代玉杰

(青島金鏈檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 青島 266705)

中碳鋼和中碳合金鋼是一種廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、高鐵、軌道交通、風(fēng)電等行業(yè)的鋼材[1-3]，一般情況下，其最終熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)回火或者低溫回火馬氏體，其力學(xué)性能很大程度上取決于馬氏體組織的粗細(xì)程度[4]。由于各行業(yè)對(duì)零件熱處理過(guò)程中的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)，作為監(jiān)控零件熱處理質(zhì)量重要方法之一的金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也提出了更高的要求，因此需要建立統(tǒng)一客觀及可量化區(qū)別的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以便于引用。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于中碳鋼和中碳合金鋼淬回火組織檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)有JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金鋼馬氏體等級(jí)》、GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》、GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗(yàn)》和JB/T 9129—2000《60Si2Mn鋼螺旋彈簧金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。而國(guó)外未見到關(guān)于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)淬火金相組織的檢驗(yàn)與評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，在實(shí)際生產(chǎn)中，若依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同，就會(huì)引起不必要的糾紛，因此有必要對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的對(duì)比分析，以供選擇合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9211—2008適用于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火馬氏體組織的評(píng)定，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13320—2007適用于碳含量為0.25%～0.60%的碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的模鍛件金相組織評(píng)定。但是在實(shí)際中許多零件是棒材或線材直接下料加工或鑄造成型，熱處理的目的是相同的，故只能借鑒此標(biāo)準(zhǔn)。而標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9129—2000為60Si2Mn鋼螺旋彈簧檢驗(yàn)淬火及中溫回火的顯微組織評(píng)定提供了考核依據(jù)，也可供其他硅錳鋼、錳鋼螺旋彈簧金相檢驗(yàn)時(shí)參考。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38720—2020和JB/T 9211—2008、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13320—2007和JB/T 9129—2000進(jìn)行對(duì)比，適用于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火、回火后金相組織的檢驗(yàn)與評(píng)定，其適用的范圍更加寬泛。但上述所有標(biāo)準(zhǔn)均不適用于脫碳、過(guò)燒、等溫淬火等組織的評(píng)定。

2 原材料要求

原材料的影響往往不被重視, 有時(shí)還會(huì)使人感到困惑，誤導(dǎo)熱處理工藝的制定[5]。因此，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38720—2020規(guī)定了化學(xué)成分、晶粒度、非金屬夾雜物和帶狀組織等要求。其中4.4條款關(guān)于非金屬夾雜物的等級(jí)要求和4.5條款帶狀組織的要求參考了標(biāo)準(zhǔn)JB/T 13027—2017《重載齒輪滲碳熱處理技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定。而其余三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于原材料都沒有明確的要求。

3 檢驗(yàn)相關(guān)要求

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)都要求在500倍下隨機(jī)觀察5個(gè)以上視場(chǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比進(jìn)行評(píng)級(jí)。此外，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38720—2020從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大方面對(duì)整個(gè)檢驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行了規(guī)定，從而確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這部分目前有些企業(yè)做得不夠完善到位，例如檢測(cè)人員可能沒有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，更沒有相應(yīng)的上崗證；檢驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液沒有經(jīng)中和處理后集中處置；金相顯微鏡無(wú)定期的核查，無(wú)法滿足計(jì)量溯源性要求等。而其余三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明顯缺乏相關(guān)的規(guī)定要求。

4 組織等級(jí)與顯微組織評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9211—2008對(duì)組織等級(jí)的評(píng)定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比進(jìn)行分級(jí)，將馬氏體的組織等級(jí)分為8級(jí)，并且在其附錄中規(guī)定了各級(jí)馬氏體的適用范圍，見表1。

表1 各級(jí)馬氏體的適用范圍[6]

采用比較法雖然簡(jiǎn)單方便，但缺少量化的參考依據(jù)，實(shí)施過(guò)程中檢驗(yàn)差異大，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)淬火過(guò)程中因淬透性、零件尺寸和淬火時(shí)冷卻能力等因素而出現(xiàn)的未熔鐵素體、先共析鐵素體、屈氏體和珠光體等異常組織(見圖1、圖2)進(jìn)行描述和分類，在實(shí)際引用參考時(shí)，無(wú)法對(duì)組織進(jìn)行有效、全面的評(píng)級(jí)。

圖1 冷卻不良組織Fig.1 Microstructure of poor cooling

圖2 加熱不足組織Fig.2 Microstructure of insufficient heating

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13320—2007針對(duì)中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)調(diào)質(zhì)后在回火索氏體以及其基體上出現(xiàn)不同形態(tài)的其他組織進(jìn)行等級(jí)分類和評(píng)定圖片，將模鍛件的調(diào)質(zhì)組織分為8級(jí)，其中1級(jí)組織最好，8級(jí)組織最差，見圖3、圖4。在500倍顯微鏡下，觀察評(píng)定調(diào)質(zhì)鍛件金相組織級(jí)別時(shí)，主要看回火組織是由哪些淬火組織轉(zhuǎn)變形成的，同時(shí)還要看游離鐵素體的含量多少、大小和分布形態(tài)。綜合以上情況參照本標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的評(píng)級(jí)圖組綜合評(píng)定級(jí)別。

圖3 1級(jí)組織Fig.3 Level 1 organization

圖4 8級(jí)組織Fig.4 Level 8 organization

但標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13320—2007對(duì)淬火的組織狀態(tài)未進(jìn)行描述和等級(jí)分類，無(wú)法滿足淬火+低溫回火工藝的零件金相組織的評(píng)定需求和淬火過(guò)程的質(zhì)量控制及追溯需求。此外對(duì)調(diào)質(zhì)組織評(píng)定要求太嚴(yán)，為了便于碳鋼的正常使用，對(duì)調(diào)質(zhì)評(píng)級(jí)建議放寬。特殊要求由供需雙方約定，沒有約定按如下要求[7]：

1)碳鋼：按3 mm深度內(nèi)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)工作部位或拉應(yīng)力大的部位，組織等級(jí)1～4級(jí)為合格；非工作部位或拉應(yīng)力小的部位允許組織等級(jí)為1～6級(jí)。

2)合金鋼：按10 mm深度內(nèi)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)工作部位或拉應(yīng)力最大的部位，組織等級(jí)1～4級(jí)為合格；非工作部位或拉應(yīng)力小的部位允許組織為1～6級(jí)。對(duì)于直徑大于60 mm或厚度大于40 mm的零件，按5 mm深度內(nèi)檢驗(yàn)，組織等級(jí)1～4級(jí)為合格，非工作部位允許組織等級(jí)為1～6級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9129—2000根據(jù)不同淬火溫度的顯微組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響，將淬火組織分為5級(jí)，并且通過(guò)馬氏體針葉長(zhǎng)度進(jìn)行量化，見表2。

表2 淬火組織等級(jí)說(shuō)明[8]

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38720—2020以馬氏體和鐵素體為主要控制要素。淬火等級(jí)為1～6級(jí)，以加熱溫度為考慮對(duì)象，采取過(guò)熱、加熱溫度偏高、正常和偏低時(shí)形成的馬氏體針長(zhǎng)的差異狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)。淬火等級(jí)為7～10級(jí)，主要考慮冷卻因素的影響導(dǎo)致的鐵素體體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)等以及其他非馬氏體組織對(duì)性能的影響進(jìn)行了分級(jí)，出現(xiàn)網(wǎng)狀非馬氏體組織和馬氏體體積分?jǐn)?shù)小于80%的狀態(tài)對(duì)材料或零件的力學(xué)性能將帶來(lái)嚴(yán)重影響，這是不允許的，需要重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)于鐵素體含量、形態(tài)的控制和等級(jí)分類，則參考了標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8491—2008、GB/T 8539—2000和JB/T 9173—1999等有關(guān)機(jī)床零件、齒輪零件對(duì)心部鐵素體的要求。淬火組織等級(jí)與顯微組織評(píng)定見表3。

表3 淬火組織等級(jí)與顯微組織[9]

標(biāo)準(zhǔn)列舉了淬火+180 ℃回的火顯微組織評(píng)定圖，此外還列舉了淬火+450 ℃回火、淬火+600 ℃回火的顯微組織圖作為附錄性參考資料。

在等級(jí)評(píng)定分類上，為避免僅依靠圖譜而導(dǎo)致評(píng)定的不確定性和差異性，同時(shí)考慮到晶粒度大小會(huì)直接影響淬火后板條馬氏體和針狀馬氏體的長(zhǎng)度，淬火后馬氏體的長(zhǎng)度也表征晶粒的大小。參考了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中“表6 均勻、各向同性的等軸晶粒顯微晶粒度關(guān)系”關(guān)于晶粒平均直徑的數(shù)據(jù)對(duì)馬氏體針長(zhǎng)進(jìn)行量化分類，從而可有效滿足中碳鋼和中碳合金鋼淬火組織的等級(jí)評(píng)定和質(zhì)量控制，見表4。

表4 馬氏體分類、馬氏體針長(zhǎng)及對(duì)應(yīng)平均晶粒度

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，可以看出：標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗(yàn)》可滿足不同行業(yè)、不同領(lǐng)域、不同零件的中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相檢驗(yàn)與評(píng)定需求，以保證檢驗(yàn)質(zhì)量和熱處理質(zhì)量得到有效的監(jiān)控。通過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)的制定實(shí)施，可以加強(qiáng)熱處理質(zhì)量控制、統(tǒng)一評(píng)價(jià)依據(jù)、減少質(zhì)量糾紛和提高檢驗(yàn)效率。規(guī)范檢驗(yàn)過(guò)程的相關(guān)要求，減少檢驗(yàn)誤差，提高質(zhì)量控制水平，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，杜絕質(zhì)量隱患。