4J28合金冲压零件穿晶裂纹问题分析研究

4J28合金是电真空器件常用的金属材料,属于高铬铁素体类型不锈钢,它作为膨胀合金使用,用于与相应的软玻璃进行匹配封接,是电真空工业中重要的封接结构材料。

 

电视机显像管器件中,有一个封接在玻壳锥体部位里的盘状零件,作为电视机高压电引线连接盘,俗称阳极帽零件,如图1、图2、所示。

 

阳级帽零件是用4J28合金带材冲制成形的。阳级帽零件的合金材料裂纹、晶间腐蚀,以及它与玻璃封接处密封状态不良,都会引发起显像管的慢性漏气问题,严重地影响显像管的寿命,造成早期失效。因此,有关工厂和科研部门已就4J28合金材料的晶间腐蚀问题以及封接技术进行了较多的深入研究。本文着重探讨4J28合金材料在零件成形的压力加工过程中出现的脆性断裂问题。

 

1.穿晶裂纹实物分析

金属材料在加工和使用过程中,由于受力作用原因,在金属材料的表层或内部形成脆性断裂或韧性断裂,断裂裂纹既可穿过晶粒内部（即穿晶断裂）也可以沿晶界发展（即晶间断裂）。如图3示意图。

 

某厂在显像管生产过程中,曾出现过阳极帽零件开裂现象,部分裂纹纹路已肉眼可见,经过零件切片的金相显微观察,显示出合金材料裂纹是从晶粒内部穿过,穿晶裂纹的金相图片如图4、图5所示。

图4所示的4J28合金材料内部晶粒度分布很不均匀,大的晶粒为1#,小的晶粒为3~4#、5~6#；图5所示的合金材料内部晶粒度虽较细,但在5~6#与3~4#晶粒共存处也出现穿晶裂纹。以上充分说明由于合金材料韧性差,经过冲压成形加工,造成穿晶断裂,属于金属材料的脆性断裂。

造成4J28合金材料穿晶裂纹有些什么工艺因素呢？从开裂实物的工艺记录表明：此批零件的原材料（4J28合金硬带带材）冲压前,是用卧式烧氢加热专用炉设备,以管道湿氢加热退火,炉温1000一1100℃,保温20分钟,带材出炉空气冷却。在此可以找到如下原因：

 

（1）4J28合金材料硬带带材在湿氢炉内加热时,氢中含有水份,露点较高,过量的氢会渗入到合金中去,使合金材料变脆

（2）退火的加热温度偏高,合金材料带材在炉内受热温差较大（带材在炉内堆放杂乱）,致使合金材料内部晶粒分布很不均匀,随着加热温度升高,晶粒长大,材料的塑性、冲击韧性降低而变脆。

（3）4J28合金原材料从冶炼到胚料轧制成带材（厚度约0.4mm）,在合金材料表层和内部会产生各种显微裂纹。综合以上因素,材料在冲压形成零件时,在变形较大的部位处,造成了合金材料由塑性状态过渡到脆性状态的穿晶裂纹。

2. 改进热处理工艺的试验

首先对4J28合金硬带带材进行化学成分检查金相分析。其成分为C=0.04%；Cr=27.66%；余为铁和其它元素,符合材料的规定标准。金相分析如图6所示；原材料内部晶粒度很不均匀,多数为3~4#晶粒。也有2#晶粒。

金属材料的热处理,是金属材料加工过程中的重要工艺措施,以加热和随后冷却的手段,来改变金属材料的结构与性能,而不改变其化学成分。金属材料热处理之后,可以获得必要的机械性能、物理性能、物理化学性能以及其它性能。所以,金属材料热处理工艺所追求的目的是多种多样的。4J28合金硬带的退火工艺,主要目的是软化材料,消除硬带的脆性,去除材料内部残存的内应力,以利于材料的加工,确保零件的质量要求。

4J28合金是铁素体类型金属材料,一般退火的加热温度选择以650一850℃为宜。此类材料的加热温度＞900℃时,合金内部晶粒长大,降低了材料的塑性和冲击韧性,材料明显变脆,再经压力加工变形,很容易引起合金材料的脆性裂纹。

根据4J28合金材料特性,以及考虑冲压成形工艺的特点,拟定出4J28合金硬带带材的退火工艺规范,如图7所示。

 

由于电真空器件的特殊要求,规定4J28合金硬带应在保护气氛或真空条件中加热至800一850℃,保温时间为1小时,随后以≤300℃/小时冷却速度,冷却至400℃以下出炉后空气冷却。

按照上述工艺规范,分别进行如下的4J28合金硬带带材的工艺试验。

（1） 真空退火：在高频加热的真空专用设备里,放入卷成盘状的4J28合金硬带带材,先进行炉内抽真空,真空度要求为10-2毛一10-4毛,按规范要求进行高频加热、保温和冷却。真空退火后的4J28合金材料金相组织图片如图8所示。材料内部组织为α固溶体+黑色小点沉淀相,晶粒度分布比较均匀,多数为1~3#晶粒,有少数3~4#晶粒,退火后的4J28合金带材,经冲压成形加工,零件未出现裂纹痕迹,材料表面光亮,成形零件质量优良。

（2） 烧氢退火：采用立式烧氢加热专用炉,同样放入卷成盘状的4J28合金硬带带材,按规范退火后的合金材料也经冲压成形加工,零件质量符合技术要求。

以上工艺试验结果表明真空退火能较好地使附着在合金材料表层的油污杂质挥发掉,退火后的带材保持光泽,这就是所谓“光亮热处理”的特点。更重要的是因为金属材料在真空条件中依靠辐射加热,升温缓慢,加热均匀,退火后的合金带材有良好的压力加工性能。但真空退火,须有抽真空的较长时间过程,生产效率低,成本较高而烧氢退火,则应注意氢气的成份和纯度,避免炉内混入杂质气体,要使用干氢,因为湿氢中含有少量氧气和水分,氢非但不能还原合金中铬的氧化物,反而由于湿氢中的氧和水分会使铬氧化,所以,烧氢退火时以使用瓶装干氢为宜。

3. 原材料退火工艺的讨论

冲制显像管阳极帽零件,是在冲床或其它压力加工设备上,使合金材料经历拉深、弯边及整形等多次压力加工。合金材料处于承受弯曲、扭转、拉伸和压缩等各种受力状态中,特别是合金材料的表层经受外加载荷所引起的最大应力。加上材料表层存在着许多各种各样的应力集中点。这些因素都有可能引发金属材料出现裂纹现象。

 

4J28合金硬带本身存在加工硬化层,若退火工艺未能有效改善硬化层,在冲制零件过程中,随材料变形程度的增加,材料的变形阻力也随之增大,材料强度和硬度升高,而塑性和韧性下降。此种由于塑性变形时不断引起的金属材料晶格变化而造成的强烈的硬化状态,也是可能引发裂纹的内部因素。

为了有效控制金属材料在加热过程中的晶粒粗化问题,以及达到软化材料、改善加工硬化状态和消除材料的内应力的综合目的。以采用再结晶退火为宜。

工业上用的金属材料,它的再结晶温度与其熔点有关。对于各种纯金属,通常以经验公式计算再结晶温度：

T再结晶=（0.35~0.40）T熔化

实际使用中采用的再结晶退火温度要比开始结晶的温度高出100一200℃以上。根据标准规定,4J28合金成分（%）如下：

 

4J28合金中含有较多的合金元素,这些合金元素对再结晶温度的影响,主要是应看它对基体金属原子扩散的影响,以及它对再结晶形核时的表面能的影响而定。

选择4J28合金再结晶退火的温度,既要注意Cr元素作用,又要考虑到铁素体类型不锈钢的以下特点：它在加热与冷却时,一般不发生相变,故不能用热处理方法细化晶粒。它在加热750至850℃时,可使材料中某些硬脆合金化合物重新熔入铁素体内,经空气冷却后又不致再析出,从而得到均匀的组织和韧性,对于材料的压力加工较有利但加热切忌过热,若加热温度＞900℃,合金材料内部晶粒会迅速长大而带来压力加工中脆性裂纹的危险。以采用800一850℃为4J28合金材料的退火温度,已经生产实践的多年考验,得到良好的质量效果。