05Cr17Ni4Cu4Nb固溶時(shí)效后表面污染分析

■ 袁 峰，黃小明

05Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，含有時(shí)效強(qiáng)化元素Cu、Nb，主要的強(qiáng)化相為富銅相，以及少量的B2A型金屬化合物（如Fe2Nb），其具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性、抗氧化性，適用于400℃以下工作的高強(qiáng)度耐蝕零件，如飛機(jī)、導(dǎo)彈的緊固件，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)的前后安裝邊和閥門部件等。

由于真空熱處理具有除氣、表面凈化、脫脂等一系列優(yōu)點(diǎn)，故公司采用真空油淬處理05Cr17Ni4Cu4Nb材料制造的緊固件，時(shí)效在空氣爐中進(jìn)行。但前期使用普通淬火油固溶時(shí)效處理后，易在表面出現(xiàn)白亮層組織，白亮層的存在會(huì)影響產(chǎn)品的耐蝕性及耐磨性等，容易形成疲勞源，降低產(chǎn)品的使用壽命，引起構(gòu)件的提前失效斷裂。后將淬火油改為KR328，該問題得到改善。

采用真空油淬（普通淬火油和KR328）、真空氣淬的對(duì)比，分析產(chǎn)生白亮層的影響因素；通過檢測(cè)表面白亮層與心部顯微維氏硬度，分析表面白亮層與心部硬度差別；做白亮層及心部化學(xué)成分與能譜分析，定性并定量分析白亮層組成元素。

1. 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。試驗(yàn)材料采用尺寸為φ26mm×500mm的05Cr17Ni4Cu4Nb，原材料為退火態(tài)，技術(shù)條件為GB/T1220。

將試驗(yàn)材料05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分為3批，分別裝入HZR—50型真空油淬-氣淬爐中升溫到800℃預(yù)熱2h，真空度保持在1.33～13.3Pa，隨后加熱至1040℃保溫1h結(jié)束后分別進(jìn)行真空油淬（第一批為普通真空淬火油，第二批為KR328）和真空氣淬，再在RXF6-60×45×40空氣回火爐中630℃時(shí)效4h。用Imager.ALM顯微鏡觀察真空油淬、真空氣淬后材料金相組織表面層狀況，測(cè)量白亮層厚度。使用HVS-1000型顯微維氏硬度計(jì)分別檢測(cè)表面白亮層、過渡段、心部的硬度。收集表面白亮層與心部的屑沫，通過Optima 7000DV型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀分析判斷白亮層組織與心部正常組織化學(xué)元素的差別。借用QUANTAX100型BRUKER能譜分析儀定性分析材料表面白亮層與心部正常組織的化學(xué)成分。

圖1 不同熱處理方式對(duì) 05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影響

表1 試驗(yàn)設(shè)備

表2 棒材熱處理后白亮層組織與心部組織硬度

2. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）不同熱處理方式對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb表面污染的影響 圖1為冷卻方式不同的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材經(jīng)過固溶處理+630℃4h時(shí)效處理后的顯微組織。

圖1a為HZR-50型號(hào)真空油淬（采用KR328）+630℃時(shí)效處理后的顯微組織；圖1b為采用HZR-50型號(hào)真空氣淬+630℃時(shí)效處理后的顯微組織；圖1c為采用HZR-50型號(hào)真空油淬（采用普通淬火油）+630℃時(shí)效處理后的顯微組織，圖1d為采用HZR-50型號(hào)真空油淬（采用普通淬火油）+630℃時(shí)效處理+酸洗+噴砂后的顯微組織。圖1表明：真空氣淬和KR328油淬處理的棒材均沒有表面污染，普通淬火油油淬處理的棒材有0.04mm表面污染層，白亮污染層均勻一致，且與基體結(jié)合緊密、耐磨性較好。

（2）05Cr17Ni4Cu4Nb白亮層與心部硬度 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h時(shí)效處理后測(cè)定棒材白亮層與心部的顯微維氏硬度，結(jié)果如表2、圖2所示。

表2表明：白亮層與過渡層的硬度均比心部高，白亮層硬度高出心部60HV0.05，過渡層硬度高出心部25HV0.05。

（3）化學(xué)成分分析 棒材采用普通淬火油油淬+630℃4h時(shí)效處理后噴砂去除表面氧化皮，用銑床銑05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面污染層，銑入深度不大于0.1mm。收集白亮層表面與心部屑沫，按GB223分別對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示。

表3表明：05Cr17Ni4Cu4Nb棒材心部組織的化學(xué)成分符合GB1220的要求，而表面白亮層的wC為0.37%，不符合GB1220的要求，其他合金元素含量均滿足GB1220。

（4）能譜分析 05Cr17Ni4Cu4Nb棒材采用普通淬火油真空油淬后表面白亮層厚度僅為0.04mm，銑床銑白亮層做化學(xué)分析時(shí)，銑入的深度并不能保證小于0.04mm，必然帶入非白亮層的正常組織，從而影響判斷結(jié)果，故而借用能譜分析定量分析其元素具體含量，結(jié)果得知：05Cr17Ni4Cu4Nb白亮層wC為0.91%，不符合GB1220，合金元素含量均符合GB1220，非白亮層正常組織化學(xué)元素均符合GB1220。

表3 棒材表面組織與心部組織的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. 討論與分析

本文通過對(duì)05Cr17Ni4Cu4Nb棒材分別采用普通淬火油、KR328、氣淬火，白亮層僅出現(xiàn)在普通淬火油油淬過程中。對(duì)白亮層做化學(xué)成分分析，得出白亮層的碳含量比心部高，表明白亮層是由于油淬時(shí)瞬時(shí)滲碳導(dǎo)致的，且白亮層的wC為0.91%。

05Cr17Ni4Cu4Nb棒材在真空高溫加熱時(shí)，經(jīng)真空凈化作用，使其表面處于活化狀態(tài)，當(dāng)其棒材在1040℃時(shí)于油中淬火，溫度降至900～1000℃的瞬間，熾熱的棒材會(huì)使由C、H、O組成的有機(jī)化合物真空淬火油發(fā)生熱裂解。普通淬火油在與活性的05Cr17Ni4Cu4Nb棒材表面接觸瞬間，將形成薄而致密的、包圍著工件的油蒸氣外套，其裂解的有機(jī)化合物（如CH4、CO）將分解并析出濃度高和傳播特性快的活性碳原子，而05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含碳量很低，且含有大量的Cr、Nb均為碳化物形成元素，有利于增大鋼表面的吸收碳原子能力，增大滲層中的碳含量。同時(shí)05Cr17Ni4Cu4Nb棒材含有大量的Ni、Cu，能增加碳原子在基體中的擴(kuò)散速度，故而棒材表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的滲碳結(jié)果。但同時(shí)專業(yè)的真空專用淬火油（比如KR328）其本身具備極低的飽和蒸汽壓這項(xiàng)性能，在真空度環(huán)境下，其產(chǎn)生的油蒸氣極少，不利于形成油蒸氣外套，從而在工件表面不能產(chǎn)生足夠的活性碳原子，滲碳條件不滿足。

金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)表面白亮層中的晶界不易腐蝕，用硝酸酒精、苦味酸、鹽酸苦味醇酸和飽和苦味酸進(jìn)行腐蝕均呈白色。經(jīng)顯微硬度測(cè)量，表面硬度和過渡層硬度比心部略高，而表面碳含量比心部高很多，表面碳含量高，Ms點(diǎn)低，殘留奧氏體含量將增多，說明白亮層主要是由含碳量較高并具有回火穩(wěn)定性的奧氏體及少量馬氏體、碳化物及合金化合物等所組成。

圖2 白亮層與心部組織顯微維氏硬度

4. 結(jié)語

（1）05Cr17Ni4Cu4Nb棒材1040℃采用普通淬火油真空油淬時(shí)，因其無法滿足真空專用淬火油（如KR328）極低的飽和蒸氣壓特性，淬火時(shí)在工件表面易形成油蒸氣外套，因發(fā)生熱裂解為活性碳原子，并隨即被工件吸收而產(chǎn)生滲碳作用的結(jié)果，表面產(chǎn)生0.04mm白亮層組織，且白亮層組織均勻一致，與基體組織沒有明顯的過渡區(qū)。

（2）白亮層主要是由含碳量高并具有回火穩(wěn)定性的奧氏體及少量馬氏體、碳化物等所組成，硬度比心部高50HV0.05，白亮層wC為0.91%。

（3）因普通淬火油無法滿足真空狀態(tài)下油品的相關(guān)性能，為確保工件淬火質(zhì)量，建議真空油淬選擇專用的真空淬火油（如KR328）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮慎田，桂治斌，等.中國(guó)航空材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2] 包耳，田紹潔.真空熱處理[M]. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[3] 胡光立，謝希文.鋼的熱處理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.