440C不銹鋼材料熱處理工藝研究

辛宇鵬，郭 輝，楊曉娟，沈 勇

(1.海裝駐漢中地區軍事代表室，陜西 漢中 723000；2.中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723000)

集成閥為起落架電液一體化控制單元，其多項核心零件材料為440C不銹鋼。440C(高強度刃具鋼)鋼材是一種馬氏體型不銹鋼，碳含量為1.0%，鉻含量為16%～18%，抗銹能力強，具有耐腐耐高溫特性，經熱處理后可以獲得較高屈服強度，硬度可達到58 HRC，在國內不銹鋼牌號中屬最硬的不銹鋼之一。該鋼碳含量高，熱處理參數不合適會造成脫碳、淬裂和殘留奧氏體等問題，且熱處理工藝較常規不銹鋼較為復雜。該材料在中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司首次應用且企業無440C熱處理工藝標準[1-6]。

1 熱處理研究目的

為確定440C熱處理參數，根據已知參考資料，需在淬火溫度(1 000～1 080 ℃)、回火溫度(100～350 ℃)范圍內開展工藝試驗[7-8]。選取合理淬火溫度和回火溫度，摸索不同熱處理設備淬火后脫碳層的深度；根據企業現有情況，考慮生產效率、成本等因素下合理的淬火設備；為穩定工件熱處理變形，淬火后應及時進行冷處理且至少進行2次回火。摸索回火、冷處理相關參數；440C鋼淬透性好且碳含量高，冷卻速度過快易產生開裂，冷卻速度過慢則殘余奧氏體含量增多[9-11]。通過試驗分析，選擇合適的淬火介質。

440C熱處理技術指標及要求：1)表面污染測試；2)表面無全脫碳，不完全脫碳≤0.075 mm，晶間氧化0.012 mm；3)硬度≥58 HRC。

按照熱表處理隨爐(槽)或周期性檢查試件的要求及4項產品的形狀結構及厚度，確定硬度試件(見圖1)和金相試件(見圖2)的尺寸參數。

2 熱處理工藝應用研究

為確定440C不銹鋼熱處理相關參數指標，需確定其淬火設備，優選淬火溫度和回火溫度。

2.1 工藝設備選擇方案

440C不銹鋼材料熱處理后硬度高，機械加工困難，因此應盡量減少熱后零件加工余量?？紤]到該材料淬火溫度高，熱處理過程存在表面污染，如脫碳、晶間氧化等現象，其中脫碳層深度不但直接影響硬度和耐磨性，而且還會造成零件表面硬度不均勻，為此應對空氣熱處理和真空熱處理進行工藝對比分析試驗，具體要求如下。

1)淬火設備工藝試驗：選取空氣爐(試樣采用涂料保護)、真空爐兩類設備進行淬火。溫度為1 052 ℃，空氣爐保溫時間為60 min；真空爐按75 min進行油淬。

2)試驗測試要求：完全脫碳按GB/T 224金相法，增氮增碳和不完全脫碳按HB 6735的顯微硬度法。晶間氧化可在脫碳試樣重新拋光后，在無腐蝕條件下不小于250倍顯微鏡下進行測試。試件表面應無增氮增碳和無完全脫碳，晶間氧化深度應≤0.012 mm，記錄設備不完全脫碳層深度。

3)試驗結果及分析：440C不銹鋼試件表面污染測試結果見表1。測試結果表明：空氣爐刷涂料和真空爐淬火均可滿足工藝要求，能用于零件生產交付(空氣爐需刷保護涂料)。

表1 表面污染測試

2.2 淬火工藝參數確定方案

脫碳層深度直接影響零件硬度和耐磨性，同時會造成零件表面硬度不均勻，需針對不同規格的材料確定淬火后脫碳層深度，并兼顧選擇生產效率、成本等因素下合理的淬火設備。

1)淬火溫度選擇：分別在1 000、1 025、1 052和1 075 ℃等4個不同淬火溫度下進行試件油淬，過程按照起落架工藝標準22008進行控制。

2)試驗測試要求：按照GB 230.1C測試硬度，記錄實測值。對比試件在不同淬火溫度下殘余奧氏體含量及硬度值的變化。

3)試驗結果及分析：440C不銹鋼試件在不同淬火溫度下的硬度及殘余奧氏體測試結果見表2。

表2 不同淬火溫度試驗結果

結果分析如下。

1)在空氣爐不刷保護涂料時，試件表面存在嚴重脫碳現象，硬度明顯低于有涂料保護的硬度值(無涂料時為45 HRC，有涂料時≥58 HRC)。

2)在空氣爐中，對試件分別按1 000、1 025、1 052、1 075 ℃溫度進行淬火，試件硬度相差不大，且≥58 HRC，從殘余奧體含量來看，1 052 ℃的淬火溫度殘奧量最少。

3)經真空爐驗證：1 052 ℃淬火溫度下，試件硬度和殘奧均滿足要求。

對于不銹鋼而言，淬火溫度較低，溶入奧氏體基體的碳化物較少，易造成組織不均勻；淬火溫度較高時，碳化物溶解充分，淬火后殘奧過多，可導致硬度降低，并造成晶粒粗大。綜上分析，淬火溫度宜選擇1 052 ℃。

2.3 回火工藝參數確定方案

準備規格為G28×6×15的440C不銹鋼硬度試件18件，依據上述試驗結果優選淬火溫度，冷處理-68 ℃，保溫2 h。

1)回火溫度試驗：冷處理結束后分別在163、200、250、300 ℃下進行回火。

2)測試性能指標：按照GB 230.1測試硬度。

3)結果及分析：440C不銹鋼試件在不同回火溫度下的試驗結果見表3。

表3 不同回火溫度試驗結果

(續表)

結果分析如下。

1)在空氣爐不同回火溫度下進行5次試驗，163 ℃時材料硬度為59 HRC，隨溫度上升至200 ℃時，硬度值減少到55～57 HRC。這表明在一定溫度下，隨著回火溫度的升高，材料硬度降低。

2)真空爐163 ℃回火，能更好保持材料硬度，滿足設計要求。

2.4 二次回火、冷處理工藝試驗方案

為消除應力，減少變形，穩定工件尺寸，依據440C不銹鋼材料特性開展空氣爐和真空爐的二次回火、冷處理工藝試驗。試驗結果見表4。

表4 二次回火、冷處理后硬度測試

結果分析如下：經二次回火冷處理后，硬度無明顯變化，均滿足設計要求。

3 熱處理工藝參數驗證

根據上述試驗，編制零件熱處理工藝規程，并對集成閥中440C核心零件按優選熱處理參數進行熱處理，零件硬度檢查滿足設計要求。熱處理結果見表5。

表5 熱處理結果

4 結語

本文對集成閥多項核心零件材料440C不銹鋼開展了熱處理工藝研究，試驗結果表明：440C不銹鋼在空氣爐刷涂料和真空爐淬火，其表面污染測試均可滿足相關規范要求；通過試驗確定了空氣爐最優的淬火溫度為1 052 ℃，空氣爐、真空爐回火溫度為163 ℃及二次回火冷處理后對硬度影響不明顯等熱處理工藝參數。440C不銹鋼熱處理工藝研究的開展，不但確保了新研產品的按期交付，也填補了本公司在440C不銹鋼熱處理方面的空白。