4J28合金是電真空器件常用的金屬材料,屬于高鉻鐵素體類(lèi)型不銹鋼,它作為膨脹合金使用,用于與相應(yīng)的軟玻璃進(jìn)行匹配封接,是電真空工業(yè)中重要的封接結(jié)構(gòu)材料。

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電視機(jī)顯像管器件中,有一個(gè)封接在玻殼錐體部位里的盤(pán)狀零件,作為電視機(jī)高壓電引線連接盤(pán),俗稱陽(yáng)極帽零件,如圖1、圖2、所示。

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陽(yáng)級(jí)帽零件是用4J28合金帶材沖制成形的。陽(yáng)級(jí)帽零件的合金材料裂紋、晶間腐蝕,以及它與玻璃封接處密封狀態(tài)不良,都會(huì)引發(fā)起顯像管的慢性漏氣問(wèn)題,嚴(yán)重地影響顯像管的壽命,造成早期失效。因此,有關(guān)工廠和科研部門(mén)已就4J28合金材料的晶間腐蝕問(wèn)題以及封接技術(shù)進(jìn)行了較多的深入研究。本文著重探討4J28合金材料在零件成形的壓力加工過(guò)程中出現(xiàn)的脆性斷裂問(wèn)題。

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1.穿晶裂紋實(shí)物分析

金屬材料在加工和使用過(guò)程中,由于受力作用原因,在金屬材料的表層或內(nèi)部形成脆性斷裂或韌性斷裂,斷裂裂紋既可穿過(guò)晶粒內(nèi)部（即穿晶斷裂）也可以沿晶界發(fā)展（即晶間斷裂）。如圖3示意圖。

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某廠在顯像管生產(chǎn)過(guò)程中,曾出現(xiàn)過(guò)陽(yáng)極帽零件開(kāi)裂現(xiàn)象,部分裂紋紋路已肉眼可見(jiàn),經(jīng)過(guò)零件切片的金相顯微觀察,顯示出合金材料裂紋是從晶粒內(nèi)部穿過(guò),穿晶裂紋的金相圖片如圖4、圖5所示。

圖4所示的4J28合金材料內(nèi)部晶粒度分布很不均勻,大的晶粒為1#,小的晶粒為3~4#、5~6#；圖5所示的合金材料內(nèi)部晶粒度雖較細(xì),但在5~6#與3~4#晶粒共存處也出現(xiàn)穿晶裂紋。以上充分說(shuō)明由于合金材料韌性差,經(jīng)過(guò)沖壓成形加工,造成穿晶斷裂,屬于金屬材料的脆性斷裂。

造成4J28合金材料穿晶裂紋有些什么工藝因素呢？從開(kāi)裂實(shí)物的工藝記錄表明：此批零件的原材料（4J28合金硬帶帶材）沖壓前,是用臥式燒氫加熱專(zhuān)用爐設(shè)備,以管道濕氫加熱退火,爐溫1000一1100℃,保溫20分鐘,帶材出爐空氣冷卻。在此可以找到如下原因：

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（1）4J28合金材料硬帶帶材在濕氫爐內(nèi)加熱時(shí),氫中含有水份,露點(diǎn)較高,過(guò)量的氫會(huì)滲入到合金中去,使合金材料變脆

（2）退火的加熱溫度偏高,合金材料帶材在爐內(nèi)受熱溫差較大（帶材在爐內(nèi)堆放雜亂）,致使合金材料內(nèi)部晶粒分布很不均勻,隨著加熱溫度升高,晶粒長(zhǎng)大,材料的塑性、沖擊韌性降低而變脆。

（3）4J28合金原材料從冶煉到胚料軋制成帶材（厚度約0.4mm）,在合金材料表層和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生各種顯微裂紋。綜合以上因素,材料在沖壓形成零件時(shí),在變形較大的部位處,造成了合金材料由塑性狀態(tài)過(guò)渡到脆性狀態(tài)的穿晶裂紋。

2.?改進(jìn)熱處理工藝的試驗(yàn)

首先對(duì)4J28合金硬帶帶材進(jìn)行化學(xué)成分檢查金相分析。其成分為C=0.04%；Cr=27.66%；余為鐵和其它元素,符合材料的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。金相分析如圖6所示；原材料內(nèi)部晶粒度很不均勻,多數(shù)為3~4#晶粒。也有2#晶粒。

金屬材料的熱處理,是金屬材料加工過(guò)程中的重要工藝措施,以加熱和隨后冷卻的手段,來(lái)改變金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能,而不改變其化學(xué)成分。金屬材料熱處理之后,可以獲得必要的機(jī)械性能、物理性能、物理化學(xué)性能以及其它性能。所以,金屬材料熱處理工藝所追求的目的是多種多樣的。4J28合金硬帶的退火工藝,主要目的是軟化材料,消除硬帶的脆性,去除材料內(nèi)部殘存的內(nèi)應(yīng)力,以利于材料的加工,確保零件的質(zhì)量要求。

4J28合金是鐵素體類(lèi)型金屬材料,一般退火的加熱溫度選擇以650一850℃為宜。此類(lèi)材料的加熱溫度＞900℃時(shí),合金內(nèi)部晶粒長(zhǎng)大,降低了材料的塑性和沖擊韌性,材料明顯變脆,再經(jīng)壓力加工變形,很容易引起合金材料的脆性裂紋。

根據(jù)4J28合金材料特性,以及考慮沖壓成形工藝的特點(diǎn),擬定出4J28合金硬帶帶材的退火工藝規(guī)范,如圖7所示。

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由于電真空器件的特殊要求,規(guī)定4J28合金硬帶應(yīng)在保護(hù)氣氛或真空條件中加熱至800一850℃,保溫時(shí)間為1小時(shí),隨后以≤300℃/小時(shí)冷卻速度,冷卻至400℃以下出爐后空氣冷卻。

按照上述工藝規(guī)范,分別進(jìn)行如下的4J28合金硬帶帶材的工藝試驗(yàn)。

（1）?真空退火：在高頻加熱的真空專(zhuān)用設(shè)備里,放入卷成盤(pán)狀的4J28合金硬帶帶材,先進(jìn)行爐內(nèi)抽真空,真空度要求為10-2毛一10-4毛,按規(guī)范要求進(jìn)行高頻加熱、保溫和冷卻。真空退火后的4J28合金材料金相組織圖片如圖8所示。材料內(nèi)部組織為α固溶體+黑色小點(diǎn)沉淀相,晶粒度分布比較均勻,多數(shù)為1~3#晶粒,有少數(shù)3~4#晶粒,退火后的4J28合金帶材,經(jīng)沖壓成形加工,零件未出現(xiàn)裂紋痕跡,材料表面光亮,成形零件質(zhì)量?jī)?yōu)良。

（2）?燒氫退火：采用立式燒氫加熱專(zhuān)用爐,同樣放入卷成盤(pán)狀的4J28合金硬帶帶材,按規(guī)范退火后的合金材料也經(jīng)沖壓成形加工,零件質(zhì)量符合技術(shù)要求。

以上工藝試驗(yàn)結(jié)果表明真空退火能較好地使附著在合金材料表層的油污雜質(zhì)揮發(fā)掉,退火后的帶材保持光澤,這就是所謂“光亮熱處理”的特點(diǎn)。更重要的是因?yàn)榻饘俨牧显谡婵諚l件中依靠輻射加熱,升溫緩慢,加熱均勻,退火后的合金帶材有良好的壓力加工性能。但真空退火,須有抽真空的較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)程,生產(chǎn)效率低,成本較高而燒氫退火,則應(yīng)注意氫氣的成份和純度,避免爐內(nèi)混入雜質(zhì)氣體,要使用干氫,因?yàn)闈駳渲泻猩倭垦鯕夂退?氫非但不能還原合金中鉻的氧化物,反而由于濕氫中的氧和水分會(huì)使鉻氧化,所以,燒氫退火時(shí)以使用瓶裝干氫為宜。

3.?原材料退火工藝的討論

沖制顯像管陽(yáng)極帽零件,是在沖床或其它壓力加工設(shè)備上,使合金材料經(jīng)歷拉深、彎邊及整形等多次壓力加工。合金材料處于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸和壓縮等各種受力狀態(tài)中,特別是合金材料的表層經(jīng)受外加載荷所引起的最大應(yīng)力。加上材料表層存在著許多各種各樣的應(yīng)力集中點(diǎn)。這些因素都有可能引發(fā)金屬材料出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

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4J28合金硬帶本身存在加工硬化層,若退火工藝未能有效改善硬化層,在沖制零件過(guò)程中,隨材料變形程度的增加,材料的變形阻力也隨之增大,材料強(qiáng)度和硬度升高,而塑性和韌性下降。此種由于塑性變形時(shí)不斷引起的金屬材料晶格變化而造成的強(qiáng)烈的硬化狀態(tài),也是可能引發(fā)裂紋的內(nèi)部因素。

為了有效控制金屬材料在加熱過(guò)程中的晶粒粗化問(wèn)題,以及達(dá)到軟化材料、改善加工硬化狀態(tài)和消除材料的內(nèi)應(yīng)力的綜合目的。以采用再結(jié)晶退火為宜。

工業(yè)上用的金屬材料,它的再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)有關(guān)。對(duì)于各種純金屬,通常以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算再結(jié)晶溫度：

T再結(jié)晶=（0.35~0.40）T熔化

實(shí)際使用中采用的再結(jié)晶退火溫度要比開(kāi)始結(jié)晶的溫度高出100一200℃以上。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,4J28合金成分（%）如下：

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4J28合金中含有較多的合金元素,這些合金元素對(duì)再結(jié)晶溫度的影響,主要是應(yīng)看它對(duì)基體金屬原子擴(kuò)散的影響,以及它對(duì)再結(jié)晶形核時(shí)的表面能的影響而定。

選擇4J28合金再結(jié)晶退火的溫度,既要注意Cr元素作用,又要考慮到鐵素體類(lèi)型不銹鋼的以下特點(diǎn)：它在加熱與冷卻時(shí),一般不發(fā)生相變,故不能用熱處理方法細(xì)化晶粒。它在加熱750至850℃時(shí),可使材料中某些硬脆合金化合物重新熔入鐵素體內(nèi),經(jīng)空氣冷卻后又不致再析出,從而得到均勻的組織和韌性,對(duì)于材料的壓力加工較有利但加熱切忌過(guò)熱,若加熱溫度＞900℃,合金材料內(nèi)部晶粒會(huì)迅速長(zhǎng)大而帶來(lái)壓力加工中脆性裂紋的危險(xiǎn)。以采用800一850℃為4J28合金材料的退火溫度,已經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐的多年考驗(yàn),得到良好的質(zhì)量效果。