曾會(huì)書

(廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東512031)

1Cr18Ni9Ti不銹鋼鍛件表面裂紋分析

曾會(huì)書

(廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東512031)

用1Cr18Ni9Ti不銹鋼試制吊鉤時(shí)，發(fā)現(xiàn)吊鉤表面存在鍛造裂紋。采用光譜分析、金相檢驗(yàn)等分析手段對(duì)裂紋進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該批不銹鋼材料由于合金元素配比不合理以及冶煉工藝不當(dāng)，使得材料中存在較多δ鐵素體和聚集分布的TiN夾雜物，兩者的迭加影響導(dǎo)致吊鉤表面產(chǎn)生裂紋。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼；吊鉤；δ鐵素體；TiN夾雜物；裂紋

某公司開發(fā)一種不銹鋼吊鉤，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti。在試制時(shí)發(fā)現(xiàn)全部吊鉤均存在表面裂紋，裂紋深度約0.3 mm，主要分布在吊鉤柄部和彎鉤處，沿流線方向擴(kuò)展，如圖1所示。該批吊鉤的生產(chǎn)工藝流程為：下料→檢測(cè)→加熱、預(yù)鍛→空冷→加熱、模鍛、切邊→空冷→打磨、拋丸→檢測(cè)→固溶處理。在拋丸后檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分

在吊鉤柄部取樣進(jìn)行光電直讀光譜分析，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。

圖1 吊鉤及裂紋宏觀形貌Figure1 Macro morphologies of the lifting hook and its crack

表1 吊鉤化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of hook (mass fraction, %)

圖2 TiN夾雜物Figure 2 TiN inclusions

圖3 TiN夾雜物Figure 3 TiN inclusions

圖4 吊鉤中的α相(300×)Figure 4 α- phase in the hook(300×)

圖5 原材料中的α相(300×)Figure 5 α- phase in the material(300×)

1.2 金相檢驗(yàn)

在吊鉤柄部取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，經(jīng)拋光后發(fā)現(xiàn)有較多TiN夾雜物，且呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布。根據(jù)GB/T10561—2005[1]評(píng)定其非金屬夾雜物為：A：0.5，BTiN>3.0，C：0，D：1.0，見圖2、圖3。經(jīng)浸蝕后觀察發(fā)現(xiàn)存在較多鐵素體，呈鏈狀、針狀和網(wǎng)狀分布，其顯微組織為奧氏體+鐵素體，晶粒度5.0級(jí)。根據(jù)GB/T13305—2008[2]評(píng)定其α相面積含量>2.0級(jí)，見圖4。對(duì)原材料進(jìn)行α相面積測(cè)定，其α相面積含量>2.0級(jí)，見圖5。

2 分析與討論

綜上分析，原材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但在原材料及吊鉤中均發(fā)現(xiàn)有大于2.0級(jí)的α相以及呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布的TiN夾雜物存在。

2.1 α相的形成及影響

鉻-鎳不銹鋼中α相的形成及含量與各種因素有關(guān)，如化學(xué)成分、熱處理、冷熱加工、成型、焊接等等[3]，化學(xué)成分是其中決定性因素。本批吊鉤材料雖然各元素含量都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，但鋼中不僅含有較高的殘余強(qiáng)鐵素體形成元素Mo，而且奧氏體形成元素Ni含量靠近下限。鋼中α相級(jí)別隨著鎳含量的升高而降低，隨著鉻含量的升高而升高[4]。通常根據(jù)材料的化學(xué)成分計(jì)算其鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，然后利用Schaeffler圖預(yù)測(cè)其組織結(jié)構(gòu)[5]。將本批1Cr18Ni9Ti材料的成分代入鉻、鎳當(dāng)量計(jì)算公式：

圖6 利用Schaeffler圖預(yù)測(cè)吊鉤材料的組織Figure 6 Material structure of the hook predicted by the schaeffler diagram

Cr當(dāng)量=Cr+Mo+1.5×Si+0.5×Nb=18.49%

Ni當(dāng)量=Ni+30×C+0.5×Mn=10.94%

從Schaeffler圖查得其組織為奧氏體+10%鐵素體，如圖6所示。對(duì)于鉻- 鎳奧氏體不銹鋼，為保證自高溫快冷后鋼的組織是單相的奧氏體，鎳的含量應(yīng)大于下列經(jīng)驗(yàn)公式所給出的數(shù)值[6]：Ni≥1.1×(Cr+Mo+1.5×Si+1.5×Nb)-30×C-0.5×Mn-8.2。根據(jù)本批材料的合金元素含量計(jì)算，Ni≥9.45%才能保證得到單純的奧氏體組織，而本批材料中鎳含量為8.25%，顯然偏低很多?？梢娪捎阪嚭科孪蕖i當(dāng)量偏低而使組織中出現(xiàn)δ鐵素體。材料中α相面積含量根據(jù)理論計(jì)算[7]：α相級(jí)別=1.0×Si+0.5×Cr+1.64×Ti-10.86×C-0.29×Ni-0.08×Mn-4.64=2.399≈2.4，與實(shí)測(cè)相吻合。這說明材料中出現(xiàn)較多α相是由于其合金元素配比不合理，鎳含量及鎳當(dāng)量偏低以及含有較高的殘余強(qiáng)鐵素體形成元素Mo所造成的。

鐵素體相與奧氏體基體之間化學(xué)成分、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性存在差異，在變形時(shí)變形流動(dòng)性能也不一樣，因此鐵素體的出現(xiàn)給奧氏體不銹鋼帶來諸多不利影響，尤其使其熱塑性顯著降低，熱加工產(chǎn)生裂紋的傾向性增大[8]。有研究表明，當(dāng)1Cr18Ni9Ti鋼中(Cr+3.28×Ti)/Ni≤2.0，計(jì)算α相級(jí)別≤2.3時(shí)可獲得良好的表面質(zhì)量[9]。而對(duì)于在熱加工工序中塑性變形大的工件，對(duì)其δ鐵素體含量要求更嚴(yán)，應(yīng)控制在7%以內(nèi)[10]。在拉應(yīng)力較大的鐓粗、沖孔等工序中，δ鐵素體含量>1級(jí)(5%)就可能出現(xiàn)裂紋[11]。而本批吊鉤材料(Cr+3.28×Ti)/Ni≈2.3，計(jì)算α相級(jí)別≈2.4，δ鐵素體含量>12%，因此在鍛造時(shí)很容易產(chǎn)生表面鍛造裂紋。

2.2 TiN夾雜物的形成及影響

TiN夾雜物是含Ti不銹鋼中的主要夾雜物，其形成和分布主要與澆注工藝和方法密切相關(guān)，其次與鋼中含Al也有關(guān)系。如果未采取有效的保護(hù)澆注措施，鋁極易被二次氧化形成Al2O3夾雜物，并成為TiN形核長(zhǎng)大的核心。TiN夾雜物在上浮過程中不斷長(zhǎng)大，容易與Al2O3夾雜物形成夾雜物群聚集分布[12]。

鋼中加Ti的目的是為了抑制(Cr,Fe)23C6在晶界上析出，消除晶間腐蝕傾向。當(dāng)Ti元素以TiN夾雜物大量析出且聚集分布時(shí)，對(duì)材料主要產(chǎn)生兩方面的危害：一方面由于Ti元素與N元素結(jié)合析出，使C元素?zé)o法或僅有少量與Ti結(jié)合，致使晶間腐蝕傾向增大[13]，同時(shí)TiN夾雜物本身也使得材料的抗腐蝕能力降低；另一方面，TiN夾雜物是脆性相，硬度高，呈棱角狀，易聚集分布，破壞了鋼材的連續(xù)性并造成應(yīng)力集中，降低了鋼材的塑性、韌性和抗疲勞性能，在外力作用下容易成為裂紋源[14]。

3 結(jié)論

本批吊鉤材料由于合金元素配比不合理，鎳含量及鎳當(dāng)量偏低以及含有較高的殘余強(qiáng)鐵素體形成元素Mo，使得材料中存在較多δ鐵素體，是其產(chǎn)生表面鍛造裂紋的主要原因。而材料中呈鏈狀、網(wǎng)狀聚集分布的TiN夾雜物，不僅對(duì)這批吊鉤的鍛造裂紋產(chǎn)生了迭加影響，而且將影響其抗腐蝕能力。

[1] GB/T10561—2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定- 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法[S].

[2] GB/T13305—2008.不銹鋼中α- 相面積含量金相測(cè)定法[S].

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編輯 杜青泉

Analysis on Surface Crack of 1Cr18Ni9Ti Stainless Steel Forgings

ZengHuishu

When 1Cr18Ni9Ti stainless steel hook is carried out trial manufacturing, hook surface is found forging crack. The crack is analyzed by spectral analysis, metallographic test. The results show that there are many δ ferrite and the clumped TiN inclusions in the material because the unreasonable proportion of the alloy elements in the batch of stainless steel materials and improper smelting process, which superposed influence causes the crack on hook surface.

1Cr18Ni9Ti stainless steel；lifting hook; δ- ferrite; TiN inclusion; crack

2013—12—13

曾會(huì)書(1971—),男，工程師，主要從事金相分析、失效分析和熱處理工藝研究。

TG316.1+92

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