馬建宏
(山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)
42CrMo4鋼為優(yōu)質中碳合金結構鋼,具有較高的淬透性,調質處理后具有較高的抗拉強度和疲勞強度,以及良好的耐磨性和韌性,常用于制造一些關鍵的大尺寸零件,如大型齒輪、曲軸、核電高強螺栓、連接桿等[1-3]。材料在使用過程中承受著一定的動載荷及沖擊載荷,因此,對材料中非金屬夾雜物含量的要求十分嚴格。
非金屬夾雜物檢驗方式有微觀觀察法和宏觀觀察法,其中斷口藍化是宏觀觀察法的一種,可以用來評價已變形鋼產品截面上非金屬夾雜物的分布概況[4-5],檢測流程為:機加工試樣→折斷(25 ℃)→斷口藍化→夾雜物評定。對藍化后的斷口進行宏觀觀察,若鋼中有非金屬夾雜物,夾雜物將以白色線條或顆粒形態(tài)分布于藍色斷口中,因此斷口藍化效果直接決定了夾雜物評定結果的準確性。筆者開展了斷口藍化試驗,研究了鋼的顯微組織、試樣放置方式、熱處理工藝等方面對斷口藍化效果的影響,以得到最佳藍化效果,保證斷口夾雜物檢驗的準確性。
圖1 斷口試樣取樣示意
在直徑為260 mm的42CrMo4圓鋼上切取厚度為20 mm的圓片試樣,然后沿著圓片試樣中心線刻出深度約為5 mm的V型槽口(見圖1)。將刻好槽的圓片試樣放置在壓力試驗機的支撐臺上,保證V型槽口中心線與沖擊道口吻合。在沖擊載荷作用下,將圓片試樣一次性折斷,斷口面(檢測面)應平行于圓鋼的鍛造(軋制)方向。將折斷后的試樣放置于箱式熱處理爐中進行藍化處理,斷口面放置于爐膛的中心位置,熱處理爐的爐膛尺寸為500 mm×1 200 mm×600 mm(長×寬×高),加熱元件分布在爐底和爐膛兩側。試樣放置位置如圖2所示,藍化熱處理工藝如表1所示。藍化處理后用能譜儀(EDS)分析斷口表面的氧化物成分,用徠卡DM4000M型光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌。
圖2 試樣放置位置示意
表1 試樣的藍化熱處理工藝
藍化處理前,需要對加工好的試樣進行折斷,折斷后的斷口形貌會直接影響藍化效果。圖3為42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口的顯微組織形貌。由圖3可知:正火態(tài)組織為細小、均勻的索氏體,晶粒度等級為8級;退火態(tài)組織為珠光體+鐵素體,組織較為粗大且不均勻,晶粒度等級為4.5~6級。
圖4為42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口藍化后的宏觀形貌。由圖4可知:正火狀態(tài)的試樣斷口藍化效果均勻,斷口平整,整體呈均勻的纖維狀;退火狀態(tài)的試樣斷口藍化后,斷口呈不均勻色澤,特別是在斷口凹凸不平和撕裂的位置,呈纖維狀與結晶狀斷口混合形貌,部分區(qū)域凹凸不平,斷口面上可見撕裂的特征。說明在折斷前,試樣的組織盡可能均勻、細小,可以保證斷口呈均勻、平整的纖維狀形貌。
圖3 42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口的顯微組織形貌
圖4 42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口藍化后的宏觀形貌
分別采用爐口方向、爐頂方向、加熱元件方向3種方向放置試樣斷口面,然后進行斷口藍化,斷口藍化后的宏觀形貌如圖5所示。由圖5可知:斷口面向著爐口方向放置時,斷口整體藍化比較均勻,效果較好;斷口面向著爐頂方向放置時,藍化效果不均勻;斷口面向著加熱元件方向放置時,藍化效果最差。
圖5 采用不同試樣放置方式斷口藍化后的宏觀形貌
按照藍化原理,試樣發(fā)生藍化必須有良好的氧化氣氛,加熱爐爐口的氧含量充足,試樣與氧氣接觸良好且氧氣流動均勻,斷口藍化效果好,隨著斷口面離爐口的距離越遠,斷口的藍化程度越淺。
2.3.1 不同加熱溫度的影響
圖6為不同加熱溫度下斷口藍化后的宏觀形貌。由圖6可知:當加熱溫度為350 ℃時,斷口藍化程度較淺,斷口色澤與夾雜物區(qū)分不明顯,不利于夾雜物觀察判定;當加熱溫度為420 ℃時,斷口藍化速率較快,藍化程度不易控制,保溫5 min時斷口就發(fā)生了過藍化,斷口色澤呈灰藍色;當加熱溫度為390 ℃時,斷口藍化效果最佳。
圖6 不同加熱溫度下斷口藍化后的宏觀形貌
2.3.2 不同保溫時間的影響
斷口藍化轉變是一個斷口色澤漸變過程,整個藍化過程可分為6個階段:原始斷口→加熱初期→藍化開始→藍化完成→藍化后期→過藍化。保溫時間的長短對斷口藍化具有重要影響。當加熱溫度為390 ℃時,不同保溫時間下斷口藍化后的宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知:斷口試樣未加熱時,斷口為典型的銀灰色,具有新鮮的金屬光澤;保溫時間為20 min時,屬于加熱初期階段,保溫時間短,藍化轉變不完全,斷口首先由原始斷口的自然色轉變?yōu)榧t棕色;保溫時間為30 min時,斷口由紅棕色開始向藍色轉變,斷口藍化開始;保溫時間為40 min時,斷口藍化完成,斷口呈深藍色,若斷口上有夾雜物存在,會以白色條狀或顆粒狀呈現(xiàn);當保溫時間為50 min時,斷口發(fā)生過藍化,斷口呈灰藍色,不利于鑒別斷口中是否含有夾雜物;當保溫時間為60 min時,斷口的色澤呈灰色,完全不能鑒別斷口是否有夾雜物。
對不同保溫時間的斷口藍化試樣進行EDS分析,結果如表2所示。由表2可知:保溫時間由20 min延長到60 min時,斷口表面的氧元素含量由1.24%增加到了9.20%。說明斷口藍化效果的不同主要是由斷口表面氧化程度不同造成的。
影響42CrMo4鋼斷口藍化的因素有材料的顯微組織、試樣放置方式和熱處理工藝等。當斷口材料的原始組織細小、均勻,試樣斷口面朝爐門口放置,加熱溫度為390 ℃,保溫時間為40 min時,斷口的藍化效果最佳。
圖7 不同保溫時間下斷口藍化后的宏觀形貌
表2 不同保溫時間斷口藍化試樣的能譜分析結果 %