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(jìn)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(yīng)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(jìn)行了化學(xué)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(luò)狀龜裂，有些裂紋肉眼可見，有些細(xì)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(jìn)行熱處理的鍛件也進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 鋼件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行了硬度檢測，檢測結(jié)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(yán)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(jìn)行染色侵蝕，發(fā)現(xiàn)δ鐵素體呈網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度進(jìn)一步提高，因此它具有高強(qiáng)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(yīng)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(xué)成分分析結(jié)果得知，其材質(zhì)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2294-95《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》中0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(xì)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(dá)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(xué)成分波動等原因形成的。

一般情況下，17-4PH鋼通過化學(xué)成分設(shè)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(yán)重區(qū)域不超過10%。從以上理化檢測結(jié)果得知，鍛件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(xué)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(jié)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(xué)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(qiáng)化作用，反而降低鋼的強(qiáng)度和硬度[4]，這從我們對時效熱處理后鋼件的硬度檢測結(jié)果也可以的得到驗證。根據(jù)17-4PH鋼的熱處理工藝設(shè)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(yīng)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(yīng)力和熱應(yīng)力，較高含量的δ鐵素體將使得應(yīng)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(yīng)力分布狀態(tài)更為惡劣，進(jìn)一步增加鋼棒產(chǎn)生微裂紋的危險[5]，當(dāng)這種應(yīng)力超過材料的強(qiáng)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(yīng)力的疊加，使得微裂紋在較低應(yīng)力下就得以擴(kuò)展，加速宏觀裂紋的形成，最終導(dǎo)致鍛件的開裂。

3 結(jié)論

(1)鍛件材質(zhì)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2294-95《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》中0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的化學(xué)成分要求，鋼的非金屬夾雜物含量和級別也符合該標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力和熱應(yīng)力促進(jìn)了宏觀裂紋的形成和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了鍛件開裂。