超高強度300M 鋼熱加工過程中高溫腐蝕行為的分析與總結

文／孟斌，徐常順·國機重型裝備集團股份有限公司

鋼鐵是人類使用最早、用量最大的結構材料之一，在航空航天、汽車制造和建筑工程等領域已廣泛應用。為了克服早期鋼鐵結構材料強度不足、耐腐蝕性差以及易疲勞斷裂等缺點，從二十世紀中期開始，在普通合金結構鋼的基礎上通過合金元素優化設計、采用先進冶煉工藝以及改善熱處理制度等措施發展了一系列超高強度鋼，以期滿足航空航天工業快速發展的需要。超高強度鋼是室溫抗拉強度Rm≥1400MPa 或屈服強度Rp0.2≥1350MPa 的結構鋼材，在航空領域多用于制造飛機起落架主承力構件等，是航空制造業必不可少的材料之一。

飛機起落架作為飛機重要安全功能部件，是用于飛機起飛、著陸、地面滑行和停放的重要支持系統，是飛機的主要承力構件。飛機起落架的技術水平和可靠度對于飛機整體性能和使用安全具有重要影響。根據超高強度鋼中合金元素的總含量可將其分為三類，即低合金超高強度鋼、中合金超高強度鋼和高合金超高強度鋼?，F今90%以上的世界飛機起落架都是超高強度鋼制造的，而低合金超高強度鋼300M 是當前應用最廣泛、最成功的起落架用鋼。

300M 鋼最初是美國國際鎳公司1952 年研制開 發 的，300— 強 度 為300ksi(2000MPa 級)、M—modified；1964 年開始用于美國C-5A 銀河運輸機，60 年代開始推廣應用于各類戰斗機、民航客機。世界上目前在役的90%以上的飛機起落架均采用300M鋼制造，如波音全系列(B737、B747、B787 等)以及空客全系列(A330、A340、A380)等。

超高強度300M 鋼熱加工過程中高溫腐蝕行為的認識

表1 為超高強度鋼300M 的化學成分，可以看出，300M 鋼碳含量達到了0.38 ～0.43%，屬于中碳鋼，退火組織為珠光體和鐵素體。碳元素在鋼材中主要起兩個作用：一是通過形成固溶體結構(如奧氏體、鐵素體等)提高鋼材強度；二是形成碳化物組織(如滲碳體Fe3C)提高硬度和耐磨性。隨著鋼中碳含量增加，組織中珠光體數量增加，而鐵素體數量減少。當碳含量大于0.40%時，淬火組織除了馬氏體外還有少量殘留奧氏體，殘留奧氏體數量隨著鋼中碳含量的增加而增加，因此，300M 鋼經淬火、回火后具有良好的綜合力學性能，如表2 所示。

表1 超高強度鋼300M 的化學成分(質量分數，%)

表2 超高強度鋼300M 的主要力學性能

超高強度300M 鋼在高溫、長時間、多火次的加熱過程中，不可避免地會發生高溫腐蝕，如圖1 所示，例如氧化、脫碳等。通常情況下，超大規格300M 鋼鍛件的加熱溫度在1100 ～1200℃，每火次的加熱時間為6 ～8h，累計加熱次數為3 ～8 次。

圖1 超高強度鋼300M 高溫腐蝕

超高強度300M 鋼鍛件在實際生產過程中，各大鍛造企業考慮到生產經濟性和生產效率等因素，往往會采用天然氣加熱爐進行加熱，而天然氣爐氣氛環境復雜，坯料在加熱過程中會與爐內氣氛發生選擇性反應，如圖2 所示。實際上，300M 鋼表面的氧化、脫碳行為也極難控制，最終成形后的鍛件即便經過噴砂、拋丸和表面機加工，表面的硬度也由于脫碳或半脫碳的原因而不達標，而300M 鋼部件大都處在高溫、高壓、高速，需要承受很大應力和在腐蝕性介質侵蝕的惡劣條件下工作，零件加工表面狀態會嚴重影響其使用性能。

圖2 天然氣爐爐內氣氛分類情況

氧化行為的認識

300M 鋼的氧化是一個擴散過程，鐵以離子狀態由內層向外層表面擴散，氧化性氣體的原子吸附在表層后向內擴散，隨著加熱時間的延長，會逐漸形成一層高溫腐蝕產物——氧化皮。

⑴氧化皮的成分和結構較為復雜，當加熱溫度在570℃以下，氧化膜包括三氧化二鐵(Fe2O3)和四氧化三鐵(Fe3O4)；當加熱溫度在570℃以上時，氧化膜由內向外依次是氧化亞鐵(FeO)、三氧化二鐵(Fe2O3)和四氧化三鐵(Fe3O4)；

⑵從體積分數測算，FeO 約占40%、Fe3O4約占50%；Fe2O3層最薄，約占10%。FeO 結構疏松，保護作用較弱；而Fe3O4、Fe2O3結構致密，有較好的保護性。

⑶在繼續長時間加熱的過程中或者在后續出爐冷卻過程中，由于最外層Fe2O3比同質量金屬的體積大2 倍多，因此在氧化物層內產生很大的應力，引起氧化鐵皮周期性的破裂，以致脫落，給進一步氧化造成有利條件。

⑷300M 鋼的高溫氧化不僅會造成嚴重的金屬損耗(鋼材每加熱一次約有1.5%～3%的金屬損耗)，而且生成的氧化皮壓入鍛件將嚴重影響鍛件表面質量和尺寸精度。

脫碳行為的認識

300M 鋼的脫碳是生產過程中十分常見的一種表面缺陷(表層元素貧化，鋼材中碳成分減少的現象)，一般在鋼材加熱至某個溫度后鋼中的碳元素與周圍氣氛中的氧和氫發生反應時會發生脫碳行為，形成脫碳層，使得鋼材表面的力學性能和內部的力學性能存在一定的差異。

脫碳行為發生后，脫碳層的硬度和屈服強度會隨著碳含量的減少而明顯降低，最終發生脫碳層軟化現象，即使經過淬火，鋼材硬度依然不高，因此很容易在后續機加工過程中經過交變應力的影響從而產生裂紋和過早疲勞失效。此外，脫碳層的存在導致表面碳含量呈梯度變化，淬火時在不同位置會有不同的膨脹系數和組織體積變化，因此容易出現應力集中現象，產生局域微裂紋，最終形成應力集中區為后續能夠引起鋼材斷裂的宏觀裂紋的產生埋下伏筆。

查閱相關文獻資料可知，⑴脫碳的速度取決于化學反應的速度，也取決于雙向擴散過程的條件。脫碳氣體擴散到金屬表面，并且氣態反應產物向金屬表面移動。另外，由于濃度差異，來自內層的碳移動到表面脫碳的金屬層。⑵脫碳速度隨溫度升高而增加。因此，脫碳層的厚度也會隨著加熱溫度的升高而增加。⑶溫度一定的情況下，加熱時間越長，脫碳層越厚，且脫碳厚度隨加熱時間的平方根變化呈線性變化關系。

氧化和脫碳行為內在聯系

查閱相關文獻資料可知，⑴起始氧化溫度為500℃，表面僅能生成很薄的一層氧化膜；當溫度升至600～700℃，便開始有顯著氧化，并生成氧化鐵皮；從800 ～900℃開始，鋼的氧化速度急劇升高。⑵起始脫碳溫度650 ～700℃，溫度超過700℃脫碳行為會加劇。⑶在高溫區域(高于800 ～900℃)，鋼的氧化和脫碳過程是并行且相互聯系的。實際生產中，脫碳和氧化同時進行。⑷當鋼加熱到1000℃以上時，由于強烈的氧化，脫碳作用較弱。在更高溫度下，氧化皮剝落喪失保護作用，脫碳將劇烈發生。

區別主要在于，如果氧化反應的速度更快，300M 鋼表面會形成氧化鐵或氧化亞鐵；反之，當脫碳反應速度大于氧化反應時，脫碳行為便會發生(如滲碳體和氧反應生成鐵素體和一氧化碳)。

減緩300M 鋼高溫腐蝕行為的相關建議

關于300M 鋼高溫腐蝕(脫碳和氧化)，這是一個熱力學與動力學交錯的科學問題，這也是300M 鋼本身材料屬性的問題。因此，我們能做的就是盡可能改善，建議可以從加熱溫度、保溫時間、保護介質三個角度去深入思考和挖掘，如圖3 所示。

圖3 300M 鋼高溫腐蝕行為控制原理

加熱溫度與保溫時間

加熱溫度與保溫時間對氧化及脫碳的影響基本一致，它們都是通過影響元素擴散速率來影響脫碳及氧化的程度。300M 鋼加熱溫度越高，原子熱運動就越劇烈，原子擴散速率就越大，這樣氧化及脫碳的趨勢就越大。同樣，加熱時間越長，原子擴散的就越充分，這樣就會加速氧化和脫碳的進行。所以，要降低鋼的氧化和脫碳，就要盡可能在不影響產品質量的前提下，適當降低300M 鋼的加熱溫度，縮短保溫時間。

保護介質

從300M 鋼的氧化與脫碳過程來看，300M 鋼與氧元素的接觸是反應開始進行的主要原因，所以減少鐵/氧的接觸、控制元素擴散的速度對于減少鋼鐵高溫氧化與脫碳起著重要的作用。目前減少鋼鐵氧化與脫碳的方法主要有真空法、保護氣氛法和涂料防護法三種。

⑴真空法是指在生產300M 鋼鍛件的過程中，將其置于真空狀態下，避免300M 鋼與氧化性氣體接觸的方法。雖然這種方法防護效果非常好，氧化燒損量與脫碳層深度微乎其微，但是設備昂貴、操作復雜、影響生產流程，增加生產成本。所以目前在鋼鐵材料的生產和使用中，真空法的應用范圍并不廣泛，更多的是應用于科學研究、實驗等方面。

⑵保護氣氛法的原理是通過充入保護氣體隔絕鋼鐵與氧元素的接觸，從而達到減少氧化與脫碳的目的。保護氣氛法在實際應用中并不僅僅單純使用一種保護氣體，更多的是使用多種混合氣體。這種方法保護效果良好，但存在成本高、保護氣體的制備和儲運技術難攻克、設備復雜等缺點，所以目前仍不適用于大規模的工業生產中。在解決了這一系列及使用過程中的安全與環保等問題的基礎上，保護氣氛法仍有一定的應用前景。

⑶從目前的技術和設備等方面考慮，要使鋼材在生產過程中完全處于無氧狀態是不可能的。在防止和延緩鋼鐵高溫氧化和脫碳的諸多措施中，最有效且經濟的莫過于在加熱過程中采用涂料保護。

300M 鋼鍛前在其表面噴涂保護涂層，涂層在隨鍛件入爐加熱后，會迅速燒結致密，并與基體緊密結合，隔絕氧氣，同時防止合金鋼內部的碳元素溢出，達到在高溫下的防氧化、防脫碳的效果。當然，目前防護涂料種類繁多，但是距離在企業中大規模應用還尚需一些研究和探索。涂料防護法實際應用的核心思路就是“用好涂料”，主要體現在兩個方面：一方面是“用好”涂料，這主要與產品結構、實際工況、生產模式等因素密切相關；另一方面就是用“好涂料”?！昂猛苛稀钡牡湫吞攸c包括①優異的防護性能，防止或減緩鍛件在高溫下氧化、脫碳；②能夠適應具體工況(加熱溫度、保溫時間、加熱火次、入爐方式、冷卻方式等)；③具有潤滑、保溫、可控剝落性等輔助效果，對于多火次，可使用鋼材出爐冷卻時不剝落的涂層，這樣可以在下火次加熱時繼續起到防護作用，對于單火次，可使用鋼材出爐冷卻時自行剝落的涂層，這樣可以免去清除涂層的工序，提高生產效率和節約生產成本；④涂層高溫時硬度低，可隨鍛件變形而延展，有利于鍛造成形并且不會在鍛件表面形成劃傷或壓坑等缺陷；⑤綠色環保，對車間環境和人體健康不造成傷害。

300M 鋼的高溫腐蝕試驗驗證

某300M鋼鍛件是采用天然氣加熱爐進行熱處理，天然氣爐氣氛環境復雜，300M 鋼鍛坯表面的氧化、脫碳行為也極難控制，如圖4A(300M 鍛坯氧化情況，無調控)和4B 所示。針對該類問題，合理設計工藝試驗，在同工況生產條件下進行試驗驗證。驗證后發現：通過用“好涂料”、“用好”涂料、優化生產制造工藝等其他特殊調控手段可以實現少無氧化控制，如圖4C(C-300M 試樣氧化情況，有調控)和圖4D所示。

圖4 300M 鋼高溫腐蝕調控驗證

結論

⑴超高強度鋼300M 是當前應用最廣泛、最成功的起落架用鋼。

⑵超高強度300M 鋼在高溫、長時間、多火次的加熱過程中，不可避免地會發生高溫腐蝕行為(氧化和脫碳)，且氧化和脫碳行為是并行且相互聯系的。

⑶超高強度300M 鋼通過用“好涂料”、“用好”涂料等優化生產制造工藝等其他特殊調控手段，可以實現少無氧化控制。