4Cr9Si2阀门钢丝冷拔过程中脆断的失效分析

艾家和　董建新　张江海　谢锡善

(北京科技大学材料学院，北京100083)

摘　要：用扫描电镜/能谱分析、X射线萃取相分析和Thermo-Calc热力学相计算等方法，分析了4Cr9Si2阀门钢丝在冷拔过程中发生脆断的原因。结果表明，钢丝脆断是由于中间退火温度选择不合理，使(Cr，Fe)₇C₃相大量析出造成的。

关键词：4Cr9Si2气阀钢丝；能谱分析；X射线萃取相分析；Thermo-Calc热力学相计算；(Cr，Fe)₇C₃

　  4Cr9Si2是一种耐热钢，它广泛地应用于内燃机的进气阀、轻负荷排气阀。4Cr9Si2阀门钢丝在冷拔过程中，中间退火后继续冷拔时材料发生脆断现象。本文分析了这种脆断的原因。

1　试验材料及试验方法

4Cr9Si2钢丝在冷拔过程中要经过退火处理，某钢厂原退火工艺制度如图1所示。

图1　冷拔过程中间退火工艺制度示意图

试验材料为经过不同退火工艺处理后的试样(退火温度分别为780℃、850℃和900℃，其它参数同图1)和从冷拔生产现场收集发生脆断的4Cr9Si2钢丝。试验用料的化学成分(质量百分数)：0.39C，0.49Mn，2.57Si，8.60Cr，0.14Ni，0.028P，0.12Cu，0.021S，0.018P。

将试验用料制成金相试样，用扫描电镜观察显微组织，用能谱仪测定析出相成分。为了更准确地确定析出相的成分和结构，将这些试样进行电解萃取及X-射线相分析以确定析出相成分。结合Thermo-Calc热力学相计算软件对试验材料进行相计算。再将以上各试验用料加工成Φ4mm后进行弯曲试验，以比较退火温度对它们塑性的影响。

2　试验结果及讨论

扫描电镜(SEM)观察发现，发生脆断的材料中存在球化不均匀白色组织，同时还发现退火温度越高的试样中白色组织越粗大(图2)。能谱(EDX)确定这些白色相的化学成分(质量百分数)为：0.26C，3.00Si，29.34Cr，0.77Mn，66.63Fe。X-射线萃取相分析衍射曲线如图3所示。各d(A。)和I/I1的实测值均与(Cr，Fe)₇C₃符合得很好(ASTM卡片号为5-0720)，可以确定该白色析出相为(Cr，Fe)₇C₃。

a—780℃退火后的组织                        b—850℃退火后的组织

c—900℃退火后的组织                        d—冷拔现场脆断的组织

图2　退火温度对显微组织的影响

对经过不同退火工艺处理的Φ4mm试样进行弯曲试验，结果表明，在900℃退火的试样弯曲45°左右就折断了，其塑性最差；在850℃退火的试样弯曲90°后在弯曲部位有裂纹存在，其塑性次之；在780℃退火的试样弯曲大于120°后在弯曲部位没有发现裂纹，其塑性最好。可见，在不同温度下退火所析出的(Cr，Fe)₇C₃颗粒尺寸大小是决定冷拔塑性的重要原因之一。

Thermo-Calc是由瑞典皇家工学院开发的热力学相计算软件。针对试验所用材料的化学成分，利用此软件进行相计算，计算结果如图4所示。图4中的横坐标表示温度(℃)，纵坐标表示各个相所占的摩尔分数。

由图4可以看出，(Cr，Fe)₇C₃的析出温度范围为572℃～1162℃，而原退火工艺中所采用的退火温度(850℃)恰恰处在(Cr，Fe)₇C₃的析出峰值温度范围。因此选择850℃作为退火温度势必析出大量的(Cr，Fe)₇C₃相。选择合适的退火温度以避免析出大尺寸的(Cr，Fe)₇C₃是必要的。

      图3　X-射线萃取相衍射分析结果                 图4　以上成分的Thermo-Calc相计算结果

3　结论

(1)4Cr9Si2冷拔过程中中间退火后继续冷拔时发生脆性断裂是由于中间退火温度(850℃)恰恰位于

(Cr，Fe)₇C₃的析出峰值温度范围，是大量的大尺寸的(Cr，Fe)₇C₃析出所造成的。

(2)为了改善中间退火后的冷拔性能，选择合适的退火温度，以避开(Cr，Fe)₇C₃析出峰值是必要的。