地磅用马氏体不锈钢连接件热处理工艺改进

为提高地磅用2Cr13马氏体不锈钢连接件使用寿命,采用显微组织观察和有限元技 术分析了连接件的失效特征和应力分布,对其热处理工艺进行了改进,通过力学性能试验、应力腐 蚀试验和疲劳试验等对比了连接件热处理工艺的改进效果。结果表明：因原热处理工艺不当,造成 连接件应力腐蚀抗力和强韧性不足;工艺改进后,连接件应力腐蚀敏感指数从原来的51. 1 %降低 到11.4 %,综合力学性能得到大幅度提高,可满足连接件设计和使用要求。

0.引言

2Cr13马氏体不锈钢具有良好的抗大气腐蚀和 综合力学性能,在汽轮机、医疗器械和塑料模具等行 业得到广泛应用。由于该钢碳含量高、铬含量 低,考虑到可能造成晶界贫铬,对其一般不采用中温 回火,而采用高温回火。地磅连接件材料为2Cr13钢,原硬度 设计要求38?42 HRC,连接件要求通过100万次 疲劳(50?500 kN循环加载）和1 500 kN超载测试。连接件起到传感器定位和力的传递作用,通常 情况下,连接件承受来自于传感器垂直压力100? 300 kN。连接件原热处理工艺为960仁真空加热， 保温1. 5 h淬火;250 C回火,保温3 h。连接件的 某些实际应用场合含硫化物等腐蚀介质,在使用过 程中常发生开裂失效,直接影响到传感器和地磅的安全使用。初步分析认为热处理工艺不当是造成 连接件开裂的主要原因。为了防止开裂的再次出 现,作者针对连接件失效原因,改进了连接件的热处 理工艺,并对比了工艺改进前后连接件的力学性能、 应力腐蚀抗力和疲劳寿命等特性。

1.失效原因分析

图1、图2分别为连接件的尺寸和工作示意,连接件承载孔底面为平面,与之接触的传感器弹性体 端部为M60球面。采用ANSYS有限元软件及 Solid45单元建模分析连接件工作时的应力分布和 过载时极限拉应力。为便于分析,简化了秤体和传 感器弹性体尺寸,有限元分析结果见图3。分析表 明，当连接件受到来自于弹性体压应力时,连接件背 面中心部位存在拉应力（图3中MX处),拉应力方 向垂直于轴向应力，当轴向载荷为1 500 kN时,连 接件背面最大拉应力为846. 61 MPa。

由图4可见,失效连接件裂纹均从连接件背面 中心区域萌生，图4a、4c连接件分别来自于含硫环 境的用户现场和实验室。沿垂直于连接件背面方向 制备金相试样。图4b为4a连接件背面裂纹,试样 未经酸蚀,裂纹呈现多源萌生和沿晶扩展,具有应力 腐蚀开裂特征。图4d为4c连接件背面裂纹,组织 为回火马氏体和沿棒料轧制方面排列的未溶S铁素 体,铁素体体积分数为5 %?10 %,裂纹自连接件背面S铁素体处萌生并扩展。

从2Cr13连接件裂纹扩展形式可推测,其应力 腐蚀抗力和强韧性不足。2Cr13马氏体不锈钢4c3 为950 显然960 t淬火温度偏低,不足以使含铬 碳化物充分溶解,并滞留大量轧制时形成的条状S 铁素体。所以尽管250 t回火远离马氏体不锈钢敏 化温度区,但因欠热,铬元素固溶度不足,在连接 件背面拉应力和腐蚀介质作用下,连接件发生应力 腐蚀开裂。条状S铁素体沿棒料轧制方向排列， 并与连接件背面拉应力方向垂直’S铁素体强度低, 对基体起分割作用，连接件受载时裂纹从连接件背 面S铁素体萌生,并沿S铁素体向连接件内部扩展。

总之,热处理工艺不当造成连接件应力腐蚀开裂。

2.试样制备和试验方法

试验材料为2Cr13热轧棒,其化学成分(质量分 数/ %)为 0. 20C,12. 5 Cr ,0. 29 Mn,0. 50Si ,0. 15 Ni ,0. 03 P,0. 015 S,余Fe。所有试样均沿棒料轧 制方向制备。拉伸试样(GB/ T 228 - 2002)、冲击试 样（GB/ T 229 - 1994)、应力腐蚀试样（GB/ T 15970. 7 - 2000)和连接件各准备两组,除了连接件 每组由2个试样,其余每组由3个试样构成。所有 试样机加工后热处理,采用真空设备加热,淬火、回 火均为油冷,两组试样工艺分别为960 t淬火+ 250 t回火(老工艺），1 020 'C淬火+310 t回火（新工 艺)，淬火和回火加热保温时间分别为1.5 h和3 h。

用Leica DMLM型光学显微镜和JXA- 840AEPMA型扫描电镜（SEM)分别分析连接件显微组织和应力腐蚀试样断口形貌,显微组织试样腐 蚀剂为 5 g FeCl3 + 15 mL HCl + 100 mL H2O。用 慢应变应力腐蚀试验法（SSRT)对比热处理工艺改 进前后连接件应力腐蚀抗力（设备型号SERT- 5000-D9H),试验条件:常温,拉伸应变速率4. 17 X 10-5 s-1 ,腐蚀介质为 3. 5 g ? L-1 NaCl + 0. 5 g  L-1 HAc水溶液,p H = 3?4。冲击试验机型号JB- 30A;拉伸试验机型号MTS810;硬度仪型号HR- 15A;疲劳试验机型号MTS810. 21 ,疲劳测试时脉 动压应力载荷50?500 kN ,频率8 Hz。

3.试验结果和讨论

3.1力学性能

由表1可见,采用新工艺后,2Cr13钢的强度和 塑性均得到提高,冲击功提高了 1倍。由表2可见, 连接件抗疲劳和超载能力比老工艺有了极大提高， 达到了 100万次疲劳+ 1 500 kN静压的设计要求。

3.2显微嫌

新工艺2Cr13钢的组织为回火马氏体,组织中 条状S铁素体已被充分溶解（图5)。

3. 3应力腐蚀性能

慢应变应力腐蚀测试原理是,在10-5?10-7 s-1 应变速率拉伸条件下,对比试样在惰性和腐蚀介质中 由应力-应变曲线包围的内积功,得出材料应力腐蚀 敏感性[7]。式1[7]为应力腐蚀敏感性指数Iscc计算方 法,IScc值越大,材料的应力腐蚀敏感性越大，当Iscc > 35 %时，材料具有显著的应力腐蚀倾向；当Iscc ^25 %时,材料无明显的应力腐蚀倾向叫

式中：I惰为在惰性介质中内积功；I腐为在腐蚀介质 中的内积功。

用专门软件计算图6中内积功大小,将内积功 代入式1 ,得出老工艺Iscc =51. 1 %,新工艺Iscc = 11.4%。可见工艺改进后,2Cr13钢在强韧性提高 的同时,应力腐蚀抗力同样得到大幅度提高。由图 7可见,老工艺断口为准解理+少量韧窝,表现为脆 性;新工艺断口基本为韧窝,表现为塑性特征。

将新工艺连接件在几个典型用户试用,9个月以 来未发生一起开裂失效,说明新工艺可以满足2Cr13钢连接件的使用要求。

新工艺提高了淬火加热温度，2Cr13钢组织中 的S铁素体被充分溶解，从而显著提高了 2Cr13钢 的综合力学性能。此外，固溶体中铬含量随着淬火 温度的提高而增加，尽管新工艺回火温度高于老工 艺，但新工艺回火温度尚未处于2Cr13钢敏化温度 区[5]，新工艺2Cr13钢应力腐蚀开裂抗力较老工艺 有大幅度提高 。

4.结论

用新热处理工艺（1 020 'C X1. 5 h淬火+ 310"C X3 h回火)代替老工艺后,2Cr13钢连接件强韧 性得到显著提高，连接件应力腐蚀敏感性指数从原 来51.1 %降低到11.4%。新工艺处理的连接件满 足了地磅的使用要求。