摘 要:某批２０Cr２Ni４鋼制打擊罩硬度出現異常,導致機加工刀具壽命嚴重降低.通過宏觀分 析、化學成分分析、硬度分析和金相檢驗等方法對打擊罩異常件和正常件進行了對比分析.結果表 明:該鋼熱加工后產生了硬度較高的粒狀貝氏體,后續正火＋高溫回火熱處理可以使粒狀貝氏體分 解從而降低產品硬度;異常件為未經熱處理的產品,其奧氏體晶粒粗大,硬度偏高,從而導致刀具損 壞嚴重.建議產品分類擺放,加強現場管理和監控力度.
關鍵詞:２０Cr２Ni４鋼;打擊罩;奧氏體;熱處理;粒狀貝氏體
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８５０Ｇ０３
２０Cr２Ni４鋼屬于高強度合金滲碳鋼,具有良好 的綜合力學性能,強韌性和淬透性均超過１２CrNi３ 鋼.該鋼制成的某批打擊罩產品在機加工時,刀具 直接崩壞,刀具材料為 YT５合金,正常壽命為２００ 件.為查明該批產品異常的原因,筆者對其進行了 一系列理化檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
打擊罩為圓柱型,中間通孔,形狀較規則,其宏 觀形貌見圖１.
在 打 擊 罩 異 常 件 和 正 常 件 下 端 各 截 取 長 約２０mm的試樣進行金相檢驗及化學成分分析,硬度 檢測點為產品表面,如圖２所示.
１．２ 化學成分分析
打擊罩的化學成分分析結果見表１.可見異常 件和 正 常 件 均 符 合 GB/T３０７７－２０１５«合 金 結 構 鋼»對２０Cr２Ni４鋼的技術要求且兩者各元素含量 相差不大.
１．３ 硬度分析
該批產品共退回３１件,使用布氏硬度計測試其 硬度,壓 頭 直 徑 為 ５ mm,試 驗 力 為 ７ ３５０ N (７５０kgf),保持時間為３０s,發現合格件有１６件, 硬度在１８５~２２０HB之間;不合格件有１５件,硬度 在２８０~３２０HB之間.可見打擊罩硬度過高是導 致加工刀具直接崩壞的主要原因[１Ｇ３].
１．４ 金相檢驗
圖３ 正常件與異常件的顯微組織將從正常件和異常件上截取的試樣經磨拋和 ４％(體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕后,采用 AxioVert A１型光學顯微鏡觀察其顯微組織,如圖３所示.可以看出,正常件與硬度異常件的顯微組織均為鐵素 體＋珠光體＋粒狀貝氏體,且貝氏體的形態相似.
２ 分析與討論
異常件的化學成分符合標準要求,但硬度值偏 高,初步認定該批打擊罩異常件為鍛后未熱處理或 者正火后未回火混料.為進一步確定異常件的具體 狀態,采用實驗室馬弗爐對其進行不同工藝的熱處 理.正火工藝為８８０ ℃保溫２h后空冷,高溫回火 工藝為(６６０±１０)℃保溫３h.硬度和金相檢驗試 樣取圖２所示的相同位置.由表２可以看出,異常 件的硬度比正火件的略高,和鍛后空冷件的相近. 推測該異常件為鍛后空冷未正火件.
從圖４可以看出,該打擊罩異常件和鍛后空冷 件晶粒尺寸均較大,而經實驗室正火后晶粒明顯減 小,說明異常件為鍛后未正火件.
打擊罩經鍛后空冷或實驗室正火處理后的顯微 組織相同,均為珠光體＋粒狀貝氏體＋鐵素體[４]. 而經實驗室正火＋高溫回火后,鐵素體上均勻分布 著大量碳化物,這些碳化物是粒狀貝氏體的分解產 物,見圖５.粒狀貝氏體的分解,可以使打擊罩的硬 度降低[５].
２０Cr２Ni４鋼在熱加工過程中易形成粒狀貝氏 體,亦稱島狀貝氏體,它是過冷奧氏體在貝氏體轉變 溫度區最上端的轉變產物,其特征為塊狀或條狀鐵 素體內分布著眾多島狀復相組織(高碳奧氏體區). 富碳奧氏體區既可以分布于鐵素體晶粒內,也可分 布于鐵素體晶界上[６].粒狀貝氏體中的島狀富碳奧 氏體在繼續冷卻過程中,隨著冷卻條件和過冷奧氏 體穩定性不同,可發生３種情況的變化,一是部分或 全部轉變為鐵素體和碳化物;二是部分轉變為馬氏 體,這種馬氏體含碳量很高,呈片狀,與殘余奧氏體 組成的島狀組織用“MＧA”表示;三是富碳奧氏體全部殘留下來.其中,部分轉化為馬氏體,形成島狀組 織的情況是最常見的.
由圖６中２０Cr２Ni４鋼的 C 曲線可知[７],在加 熱過程中,鉻、鎳和微量鉬元素能溶于奧氏體中,使 得 C曲線右移.對照正常 C曲線,以一定速度v 空 冷,得到的組織是珠光體＋鐵素體;如果鉻、鉬、鎳等 合金元素含量偏高,C曲線右移,仍按照此前的速度 v 冷卻,則會產生粒狀貝氏體組織.
對于 ２０Cr２Ni４ 鋼或類似材料,鉻等能夠提高 淬透性的合金元素含量偏高是促進粒狀貝氏體形成 的原因.后續正火＋高溫回火是為了使粒狀貝氏體 分解,降低硬度,從而獲得良好的切削性能[８Ｇ９].
３ 結論及建議
(１)該批硬度異常的打擊罩零件為鍛后空冷未 正火件,熱加工過程中出現的粒狀貝氏體使得產品 硬度較高.熱處理外協管控不嚴格,導致未熱處理 的產品與正火＋高溫回火后的合格產品混淆在一 起,造成后續機加工刀具壽命降低,嚴重影響了切削 效率.
(２)建議加強現場管理和監控力度,每一工序 完成后的產品需按區域分開放置.
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