→電渣重熔→熱鍛→車光。17-4PH圓柱鍛件采用的熱處理工藝為1040 ℃固溶水冷+540 ℃時效空冷。為了查找材料產(chǎn)生開裂的原因，防止產(chǎn)品再次出現(xiàn)此類缺陷，對樣品進行了化學成分分析、金相低倍和高倍觀察、以及硬度檢測。

圖1 熱處理后的鍛件開裂形貌Fig.1 The cracking morphology of the forging after heat treatment

圖2 鍛件心部裂紋局部形貌Fig.2 Local crack morphology of forging center

1 理化檢驗

1.1 宏觀低倍觀察

從圖1、圖2觀察可見，鍛件主裂紋從內(nèi)部貫穿至表面，呈現(xiàn)明顯裂縫，除此主裂紋之外，在鍛件心部還存在較多的網(wǎng)絡狀龜裂，有些裂紋肉眼可見，有些細小裂紋經(jīng)10倍放大鏡觀察明顯可見。為了查找裂紋產(chǎn)生的工藝過程，我們對未進行熱處理的鍛件也進行了宏觀觀察和低倍檢驗，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，未熱處理的鍛件在加工后的內(nèi)部圓柱面上也發(fā)現(xiàn)有沿縱向分布的微裂紋和起層現(xiàn)象，如圖3所示。采用線切割方式分別從開裂和缺陷部位切取試樣以進行理化檢測分析，熱處理前的鍛件試樣為1#，熱處理后的試樣為2#。

圖3 未熱處理的鍛件內(nèi)部缺陷Fig.3 Internal defects of forgings not heat treated

1.2 成分分析

采用德國SPECTRO直讀光譜儀對2#試樣進行了化學成分分析，結果見表1。

表1 鋼件化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of steel parts(mass) %

1.3 硬度檢測

使用HB-3000B布氏硬度計對不同狀態(tài)試樣進行了硬度檢測，檢測結果見表2。

表2 鋼件的硬度Tab.2 Hardness of steel parts HBW

1.4 金相檢測

我們將1#和2#試樣縱面經(jīng)過預磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡放大100倍觀察試樣的非金屬夾雜物情況，并按國家標準GB/T 10561-2005評定，其級別均為A0.5，B1.0，C0.5，D1.5，如圖4所示。觀察整個試面，發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)試樣縱面均存在細小的微裂紋，其深度約0.5～5 mm不等，分布方向均為縱向，如圖5所示。采用FeCl3鹽酸水溶液侵蝕后從試樣心部至表面進行金相組織的高倍觀察，試樣的組織為板條狀馬氏體、彌散析出的強化相以及較多的δ鐵素體，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，δ鐵素體沿縱向呈條塊狀分布，在試面上分布不均。為了確定δ鐵素體的含量，我們用4%KMnO4和NaOH溶液對δ鐵素體采用染色法侵蝕后進行測量，熱處理前后試樣的δ鐵素體分布及含量未見明顯差異，其平均含量為12%，局部最嚴重部位為15%。我們從鍛件上截取橫向試樣，采用同樣的方法對試樣進行染色侵蝕，發(fā)現(xiàn)δ鐵素體呈網(wǎng)絡狀分布，如圖8所示。

圖4 非金屬夾雜Fig.4 Non-metallic inclusion

圖5 縱向微裂紋Fig.5 Longitudinal microcrack

圖6 縱向試樣的組織及δ鐵素體Fig.6 Longitudinal structure and δferrite

圖7 縱向試樣的組織及δ鐵素體Fig.7 Longitudinal structure and δferrite

圖8 橫向試樣的δ鐵素體形貌Fig.8 Transverse structure and δferrite

2 分析討論

17-4PH鋼是一種低碳馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，它從固溶溫度快冷至室溫時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再經(jīng)480～550 ℃時效處理，從馬氏體基體中析出沉淀硬化相，使強度進一步提高，因此它具有高強度和較高韌性[1]。同時，由于其含碳量較低，其耐蝕性和可焊性均優(yōu)于馬氏體不銹鋼，接近某些奧氏體不銹鋼，被廣泛應用于航空、航天、核能、軍工和民用工業(yè)。

原材料的質(zhì)量、熱加工、熱處理工藝等都是決定產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的重要因素。從我們對鍛件的化學成分分析結果得知，其材質(zhì)符合國家軍用標準GJB2294-95《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》中0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學成分要求，鋼的非金屬夾雜物含量和級別也未見異常，符合該項標準中電渣鋼的夾雜物合格范圍。

從我們對試樣的高倍金相觀察結果可以得知，試樣在熱處理前存在沿縱向分布的深度不等的細小裂紋，而熱處理前后金相組織均存在較多的δ鐵素體，呈條塊狀沿縱向分布，橫向試面呈網(wǎng)狀分布，經(jīng)定量檢測δ鐵素體平均含量達到12%甚至更高。δ相是在高溫區(qū)域形成的相，一般稱為δ鐵素體或高溫鐵素體，這種相主要是由于加熱溫度過高、高溫區(qū)停留時間過長、化學成分波動等原因形成的。

一般情況下，17-4PH鋼通過化學成分設計以及熱加工工藝控制，將其δ相含量控制在5%以內(nèi)，局部最嚴重區(qū)域不超過10%。從以上理化檢測結果得知，鍛件的化學成分符合標準要求，成分未見明顯波動，而鍛件熱處理前后δ相含量和分布也未見明顯差異，因為δ相較為穩(wěn)定，在正常固溶熱處理溫度范圍內(nèi)無法消除[2]，因此我們認為，17-4PH鋼件中較多的δ鐵素體主要是由于熱加工溫度偏高而形成的。17-4PH鋼中的δ相含量在5%以內(nèi)時，該鋼種具有較好的塑韌性，但過多的δ相將影響鋼的工藝性能和力學性能。一方面，含量超過10%時將對鋼的熱加工性能造成較大影響，這是由于δ相破壞了鋼基體的連續(xù)性，在高溫下奧氏體和鐵素體的高溫硬度不同，其變形阻力也不同，兩者的再結晶速度也不一樣，奧氏體滯后于鐵素體，因此易造成鋼在熱加工時產(chǎn)生開裂[3]。另一方面，較高含量的δ鐵素體將明顯影響鋼的綜合力學性能，由于δ鐵素體在鋼的熱處理時不發(fā)生相變，因此在鋼的固溶時效處理中不能起到強化作用，反而降低鋼的強度和硬度[4]，這從我們對時效熱處理后鋼件的硬度檢測結果也可以的得到驗證。根據(jù)17-4PH鋼的熱處理工藝設計以及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，17-4PH鋼經(jīng)過520 ℃時效后，在正常情況下其硬度值應在341 HBW以上，而鋼件經(jīng)過540 ℃時效后的硬度僅為298 HBW，相差較大，這主要是由于鋼件中較多的δ鐵素體降低了鋼的硬度。另外，呈網(wǎng)狀分布的δ鐵素體還會顯著降低鋼的塑韌性，增加鋼的脆性和微裂紋形成傾向。從微裂紋的分布形貌可以得知，微裂紋在δ鐵素體附近形成，沿鋼棒軸向分布，與δ鐵素體分布方向一致。17-4PH鋼屬于馬氏體鋼，基體在從高溫冷卻至室溫時會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，時效熱處理時殘余奧氏體也將繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，由于δ鐵素體從高溫至室溫區(qū)域均不發(fā)生相變，因此17-4PH鋼在熱加工和熱處理的后續(xù)冷卻時，鋼中將會存在較大的組織應力和熱應力，較高含量的δ鐵素體將使得應力在其與馬氏體的兩相界面附近增加，而呈網(wǎng)狀分布的δ鐵素體將使得這種應力分布狀態(tài)更為惡劣，進一步增加鋼棒產(chǎn)生微裂紋的危險[5]，當這種應力超過材料的強度極限時，材料就會產(chǎn)生微裂紋，形成裂紋源。如果材料本已存在這種微裂紋，鍛件在后續(xù)的固溶快速急冷時，由于兩種應力的疊加，使得微裂紋在較低應力下就得以擴展，加速宏觀裂紋的形成，最終導致鍛件的開裂。

3 結論

(1)鍛件材質(zhì)符合國家軍用標準GJB2294-95《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》中0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學成分要求，鋼的非金屬夾雜物含量和級別也符合該標準中電渣鋼的夾雜物要求。

(2)鍛件在熱處理前存在較多的縱向微裂紋。

(3)鍛棒金相組織中存在較多的δ鐵素體，它是由于鍛棒熱加工溫度偏高而形成的。

(4)鍛棒中較多的δ鐵素體是微裂紋形成的主要原因，而鍛件在固溶水冷過程中的組織應力和熱應力促進了宏觀裂紋的形成和擴展，最終導致了鍛件開裂。