鄧德偉，焦詠翔，黃治冶，孫 奇，田 鑫

(1. 大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

泵軸是用來(lái)安裝葉輪、固定葉輪位置并傳遞葉輪動(dòng)力的重要部件。泵軸在工作時(shí)同時(shí)承受軸兩端方向相反的扭矩。由于使用過(guò)程中葉輪施加于泵軸的軸向力較大以及扭矩變化等原因，需要泵軸材料具有較高的強(qiáng)度。17-4PH合金對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為 05Cr17Ni4Cu4Nb【1】,在進(jìn)行熱處理后具有很好的機(jī)械性能,抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 070 MPa以上。該材料廣泛應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品的主軸、大型機(jī)械的閥桿、石油裝備的配件等等。該鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性和焊接性能，其強(qiáng)度水平與Cr13型馬氏體不銹鋼相當(dāng)，耐腐蝕性與18-8型奧氏體不銹鋼相當(dāng)【2】。

軸類(lèi)部件通常對(duì)尺寸精度要求較高，若機(jī)械加工或熱處理工藝不當(dāng)，很容易因切削力、重力及組織分布不均勻而引入殘余應(yīng)力，導(dǎo)致軸類(lèi)部件發(fā)生變形【3】，在變形嚴(yán)重?zé)o法校直的情況下將使整根軸報(bào)廢。本文針對(duì)某公司生產(chǎn)的17-4PH泵軸在靜置存放一段時(shí)間后發(fā)生彎曲失效的現(xiàn)象和原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施，為避免同類(lèi)材料產(chǎn)品發(fā)生類(lèi)似形式的失效提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法

使用線(xiàn)切割機(jī)在泵軸彎曲區(qū)域附近切取3塊試樣，切取示意如圖1所示。對(duì)3塊試樣進(jìn)行1 020～1 060 ℃固溶處理和540～560 ℃時(shí)效處理后空冷。利用砂紙(200～1 500 號(hào))將試樣逐級(jí)研磨后，使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，并選用馬氏試劑對(duì)其進(jìn)行腐蝕。通過(guò)Nikon MA-100金相顯微鏡對(duì)試樣的軸向和徑向分別進(jìn)行金相觀察。

圖1 金相觀察面示意

1.2 金相檢驗(yàn)

圖2～圖4分別是1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣軸向截面和徑向截面的金相照片。從金相照片中可以看出，3個(gè)試樣的組織主要以馬氏體組織為主，組織中均有條帶狀的δ鐵素體存在，板條狀馬氏體平均晶粒尺寸大約為30 μm。如圖2(a)所示，條帶狀的高溫鐵素體長(zhǎng)短不一，呈現(xiàn)竹節(jié)狀，穿過(guò)不同的板條狀馬氏體。在圖3(a)中，細(xì)長(zhǎng)的白色條帶狀鐵素體呈連續(xù)狀，沿軸向規(guī)則排列，由此可以判斷，鐵素體應(yīng)形成于鍛造加工前，經(jīng)過(guò)鍛造加工后并未完全消除。此外，在圖2～圖4中還可以看到，3個(gè)試樣的軸向截面和徑向截面上，都有許多腐蝕后呈淺色且形狀不規(guī)則的殘余奧氏體分布在馬氏體周?chē)?，殘余奧氏體的分布狀態(tài)極不均勻。

圖2 1號(hào)試樣軸向和徑向金相

圖3 3號(hào)試樣軸向和徑向金相

圖4 2號(hào)試樣軸向和徑向金相

表1為GB/T 1220—2007【4】中規(guī)定的17-4PH鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分。由表1可以看出，17-4PH中含有大量的合金元素。17-4PH是一種低碳鋼，為提高其機(jī)械強(qiáng)度加入了Ni元素，同時(shí)為了提高材料的抗腐蝕性能，加入Cr元素。2種元素共同作用使得17-4PH在空冷條件下也能形成馬氏體，改善了材料的強(qiáng)韌性。Cr元素氧化會(huì)發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象，當(dāng)合金中Cr含量超過(guò)10%時(shí)，在其表面形成的Cr2O3薄膜非常致密，因而表面耐腐蝕性很高【5】。Cu元素在合金中，與碳的親和力不高，不會(huì)生成碳化物。但加入Cu元素，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅瑢⒊霈F(xiàn)導(dǎo)致鋼沉淀強(qiáng)化的ε相質(zhì)點(diǎn)【6】。Nb元素在碳鋼中與碳結(jié)合形成細(xì)小的碳化物，可以起到阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而抑制晶粒長(zhǎng)大。

高溫鐵素體是由于快速冷卻時(shí)未能及時(shí)轉(zhuǎn)化為奧氏體而殘留下來(lái)的【7】。高溫鐵素體與奧氏體基體晶格結(jié)構(gòu)不同，二者變形機(jī)制不協(xié)調(diào)【1】。這是17-4PH鋼發(fā)生失效的一個(gè)重要原因。鋼中的Cr、Mo、V、Si等鐵素體形成元素含量增加對(duì)鐵素體相的形成有促進(jìn)作用,并且無(wú)法通過(guò)熱處理措施減少【8】。這是導(dǎo)致17-4PH鋼難以通過(guò)熱處理改善性能的原因。

1.3 硬度測(cè)試

采用洛氏硬度儀分別對(duì)3個(gè)試樣的徑向和軸向進(jìn)行了硬度檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表2～表4。對(duì)比3個(gè)試樣的平均硬度可以看出， 除了1號(hào)試樣的軸向平均硬度低于GB/T 1220—2007要求的35 HRC外， 其余試樣硬度皆高于此標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比各試樣的軸向截面與徑向截面硬度， 發(fā)現(xiàn)同一個(gè)樣品的徑向截面硬度高于其軸向截面硬度。

表1 17-4PH鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分 w,%

表2 1號(hào)試樣硬度

表3 2號(hào)試樣硬度

表4 3號(hào)試樣硬度

2 分析與討論

從失效泵軸切取的3組試樣，其金相組織主要由馬氏體、殘余奧氏體和條帶狀鐵素體組成。從軸向的金相照片中可以看出，其殘余奧氏體和條帶狀鐵素體含量比較多。3組試樣軸向截面的硬度都低于徑向截面的硬度值，這與殘余奧氏體和條帶狀鐵素體的分布狀態(tài)有直接的關(guān)系。通常17-4PH 沉淀硬化不銹鋼的組織是馬氏體為主，含有少量的殘余奧氏體和δ鐵素體。而被檢測(cè)的3組試樣熱處理后均含有大量的殘余奧氏體和條帶狀δ鐵素體。條帶狀鐵素體屬于高溫形成相，通過(guò)熱加工和熱處理很難去除。

熱處理過(guò)程中，過(guò)高的固溶溫度會(huì)引起δ鐵素體增多，Ms點(diǎn)降低，使之固溶并冷至室溫后的殘留奧氏體量增多【9】。但如果固溶處理時(shí)溫度過(guò)低，合金元素以及相關(guān)碳化物來(lái)不及進(jìn)入奧氏體，又會(huì)導(dǎo)致成分不均勻，在后續(xù)形成馬氏體的過(guò)程中弱化沉淀硬化的效果。因此，固溶溫度的控制對(duì)泵軸組織成分是否能夠達(dá)到要求，以及后續(xù)使用過(guò)程中尺寸和性能是否穩(wěn)定非常重要。

造成該泵軸組織中殘余奧氏體含量較高的主要原因可能為固溶處理溫度偏高導(dǎo)致大量的δ鐵素體產(chǎn)生，同時(shí)Ms點(diǎn)降低，從而形成大量殘余奧氏體；此外，如果在固溶淬火過(guò)程中冷卻溫度不夠低或冷卻不均勻，有可能引起泵軸內(nèi)殘余奧氏體含量增多，或泵軸芯部奧氏體含量高于表層。

馬氏體的比體積大于奧氏體，因此，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)體積膨脹的過(guò)程。殘余奧氏體含量過(guò)多，對(duì)泵軸尺寸的穩(wěn)定性十分不利。一方面，固溶處理階段保留的較高含量的殘余奧氏體在后續(xù)的回火過(guò)程中會(huì)繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，并在局部區(qū)域形成內(nèi)應(yīng)力；另一方面，由于室溫低于Ms點(diǎn)，使得室溫下殘余奧氏體具有向馬氏體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，若室溫下泵軸放置形式不當(dāng)，在局部拉應(yīng)力較大的區(qū)域很容易誘發(fā)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。上述的相變過(guò)程，均有可能導(dǎo)致泵軸在存放過(guò)程中發(fā)生彎曲。因此，雖然殘余奧氏體和鐵素體很難完全去除，但應(yīng)該通過(guò)精確控制熱處理溫度盡量降低殘余奧氏體和鐵素體兩種組織的含量。

3 改進(jìn)措施

1) 適當(dāng)降低固溶處理溫度，避免保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以防止δ鐵素體和殘余奧氏體含量升高。

2) 降低固溶淬火的介質(zhì)溫度或增強(qiáng)換熱，以提高冷卻速度，保證芯部與表層溫度盡量均勻，并避免緩慢冷卻引起奧氏體的熱穩(wěn)定化，使馬氏體轉(zhuǎn)變遲滯。

3) 合理設(shè)計(jì)泵軸的存放方式，盡量采取懸掛方式豎直存放；若臥式存放，應(yīng)進(jìn)行定期旋轉(zhuǎn)，改變軸的受力位置，避免局部長(zhǎng)時(shí)間拉應(yīng)力過(guò)大而誘發(fā)殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。