1Cr17Ni2不锈钢轴扩口破裂原因分析

李玉生，郭和平，王 莹，寇新平

(新乡航空工业(集团)有限公司，河南 新乡 453049)

0 引言

1Cr17Ni2钢是一种用途广泛的马氏体-铁素体不锈钢，它是在Cr17型不锈钢的基础上添加1.5%～2.5%Ni而发展起来的[1]，其特点是在保留铁素体不锈钢耐蚀性的同时，又具有马氏体不锈钢的高强性。该钢具有较好的耐蚀性、热强性和冲击韧性，是制造应用于较高温度下轴、销、螺栓等部件的专用材料，在航空、船舶、机械等领域应用广泛。而1Cr17Ni2钢制零件出现失效案例常见文献[2-3]报道，采用1Cr17Ni2不锈钢制销轴在扩口时常出现批次性的纵向破裂现象。

采用φ16 mm、φ20 mm规格的1Cr17Ni2圆钢制作销轴，轴的一端需要扩口(一种为外圆φ5.3 mm、内圆φ3.1 mm，扩口至外圆大于φ5.8 mm；另一种为外圆φ6.3 mm、内圆φ4.5 mm，扩口至外圆大于φ6.8 mm)。加工工序为：机加成型→热处理→扩口。其中热处理工艺为：980 ℃保温50 min后油冷淬火，520 ℃回火保温100 min后油冷。

本研究通过对多批次1Cr17Ni2钢的化学成分、力学性能、金相组织进行对比分析，主要探讨影响销轴扩口批次性破裂的主要影响因素，从而为解决此类质量问题提供借鉴。

1 试验过程与结果

1.1 材料分析

对入厂复验合格的4个批次1Cr17Ni2钢棒的化学成分进行复验。材料中合金元素含量均符合标准要求。

4个批次的1Cr17Ni2钢棒力学性能及低倍组织入厂时均符合标准要求，Rm为1 246～1 440 MPa，力学性能按GJB 2294—1995推荐的工艺[4]进行热处理(980 ℃保温60 min后油冷淬火，300 ℃回火保温120 min后空冷)。

1.2 扩口试验

对4个批次的1Cr17Ni2钢棒进行扩口试验，试验结果见表1，其中H14-106、H17-23批次出现批次性破裂，H12-108、H14-109批次通过扩口试验。

表1 扩口试验结果Table 1 Results of expanding test

1.3 金相组织观察

对4个批次的原材料及其热处理后的金相组织进行观察，结果见图1、表2。图1中黑色组织为气孔或疏松及其变形组织。图1a组织为回火索氏体+δ-铁素体，可见较多的黑色组织，并且黑色组织呈条带状，δ-铁素体量呈聚集的条带状；图1b中有极少量的黑色组织，黑色组织呈圆形、椭圆形，未形成黑色条带且δ-铁素体量较少，只有一条孤立的宽度为5～6 μm的δ-铁素体带；图1c中有极少量的呈圆形、椭圆形的黑色组织，未形成黑色条带，有多条宽度1～2 μm的δ-铁素体带，δ-铁素体呈链状，组织为粒状珠光体+δ-铁素体的退火态组织；图1d中有极少量的黑色组织，呈圆形、椭圆形，未形成黑色条带，δ-铁素体含量较高，有多条宽度10～20 μm粗大的δ-铁素体带，组织为回火索氏体+δ-铁素体的淬回态组织。

表2 金相检测结果Table 2 Results of metallographic examination

注：%-面积百分比

图1 各批次1Cr17Ni2钢金相组织Fig.1 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steel

2 试验验证

1)SAE51431材料扩口试验。采用进口材料SAE51431(等效于国产1Cr17Ni2不锈钢)2批进行扩口试验，未出现纵向破裂现象。金相组织如图2所示，为回火索氏体，δ-铁素体量极少，气孔含量较少，组织均匀。说明控制钢材冶金质量和-铁素体含量，能有效防止扩口试验出现纵向破裂现象。

图2 SAE51431钢棒金相组织Fig.2 Metallographic structure of SAE51431 stainless steel

2)气孔含量高的材料扩口试验。采用感应电炉冶炼1Cr17Ni2不锈钢，浇注成φ80 mm的钢锭，锻打轧制成φ27 mm的钢棒，经热处理后进行扩口试验，结果出现不同程度的纵向破裂。金相组织为回火索氏体，δ-铁素体量极少，组织较均匀，气孔含量高(图3)。

图3 气孔含量高的1Cr17Ni2钢金相组织Fig.3 Metallographic structure of 1Cr17Ni2 stainless steelwith high content of blowholes

3)热处理次数对δ-铁素体量的影响。对H17-23批次的1Cr17Ni不锈钢进行热处理(980 ℃保温50 min后油冷淬火)，原材料铁素体含量约12%，3次热处理后，铁素体含量约30%，说明δ-铁素体量会随着热处理次数增加而长大(图4)。

图4 H17-23批次 的1Cr17Ni2钢热处理后的金相组织Fig.4 Metallographic structure of the 1Cr17Ni2 stainless steelwith H17-23 batch number after heat-treated

3 分析与讨论

1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口时出现纵向破裂的影响因素较多，与原材料质量、热处理工艺、扩口工艺、操作者操作水平等均有关，但出现批次性纵向破裂应与原材料质量和热处理工艺有关。试验的4个批次原材料入厂复验均合格，但有2个批次扩口时出现了批次性纵向破裂。金相组织检查表明：出现批次性纵向破裂的H14-106批次材料黑色组织和δ-铁素体含量均较高； H17-23批次材料δ-铁素体含量高；没有出现纵向破裂的2个批次的金相组织中黑色组织少，δ-铁素体含量低，且细小、均匀。对进口SAE51431的2批次材料进行扩口试验，未出现纵向破裂现象，金相组织检查表明其黑色组织少，δ-铁素体含量很低，说明扩口时出现批次性纵向破裂与材料本身质量有极大关系。

钢材的冶炼方法和铸造工艺均会影响钢材冶金质量。钢材轧制时，钢材内部的气孔或疏松会沿轧制方向变形而形成条带，在金相检查试样腐蚀后呈现黑色组织，这些黑色组织割裂了基体金属的连续性，在扩口变形时容易沿黑色组织开裂造成纵向破裂。因此，采用双联冶炼，在炼钢和浇注过程中采取各种工艺措施，尽可能降低钢中气体含量来保证冶金质量，是防止1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口时出现批次性纵向破裂的有效措施之一。

1Cr17Ni2马氏体不锈钢淬火+高温回火后的金相组织主要为回火索氏体+δ-铁素体，1Cr17Ni2钢中δ-铁素体为富含Cr的脆性相，它的存在一方面造成组织成分的不均匀，另一方面破坏了基体金属的连续性，从而使钢的韧性降低[5-7]，在扩口时，随着材料变形增大，容易沿两相交界形成裂纹产生纵向破裂；因此，冶炼时控制Cr、Ni、C含量来控制1Cr17Ni2钢中δ-铁素体含量。降低δ-铁素体含量，以及加大钢材的锻压比(轧制比)，使钢棒中δ-铁素体细小、均匀，均能有效地增加钢材的韧塑性，来保证在扩口时不发生批次性纵向破裂。

零件热处理后的δ-铁素体含量与钢材供应状态δ-铁素体含量有关，也与热处理工艺有关。根据GJB 2294—1995《航空用不锈钢及耐热钢棒规范》要求，1Cr17Ni2钢入厂检验项目为化学成分、力学性能、低倍组织，并不检验钢中δ-铁素体含量。而零件在扩口时，钢材的冶金质量和δ-铁素体含量、形态对扩口性能影响更甚。AMS 5628F《Steel, Corrosion-Resistant, Bars, Wire, Forgings, and Tubing 16Cr-2.5Ni (SAE 51431)》对δ-铁素体含量和分布有明确规定(δ-铁素体≤4%，δ-铁素体形态≤2级)。因此，对钢材韧塑性要求高的1Cr17Ni2钢材，应参考AMS 5628F对δ-铁素体含量的要求进行控制。

热处理工艺对1Cr17Ni2钢组织及性能的影响已有大量文献报道[8-11]，而关于影响1Cr17Ni2钢中δ-铁素体含量因素的文章也有文献报道[12]。本研究试验表明：标准推荐的热处理制度并不能有效降低钢中粗大条状δ-铁素体含量，而且多次淬火可能会增加δ-铁素体含量；因此，对需要韧塑性高的1Cr17Ni2钢不得进行多次淬火。

4 结论与建议

1)1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口出现批次性纵向破裂与钢的冶金质量有极大关系。

2)1Cr17Ni2马氏体不锈钢扩口出现批次性纵向破裂与钢中δ-铁素体含量及形态有极大关系。

3)多次淬火可使1Cr17Ni2不锈钢中δ-铁素体含量增加。

4)采用双联冶炼来保证1Cr17Ni2钢材冶金质量，以及通过冶炼时控制Cr、Ni、C含量，来控制钢中δ-铁素体含量，加大钢材的锻压比，使钢棒中δ-铁素体细小、均匀，可有效防止1Cr17Ni2 不锈钢轴在扩口时出现批次性破裂现象。