彭努淵 李玉明

(河南中原特鋼股分有限公司，河南454685)

我公司生產(chǎn)的鉆具用鋼ASTM 4145H在進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性不穩(wěn)定，其韌性值時(shí)好時(shí)壞。為尋求原因進(jìn)行了多次試驗(yàn)分析：第一次選取了?159 mm，爐號(hào)為217089和217745的兩爐沖擊韌性相差較大的鍛件進(jìn)行對(duì)比分析；第二次對(duì)另一支?203 mm的鍛件同一橫截面不同位置的力學(xué)性能、金相組織進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣的選取及化學(xué)成分

在經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后沖擊功有明顯區(qū)別的兩爐鍛件上選取試樣，其調(diào)質(zhì)熱處理工藝為840℃淬火，580℃回火。

兩爐鍛件的化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition (mass fraction, %)

從表1可看出其化學(xué)成分均在要求的合格范圍內(nèi)。

1.2 力學(xué)性能

拉伸試樣及沖擊試樣的取樣位置均為?115 mm處，其檢測(cè)結(jié)果見表2。

從表2可看出兩爐屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相差較小，延伸率和面縮也接近，沖擊韌性則相差較大。

表2 力學(xué)性能Table 2 The mechanics performance

1.3 金相觀察

非金屬夾雜物檢測(cè)：取217089爐的沖擊試樣T-14和217745爐的T-30，磨制拋光后按照GB/T10561—2005評(píng)定非金屬夾雜物，結(jié)果見表3。

從表3可看出，兩爐試樣的非金屬夾雜物級(jí)別基本相同。

金相組織觀察：所取試樣T-14和T-30經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后觀察，兩試樣的顯微組織有明顯的區(qū)別。T-14的金相組織中除回火索氏體外，還有較多的白塊組織，見圖1所示。而T-30的金相組織則大部分是回火索氏體和少量的白塊組織，見圖2所示。

白塊組織的外形不規(guī)則，界面輪廓不清，白塊內(nèi)有隱約可見的點(diǎn)狀、條狀析出物。從其形態(tài)來判斷白塊組織是區(qū)別于鐵素體和馬氏體的貝氏體組織。有關(guān)資料[1]介紹，這種貝氏體有的屬于上貝氏體組織，有的屬于粒狀貝氏體組織。

表3 非金屬夾雜物Table 3 Non metallic inclusions

圖1 T-14金相組織(500×) 圖2 T-30金相組織(500×) Figure 1 T-14 microstructure Figure 2 T-30 microstructure

另外，在顯微鏡100倍下觀察，白塊組織有呈條帶分布的特征，見圖3。為驗(yàn)證此結(jié)論，分別找出沖擊韌性好與沖擊韌性差的兩組試樣，每組五個(gè)試樣進(jìn)行觀察對(duì)比，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性差的試樣均存在不同程度的帶狀偏析，而沖擊韌性好的試樣帶狀偏析程度相對(duì)較輕。

晶粒度觀察：兩試樣經(jīng)飽和的苦味酸煮沸后觀察其晶粒度，T-14的晶粒度為8～9級(jí)，T-30的晶粒度為8.5～9.5級(jí)。晶粒度差別不大，這說明兩個(gè)試樣沖擊韌性的不同并非由晶粒度造成。

從以上的觀察分析認(rèn)為，造成兩爐鍛件沖擊功明顯差別的主要原因是白塊組織即貝氏體組織。白塊組織的形成與鋼中帶狀偏析有關(guān)，同時(shí)通過對(duì)生產(chǎn)過程的調(diào)查及分析判斷白塊組織的形成主要與淬火冷卻速度有關(guān)。

2 不同位置的對(duì)比分析

為進(jìn)一步證實(shí)白塊組織的形成原因 ，在?203 mm的ASTM 4145H鉆具同一橫截面的外、中、內(nèi)三個(gè)位置處，分別取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和金相組織觀察。

2.1 力學(xué)性能

由于工件帶一?70 mm內(nèi)孔，所以試樣分別取自于外邊緣，二分之一壁厚和內(nèi)壁處，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表4。

從表4可看出，從外到內(nèi)的整體力學(xué)性能指標(biāo)均有所下降。

2.2 金相觀察

顯微鏡下觀察外邊緣位置的試樣金相組織全部是回火索氏體，1/2壁厚處的組織除回火索氏體外，還有少量的白塊組織(回火貝氏體)，內(nèi)部試樣的白塊組織(回火貝氏體)則更多一些，見圖4、圖5、圖6。以上說明白塊組織的多少與所在的位置有關(guān)，另外白塊組織仍呈帶狀分布特征。

表4 力學(xué)性能Table 4 The mechanics performance

圖3 帶狀組織(100×) 圖4 外邊緣組織(500×) Figure 3 Banded structure Figure 4 The outer edge structure

圖5 1/2壁厚組織(500×) 圖6 內(nèi)壁組織(500×) Figure 5 The structure at 1/2 wall thick Figure 6 Inner wall structure

3 分析與討論

從以上分析可看出，沖擊功差別較大的兩爐試樣取樣位置完全一致，夾雜物、晶粒度、化學(xué)成分均相差不大，那么兩試樣區(qū)別較大的就是白塊組織數(shù)量的多少，換言之就是說白塊組織是影響其沖擊韌性的主要原因。白塊組織多，其沖擊韌性就低，白塊組織少，其沖擊韌性就高。另外從同一橫截面不同位置進(jìn)行的力學(xué)性能測(cè)試和金相組織觀察同樣可以證明，白塊組織多的部位力學(xué)性能差這一結(jié)論。

由于是大件調(diào)質(zhì)熱處理，在淬火冷卻時(shí)，工件心部位置的冷卻速度肯定比表面的冷卻速度慢，表面區(qū)域進(jìn)行了馬氏體組織轉(zhuǎn)變，而心部區(qū)域則落在了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，從而得到了貝氏體組織。

上述的白塊組織在工件心部和中部位置存在，有數(shù)量上的差別而且還呈條帶分布的特征，說明原始組織中存在有一定的帶狀偏析。有資料介紹[2]，原始狀態(tài)的成分偏析和帶狀組織也是形成白塊組織的重要原因。原始狀態(tài)帶狀組織嚴(yán)重，在熱處理時(shí)，鐵素體帶在加熱時(shí)雖有碳的擴(kuò)散，但仍屬于低碳區(qū)，低碳奧氏體區(qū)易形成貝氏體組織，即所指的白塊組織。貝氏體性能決定于貝氏體的本質(zhì)、形態(tài)、大小、分布狀態(tài)及貝氏體與其它組織的相對(duì)量。上貝氏體碳化物的分散度小，分布又不均勻，以致性能很差，其強(qiáng)度甚至低于同一溫度下形成的細(xì)珠光體，韌性更低。而粒狀貝氏體的強(qiáng)度主要決定于粒狀貝氏體中的“小島”，無論是奧氏體或“M-A”，還是奧氏體的分解產(chǎn)物都起著復(fù)相強(qiáng)化的作用。這些組織的綜合因素最終導(dǎo)致其“白塊組織”對(duì)力學(xué)性能的影響[3]。

4 結(jié)論與建議

造成ASTM 4145H鋼力學(xué)性能差的主要原因是由于組織中存在較多的“白塊組織”，即貝氏體組織。貝氏體的本質(zhì)、形態(tài)、大小、分布狀態(tài)及貝氏體與其它組織的相對(duì)量影響著其力學(xué)性能。為了使力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求，根據(jù)“白塊組織”的形成原因，建議生產(chǎn)上可通過減少原始狀態(tài)的成分偏析和帶狀組織，熱處理時(shí)加快冷卻速度，盡量避開貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，使“白塊組織”的量降到最低程度，從而提高鋼的整體力學(xué)性能。

[1] 周鹿賓，陳產(chǎn)海.40CrNiMo鋼白塊組織及其對(duì)性能的影響.理化檢驗(yàn)，1982，(04)：8-12.

[2] 安正昆，鋼鐵熱處理.長治機(jī)電工業(yè)學(xué)校.

[3] 史美堂，金屬材料與熱處理.上海科技技術(shù)出版社，1983.6.