分享：２０Cr２Ni４钢制打击罩硬度异常分析

摘 要:某批２０Cr２Ni４钢制打击罩硬度出现异常,导致机加工刀具寿命严重降低.通过宏观分 析、化学成分分析、硬度分析和金相检验等方法对打击罩异常件和正常件进行了对比分析.结果表 明:该钢热加工后产生了硬度较高的粒状贝氏体,后续正火＋高温回火热处理可以使粒状贝氏体分 解从而降低产品硬度;异常件为未经热处理的产品,其奥氏体晶粒粗大,硬度偏高,从而导致刀具损 坏严重.建议产品分类摆放,加强现场管理和监控力度. 

关键词:２０Cr２Ni４钢;打击罩;奥氏体;热处理;粒状贝氏体 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８５０Ｇ０３

２０Cr２Ni４钢属于高强度合金渗碳钢,具有良好 的综合力学性能,强韧性和淬透性均超过１２CrNi３ 钢.该钢制成的某批打击罩产品在机加工时,刀具 直接崩坏,刀具材料为 YT５合金,正常寿命为２００ 件.为查明该批产品异常的原因,笔者对其进行了 一系列理化检验和分析.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

打击罩为圆柱型,中间通孔,形状较规则,其宏 观形貌见图１. 

在 打 击 罩 异 常 件 和 正 常 件 下 端 各 截 取 长 约２０mm的试样进行金相检验及化学成分分析,硬度 检测点为产品表面,如图２所示. 

１．２ 化学成分分析 

打击罩的化学成分分析结果见表１.可见异常 件和 正 常 件 均 符 合 GB/T３０７７－２０１５«合 金 结 构 钢»对２０Cr２Ni４钢的技术要求且两者各元素含量 相差不大. 

１．３ 硬度分析 

该批产品共退回３１件,使用布氏硬度计测试其 硬度,压 头 直 径 为 ５ mm,试 验 力 为 ７ ３５０ N (７５０kgf),保持时间为３０s,发现合格件有１６件, 硬度在１８５~２２０HB之间;不合格件有１５件,硬度 在２８０~３２０HB之间.可见打击罩硬度过高是导 致加工刀具直接崩坏的主要原因[１Ｇ３].

１．４ 金相检验

图３ 正常件与异常件的显微组织将从正常件和异常件上截取的试样经磨抛和 ４％(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后,采用 AxioVert A１型光学显微镜观察其显微组织,如图３所示.可以看出,正常件与硬度异常件的显微组织均为铁素 体＋珠光体＋粒状贝氏体,且贝氏体的形态相似.

２ 分析与讨论 

异常件的化学成分符合标准要求,但硬度值偏 高,初步认定该批打击罩异常件为锻后未热处理或 者正火后未回火混料.为进一步确定异常件的具体 状态,采用实验室马弗炉对其进行不同工艺的热处 理.正火工艺为８８０ ℃保温２h后空冷,高温回火 工艺为(６６０±１０)℃保温３h.硬度和金相检验试 样取图２所示的相同位置.由表２可以看出,异常 件的硬度比正火件的略高,和锻后空冷件的相近. 推测该异常件为锻后空冷未正火件. 

从图４可以看出,该打击罩异常件和锻后空冷 件晶粒尺寸均较大,而经实验室正火后晶粒明显减 小,说明异常件为锻后未正火件.

打击罩经锻后空冷或实验室正火处理后的显微 组织相同,均为珠光体＋粒状贝氏体＋铁素体[４]. 而经实验室正火＋高温回火后,铁素体上均匀分布 着大量碳化物,这些碳化物是粒状贝氏体的分解产 物,见图５.粒状贝氏体的分解,可以使打击罩的硬 度降低[５]. 

２０Cr２Ni４钢在热加工过程中易形成粒状贝氏 体,亦称岛状贝氏体,它是过冷奥氏体在贝氏体转变 温度区最上端的转变产物,其特征为块状或条状铁 素体内分布着众多岛状复相组织(高碳奥氏体区). 富碳奥氏体区既可以分布于铁素体晶粒内,也可分 布于铁素体晶界上[６].粒状贝氏体中的岛状富碳奥 氏体在继续冷却过程中,随着冷却条件和过冷奥氏 体稳定性不同,可发生３种情况的变化,一是部分或 全部转变为铁素体和碳化物;二是部分转变为马氏 体,这种马氏体含碳量很高,呈片状,与残余奥氏体 组成的岛状组织用“MＧA”表示;三是富碳奥氏体全部残留下来.其中,部分转化为马氏体,形成岛状组 织的情况是最常见的. 

由图６中２０Cr２Ni４钢的 C 曲线可知[７],在加 热过程中,铬、镍和微量钼元素能溶于奥氏体中,使 得 C曲线右移.对照正常 C曲线,以一定速度v 空 冷,得到的组织是珠光体＋铁素体;如果铬、钼、镍等 合金元素含量偏高,C曲线右移,仍按照此前的速度 v 冷却,则会产生粒状贝氏体组织.

对于 ２０Cr２Ni４ 钢或类似材料,铬等能够提高 淬透性的合金元素含量偏高是促进粒状贝氏体形成 的原因.后续正火＋高温回火是为了使粒状贝氏体 分解,降低硬度,从而获得良好的切削性能[８Ｇ９].

３ 结论及建议 

(１)该批硬度异常的打击罩零件为锻后空冷未 正火件,热加工过程中出现的粒状贝氏体使得产品 硬度较高.热处理外协管控不严格,导致未热处理 的产品与正火＋高温回火后的合格产品混淆在一 起,造成后续机加工刀具寿命降低,严重影响了切削 效率. 

(２)建议加强现场管理和监控力度,每一工序 完成后的产品需按区域分开放置.

参考文献: 

[１] 蔡玉冬．齿轮壳安装定位柱断裂失效分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１７,５３(１):５８Ｇ６１． 

[２] 王燕慧,陈卓玥,王丽萍,等．２Cr１３不锈钢止血钳断 裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(１): ７４Ｇ７６． 

[３] 徐小红．汽车右后拖曳臂轴断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１８,５４(１):５５Ｇ５９． 

[４] 乔斌．粒状贝氏体的形成[J]．淮海工学院学报(自然 科学版),１９９８,７(２):１３Ｇ１６． 

[５] 冉旭,陈莉,邬占田,等．２０CrMnTi钢粒状贝氏体的 消除[J]．吉林工学院学报,１９９９,２０(２):１５Ｇ２０． 

[６] 姚培友,王晓华．２０Cr２Ni４钢正火新工艺的研究[J]． 热处理技术与装备,２００９,３０(５):５４Ｇ５５． 

[７] 桂晓露,刘蓉,高古辉,等．Cr元素对贝氏体钢连续转 变规律的影响[J]．材料热处理学报,２０１６,３７(１０): １５４Ｇ１５８． 

[８] 陈雪慧,杨才福,张倩,等．粒状贝氏体对１０CrNiMoV 球扁钢力学性能的影响[J]．上海金属,２０１０,３２(３): ３４Ｇ３７． 

[９] 曹杰,阎军,章静,等．合金成分和奥氏体变形对粒状 贝氏体和粒状组织转变的影响[J]．钢铁研究学报, ２０１５,２７(５):４６Ｇ４９． 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 12期 (pp:850-852)>