1Cr15Ni4Mo3N钢制销钉热处理端部裂纹分析.pdf

2023年 第9期 热加工101热 处 理Heat Treatment1Cr15Ni4Mo3N钢制销钉热处理端部裂纹分析 张金卓，王大宏，贾娜，费岩晗大连长丰实业总公司 辽宁大连 116038摘要：对1Cr15Ni4Mo3N钢销钉最终强化热处理后其端部出现的裂纹问题，进行了磁粉检测、材料成分分析、宏观观察和能谱扫描，以及硬度检测和金相组织分析等试验，对裂纹产生原因进行分析，确定裂纹产生的原因，从而可以采取针对性措施，加强零件制造过程控制，避免问题的再次发生。关键词：1Cr15Ni4Mo3N钢；销钉；裂纹；硬度；组织；偏析 1 序言1Cr15Ni4Mo3N钢制销钉是某型飞机的重要零部件，用于飞机中央翼与外翼连接。该零件需经过粗加工、精加工、热处理、精磨、无损检测及表面处理等多道工序，加工工艺复杂，技术要求严格，加工难度大，导致其价值远高于一般销钉类零件。该零件若出现制造缺陷，则会严重危及飞行安全。1Cr15Ni4Mo3N是奥氏体-马氏体过渡型沉淀硬化不锈钢，具有优良的强度、韧性、耐蚀性和工艺性，可用于制造长期在大气中工作的耐蚀承力构件1。当工作温度300时，1Cr15Ni4Mo3N钢最终热处理抗拉强度可达13501570MPa，组织为回火马氏体残留奥氏体少量碳化物，在组织中不允许网状碳化物存在（企业标准材料说明书要求）。销钉经最终强化热处理后，对其端面进行硬度检测时发现异常软点，进而查看销钉端面，发现疑似微裂纹。对在制350件销钉进行5倍放大镜观察和磁粉检测，总计发现10件销钉端头存在裂纹，其中5件肉眼可见，另5件有磁痕显示。溯源销钉原材料及热处理加工过程，产品质量证明书（厂家）及金属材料试验报告（工厂）等资料齐全有效。多年来，该批次材料加工的零件质量良好稳定，从未出现此类问题。本文采用光学金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪等，对材料的化学成分、裂纹的形貌、金相组织等进行分析，以确定裂纹产生的原因，从而有针对性地控制零件加工过程，采取预防性措施，避免裂纹的产生，同时加强零件检验，避免问题件流入下工序。2 研究方法2.1 材料成分采用NitonXL2980型手持式合金分析仪和力克碳硫分析仪分别对3件故障销钉化学成分进行分析，结果见表1。第一作者：张金卓，工程师，热处理、机械制造技术员，主要从事弹簧制造及热处理技术工作，E-mail：zhutou_。通信作者：王大宏，高级工程师，金属材料及热处理主管技术员，主要从事航空金属材料零件失效分析、热处理工艺技术研究及过程 质量控制工作，E-mail：。表1故障销钉化学成分（质量分数）（%）元素CSPNMoCrNiMn标准值0.110.160.70.0300.050.102.32.814.015.54.05.00.51.0实测值件10.130.00420.0120.0862.5414.974.660.73件20.120.00550.0240.0912.6514.554.680.72件30.120.00550.0160.0912.6514.674.700.732023年 第9期 热加工102热 处 理Heat Treatment由表1可看出，3个样件化学成分检测结果均符合材料技术标准要求。2.2 热处理工艺与性能销钉的热处理工艺如下。1）淬火：加热温度10601070，保温50min，油淬。2）冰冷处理：-（705），保持时间2h，在空气中回复到室温。3）回火：加热温度（35010），保温24h，空冷。4）热处理后力学性能：抗拉强度为13501570MPa。2.3 性能检测方法采用Axio Scope5正置式电子显微镜对销钉端面裂纹进行观察和能谱分析，采用HR-150C型洛氏硬度计对销钉进行硬度检测，采用CDG-6000E型磁粉检测仪对销钉裂纹进行检测。3 试验结果与分析3.1 裂纹宏观观察及能谱扫描分析将故障销钉置于酒精容器内进行超声波清洗，在电镜下观察销钉端面裂纹形貌，如图1所示。裂纹局部区域EDS分层图像如图2所示。在裂纹及周边区域选取4点（见图3）进行能谱扫描，谱图元素重量百分比含量见表2。图1裂纹宏观形貌图3裂纹区域能谱点扫描位置图2局部裂纹EDS分层图像 表2谱图元素含量（质量分数）（%）元素FeCrNiMoMnO谱图174.3414.174.421.510.640.84谱图276.6714.794.481.330.760.19谱图389.603.961.000.074.330.36谱图466.6220.842.3204.172.933.2 硬度检测与金相组织分析对销钉端面非裂纹区域进行4点检测，后3点硬度检测结果分别为45HRC、44.5HRC、45HRC（通常在进行硬度检测时，由于试件接触面有多余物，会导致第一点硬度值不准，因此第一点硬度值不作为依据），硬度值满足材料热处理强化后抗拉强度Rm13501570MPa技术要求，参照GB/T 11721999黑色金属硬度及强度换算值，换算硬度为42.046.5HRC。沿销钉端面垂直裂纹方向剖开，制备金相试样，在Axio Scope5正置式金相显微镜下观察裂纹微观形貌及显微组织，如图4所示。从图4可看出，裂纹为典型的纵向裂纹，形貌较为平直，同时可见一条较短的非开口裂纹，开口裂纹和外锥面（见图4a右上部）有少许脱碳，金相组织均匀，为回火马氏体残留奥氏体少量碳化物，无网状碳化物2。裂纹是完整的金属在应力作用下，某些薄弱部位发生局部破裂而形成的一种极不稳定的缺陷2。淬火裂纹虽然分布没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。造成淬火开裂的根本原因是拉应力超过材料的断裂强度，或者应力虽未超过材料的断裂强度，但由于材料存在冶金质量2023年 第9期 热加工103热 处 理Heat Treatment缺陷，因此也会发生开裂3。常见的缺陷有元素偏析、夹杂及带状组织等。因此，对于裂纹产生原因应具体分析。在磁粉检测发现的5件销钉裂纹中，有4件未能通过电镜观察发现宏观裂纹，说明销钉存在浅表层非开口裂纹。显微镜下观察销钉端面裂纹的垂直剖面，发现的2条裂纹进一步佐证了这一点。而且，图片显示非开口裂纹中部较粗，两端延伸扩展不明显。由于裂纹大多源于应力最大区域，该裂纹产生处不存在棱角、截面突变等机械加工应力集中因素，故裂纹产生极有可能源于材料内部缺陷4。裂纹周边EDS分层图像显示基体元素分布均匀，手持式合金分析仪和力克碳硫分析仪显示非裂纹区域原材料成分合格。裂纹处点3和点4能谱扫描显示Cr、Ni、Mo、Mn合金元素含量（见表2）明显偏离材料技术标准要求，尤其作为杂质元素控制的Mn元素，其检测结果已远远偏离技术标准（wMn1%）要求，其他非裂纹区检测点1和点2则基本符合技术要求。热处理工艺条件下显然不能实现Cr、Ni、Mo、Mn等金属元素在局部位置的偏聚。真空淬火工艺记录曲线及基体非裂纹区域的金相组织、硬度检测结果表明，销钉热处理过程质量控制满足标准要求。图3中点4发白处氧元素含量达2.93%，以及销钉锥面发白（见图4a右上部），显示销钉热处理过程中略有氧化脱碳，说明裂纹在较低的回火温度下产生，这与1Cr15Ni4Mo3N钢的热处理特征极为符合。该钢在强化热处理过程中，其马氏体组织转变发生在冰冷处理过程，其后空气炉的低温回火主要目的在于消除组织应力。作为杂质元素控制的Mn在炼钢过程中是良好的脱氧剂和脱硫剂5。在钢的强化机制中，Mn与Ni具有相近似的作用，也能扩大相区，与Ni共同作用以稳定高温相奥氏体至室温6。电镜中显示材料裂纹处的Mn含量极大异常，这将致使该处微观组织中必然存在较多的奥氏体，而奥氏体组织力学性能还不足正常基体组织性能的一半，故材料在受到马氏体相变组织应力作用下，极易在元素偏聚的性能薄弱处开裂。4 结束语 综上所述，可得出以下结论。1）裂纹区域Cr、Ni、Mo、Mn合金元素含量明显偏离材料技术标准要求，超过技术标准要求的1%，而非裂纹区域合金元素含量在技术标准要求范围内，因此可断定，裂纹缺陷缘于材料内部Cr、Ni、Mo、Mn元素偏析。2）零件在淬火过程中，组织由奥氏体转变为少量马氏体大量残留奥氏体，少量的马氏体组织转变会产生部分组织应力，而材料合金元素的偏析，导致了应力集中，促使了裂纹的萌生。随后在冰冷处理过程中，组织中的残留奥氏体会向马氏体转变，该阶段是生成马氏体的主要过程，也将产生较大的组织应力，促使在淬火阶段萌生的裂纹扩展，因此裂纹主要形成于冰冷处理阶段。3）零件在真空状态下进行淬火时，表面不会发生氧化现象，而裂纹形成于冰冷处理阶段，随后在空气炉中进行回火，零件与空气接触的部位就会产生轻微氧化，也就形成了零件外表面及裂纹区域的氧化脱碳，因此局部脱碳发生于低温回火阶段。参考文献：1 李志，贺自强，金建军，等航空超高强度钢的发展M北京：国防工业出版社，20122 任颂赞，叶俭，陈德华金相分析原理及技术M上海：上海科学技术文献出版社，20133 张栋，钟培道，陶春虎，等失效分析M北京：国防工业出版社，20044 贺书奎，王广生，王峙南航空用高强度钢的氢脆问题J航空科学技术，1995（1）：9-125 中国特钢企业协会不锈钢分会不锈钢实用手册M北京：中国科学技术出版社，20036 朱张校，姚可夫工程材料M5版北京：清华大学出版社，201120230813a）裂纹形貌 b）显微组织 （M回A残少量碳化物）图4裂纹形貌及金相组织