1 前言
0Cr7Ni7Al是以18-8CrNi为基础发展起来的奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢,又称为控制相变不锈钢,与之相近的国外牌号有美国的17-7PH。0Cr7Ni7Al不锈钢固溶处理后为不稳定的奥氏体组织,有良好的塑性、韧性与加工性能,经过调整,使奥氏体析出碳化物后成分发生变化,再经过马氏体转变处理,大部分组织转变为韧性较好的低碳回火马氏体,具有良好的中温力学性能和耐蚀性,优于一般马氏体不锈钢,一般用于制造弹簧、热圈等。本文针对某0Cr7Ni7Al螺母支架在装配过程中,在支架两端最大弯折处出现裂纹,并对其进行了分析。
该批次螺母支架的加工工艺为:下料—冲裁—热处理—喷砂—安装,在与螺母安装过程中,在最大弯折处发现裂纹,裂纹沿纵向延伸,具体如图1所示。
(a)15x 弯折最大处 裂纹 (b)45x 裂纹形貌
图1 弯折最大处裂纹形貌
2 理化分析
2.1 化学成分分析
针对该批次螺母支架,进行了电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)化学元素分析,具体结果见表1。
表1 材料化学成分(质量分数%)
条件 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Al |
标准值 | ≤0.09 | ≤1.00 | ≤1.00 | ≤0.035 | ≤0.025 | 6.50~7.75 | 16.0~18.0 | 0.75~1.50 |
实测是 | 0.07 | 0.86 | 0.92 | 0.031 | 0.022 | 7.13 | 17.35 | 1.16 |
从表1主要化学成分含量中可以看出:该批次材料成分符合GJB3321-98《航空用不锈钢冷轧弹簧带规范》对0Cr17Ni7Al钢成分的要求。
2.2 机械性能分析
对该批次螺母支架进行力学性能试验,试验结果见表2。
表2 螺母支架力学性能
序号 | 实测值(HV5) | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
标准值 | ≥329HV | 390 | 392 | 387 | 391 | 391 |
从表2螺母支架力学性能中可以得出:该批次螺母支架硬度值一致性较好,最大与最小值仅仅相差4HV,数据均满足标准要求。
2.3 显微组织分析
对该批次螺母支架进行显微组织、非金属夹杂物、晶粒度、金属流线等金相分析。
图(a)500x 纵向 图(b)500x 横向
图2 显微组织
图2为该批次螺母支架显微组织,从图中可以看出:图(a)为500x纵向显微组织,图(b)为500x横向显微组织,二者组织均为低碳马氏体上沉淀析出的金属化合物强化相,均为正常的固溶时效组织。
图(a)200x 纵向 图(b)200x 横向
图3 螺母支架晶粒度
图3为螺母支架晶粒图片,从图中可以看出:图(a)为200x纵向晶粒度,依据GB6394晶粒度评级为8级;图(b)为200x横向晶粒度,晶粒度为8级。该批次螺母支架的横向与纵向晶粒不存在差异及混晶情况,该批次螺母支架晶粒较细,有利于材料冷变形。
图(a)100x 横向 夹杂物 图(b)100x 纵向 夹杂物
图4 螺母支架非金属夹杂物
图4为螺母支架非金属夹杂物图片,从图中可以看出:非金属夹杂物以硫化物为主,存在较少的球状氧化物颗粒,依据GB/T 10561《钢中非金属夹杂物显微评定方法》,可评为A类细系1级,符合材料标准要求。且螺母支架在弯时,弯折方向垂直于板材轧制方向,应降低了产生弯折裂纹的倾向。
对开裂螺母支架表层显微组织分析,具体如图5所示。
图(a)100x 弯折最大处 未腐蚀 图(b)100x 弯折最大处 显微组织
图(c)100x 直边 图(d)500x 直边
图5 开裂螺母支架显微组织
图5显示了开裂螺母支架表层显微组织,从图中可以看出:图(a)为最大弯折处的100x形貌;图(b)为最大弯折处显微组织形貌,表层存在白亮层,且裂纹深度基本与白亮层深度保持一致;图(c)为100x开裂螺母支架直边外侧,表层存在较为明显的白亮层;图(d)为500x下白亮层形貌,白亮层上晶界较为明显,且边缘存在显微裂纹。
2.4 原材料分析
对该批次0Cr17Ni7Al原材料表面状态及显微组织分析。具体如图6所示。
图(a)表面裂纹 45x 图(b)表层微观组织 500x
图6 原材料表面裂纹及微观组织
图6显示了该批次原材料表面裂纹及表层显微组织。由图可知:原材料表面存在裂纹,且表层存在细密的白亮层组织,次表面奥氏体晶界显示较为清晰。
3 分析与讨论
该批次螺母支架在与螺母体组合安装过程中,裂纹主要产生于大变形区弯角处。对支架显微组织进行分析,弯角处存在白亮层组织,且未弯折处表面也存在白亮层组织,次表面奥氏体晶粒显示较为明显,内部为正常的固溶、时效组织。对原材料表面状态和显微组织分析,原材料表面存在小裂纹,裂纹之间呈水平方向,裂纹延伸方向与磨削方向基本垂直。原材料表面存在白亮层,组织呈细针状与内部存在较大差别。
分析原材料工艺,该原材料固溶处理后经过磨光工序。由于0Cr17Ni7Al固溶处理后为奥氏体组织,在经磨光过程中,由于表面磨削热较大,在随后的急速冷却过程中,表层组织发生马氏体相变,而形成磨削裂纹,不同裂纹之间呈平行分布,裂纹延伸方向与磨削方向垂直或接近垂直。
4 结论
该批次螺母支架安装开裂原因为产原材料在固溶后磨光过程中,由于冷却不足所产生的磨削烧伤及微裂纹。由于裂纹较小,在原材料入厂复验时未发现,后续螺母支架安装时,在最大弯折处发生开裂现象。为了杜绝类似问题再次发生,应从以下两个方面进行:
1、原材料在磨光过程中,应加强冷却效果,以免产生磨削烧伤;
2、加强原材料入厂质量检测,必要时进行弯曲试验,检查表面是否存在微裂纹。
作者简介:朱李云,空军驻郑州某军代室;周忠华,空军某装备研究院情报所;许永春、程全士、冯德荣、周春勋,河南航天精工制造有限公司。
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