李耀武

1煤炭科學技術研究院有限公司檢測分院 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

脫 碳是鋼材生產(chǎn)中經(jīng)常存在的一種缺陷，是擴散作用的結果。在鋼材的熱處理過程中，氧向鋼材內(nèi)擴散，同時鋼材內(nèi)的碳也向外擴散，當脫碳速度超過氧化速度時，形成了脫碳層[1-2]。

脫碳層會使鋼的表面硬度降低，強度減小，耐磨性下降，韌性下降，造成內(nèi)外應力差。對于高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳更是一種嚴重的缺陷[3-4]。因此，脫碳層檢測是鋼材出廠檢驗的重要項目。

脫碳層的常用測定方法有金相法、顯微硬度法和碳含量測定法。金相法是在金相顯微鏡下觀察試樣從表面到內(nèi)部隨著碳含量的變化而產(chǎn)生脫碳區(qū)域的方法(指完全脫碳區(qū)域+部分脫碳區(qū)域)。顯微硬度法是利用碳含量與熱處理后鋼的硬度存在相關性的原理，通過硬度值來計算脫碳層深度的方法[5]。碳含量測定法是通過直接測量試樣不同深度的碳含量來測定脫碳層深度的方法。金相法與顯微硬度法和碳含量測定法相比，具有適用范圍廣、操作簡便、對設備依賴小及對待檢樣品形態(tài)要求不高等優(yōu)點[6]。

1 脫碳層及其測試理論

脫碳分為部分脫碳和完全脫碳。部分脫碳指鋼材試樣表面碳含量減少到低于基體含量，并且大于室溫時碳在鐵素體中固溶極限[7]；完全脫碳指鋼材試樣表層碳含量水平低于碳在鐵素體中最大固溶度，只有鐵素體存在，從中心到邊緣依次為基體組織 (未脫碳區(qū)域) —部分脫碳區(qū)域—完全脫碳區(qū)域，如圖 1 所示。

圖1 脫碳類型示意Fig.1 Sketch of decarburization types

總脫碳層深度為部分脫碳區(qū)域和完全脫碳區(qū)域之和，即從試樣表面到碳含量等于基體碳含量的距離。

金相法脫碳層測試試驗所用設備包括金相切割機、金相磨拋機、金相倒置顯微鏡等。所用工具及腐蝕介質(zhì)包括砂紙 (100、800 和 1 500 號)、拋光呢絨布、金剛石拋光劑及 4% 硝酸酒精溶液、75% 酒精溶液、鑷子、燒杯、吹風機等。金相法脫碳層測試原理如圖 2 所示。

圖2 脫碳層測試原理Fig.2 Principle of testing decarburization layer with metallographic method

2 六角形釬桿脫碳層試驗

2.1 制作試樣

用金相切割機對試樣進行切割，切割時可將試樣長度控制在約 20 mm，這樣既方便手拿，又方便腐蝕浸泡 (在腐蝕試樣過程中，硝酸酒精溶液需完全浸沒試樣)。使用金相切割機時要注意安全，切割過程不得佩戴線手套。切割試樣如圖 3 所示。

圖3 切割試樣Fig.3 Sample cutting

在脫碳層試驗中，由于用顯微鏡測量的是垂直于鋼材表皮的部分，所以在使用金相切割機時，切割角度盡量保持在 90°，不能卷邊、倒角，同時沖洗水必須保持開啟，以防止鋼的化學組織因高溫而產(chǎn)生變化。如果切割時間過長，也會導致截面過熱后發(fā)紫，同樣無法觀察脫碳。

2.2 磨制試樣

磨樣分為 3 次：首先采用 100 號砂紙粗磨 (干磨)，然后采用 800 號砂紙預磨 (濕磨)，最后用 1 000號砂紙精磨 (濕磨)。

每次磨制時，手拿試樣的方向要與上次成一定角度，否則會影響拋光。手拿試樣時要用力均勻，以保證磨制后試樣表面平整。每次磨制后，要用清水將試樣表面沖洗干凈。每次磨制完成的標準是看不到上次磨制的痕跡。試樣磨制如圖 4 所示。

圖4 磨制試樣Fig.4 Sample grinding

2.3 拋光試樣

將直徑 230 mm 的呢絨布固定在磨拋機的鋁制旋轉盤后旋轉。將 0.5 μm 的金剛石拋光劑搖勻，以拋光盤中心為圓心，沿半徑方向噴出 3～ 5 s，手拿試樣進行拋光打磨。

拋光過程中手拿試樣的角度與磨樣工序相同。拋光合格的試樣表面是鏡面效果，6 個棱呈直角，拋光面與表皮垂直。拋光試樣如圖 5 所示。

圖5 拋光試樣Fig.5 Sample polishing

2.4 腐蝕試樣

腐蝕試樣分為 5 步：①將試樣完全放入 4% 的硝酸酒精溶液浸蝕；② 用肉眼觀察試樣檢驗面，發(fā)生變色 (發(fā)黃且鏡面變模糊) 后立即用鑷子取出 (時間約為 3 s)；③用流動的清水將試樣沖洗干凈；④ 將試樣放入 75% 的酒精溶液；⑤ 用熱風將試樣吹干。

用酸腐蝕的目的是為了在顯微鏡下更清晰觀察試樣組織形貌。在吹干過程中，一定要將試樣的 6 個面都吹干。使用酒精沖洗的目的是加速試樣表面水分的揮發(fā)。合格的試樣檢驗面微發(fā)黃，如檢驗面發(fā)黑，則說明腐蝕時間過長；如果檢驗面發(fā)亮，則說明腐蝕時間過短。

由于硝酸見光分解，建議采用棕色瓶盛裝硝酸并置于無光低溫處?？紤]到硝酸酒精的易揮發(fā)性和使用頻率，建議硝酸酒精溶液現(xiàn)用現(xiàn)配。配制過程中，硝酸和酒精的比例要計算精確，硝酸過多過少都會影響試樣腐蝕結果。每次配制的硝酸酒精溶液的量不必過多，能沒過試樣即可。試驗完畢后，硝酸酒精溶液用清水稀釋 200 倍后處理。

3 六角形釬桿脫碳層檢測

一般情況下，脫碳層在 100 倍金相顯微鏡下觀察并測量 (計量單位通常為 mm)。在顯微鏡下觀察試樣的邊緣區(qū)域，脫碳區(qū)域與基體有明顯差異，測量從基體組織開始發(fā)生轉變的位置到試樣邊緣的長度。

金相顯微鏡使用方法：①將試樣放在載物臺上；② 選擇物鏡和目鏡；③轉動粗調(diào)焦旋鈕，使載物臺移動，待看到組織后，再轉動微調(diào)焦旋鈕直至圖像清晰為止。脫碳層金相顯微鏡檢測如圖 6 所示。

圖6 金相顯微鏡檢測Fig.6 Testing under metallographic microscope

金相顯微鏡的放大倍數(shù)M=M物×M目。使用金相顯微鏡檢測試樣的過程中，不得用手觸摸目鏡、物鏡的鏡頭；不得用手觸摸金相試樣的觀察臺面；觀察不同部位組織時，應移動載物臺，不要挪動試樣，以免劃傷觀察表面。

觀測時，按照圖 7 中箭頭指示方向調(diào)整載物臺，從上到下，將光從試樣邊緣劃過。在顯微鏡下，脫碳區(qū)域明顯發(fā)白。

圖7 脫碳區(qū)檢測Fig.7 Testing for decarburization layer

4 結語

脫碳層的金相測定法適用范圍廣，操作簡便，對設備依賴小，對待檢樣品形態(tài)要求不高。

對鑿巖用六角形釬桿脫碳層金相檢測，在 100 倍金相顯微鏡下，觀察試樣的邊緣區(qū)域，脫碳區(qū)域與基體有明顯差異。試驗表明，所采用的試樣制作、試樣磨制、試樣拋光、試樣腐蝕方法可制作適于金相法測定的釬桿脫碳層試樣。