40CrNiMo钢回火后显微组织的腐蚀工艺研究

吴琳琅，张崔禹，袁春明，吴 昂，高 畅 ，徐 昊 ，马 叙 *

（1. 航天精工股份有限公司，天津市紧固连接技术企业重点实验室，天津 300300；2. 天津理工大学材料科学与工程学院，天津市金属材料高效近净成形技术工程中心，天津 300384；3. 中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

40CrNiMo 是 国 家 标 准 GB/T 3077—1999 中40CrNiMoA 钢的俗称，因其具有较高的强度和韧性，良好的淬透性及热稳定性，适用于制造强度高、截面大的重要零件，如重型机械中直径较大的汽轮机轴、叶片、传动轴、曲轴和飞机起落架等。40CrNi-Mo 钢之所以用途广泛，因为通过淬火＋回火、等温淬火、深冷处理、表面淬火与表面化学热处理等手段，可以在很大范围内塑造其性能［1］。钢的晶粒度的显示及测定，对判断材料的质量、检验热处理工艺的正确性，确定晶粒的遗传性，研究晶粒大小和性能之间的关系，探讨混晶与探伤缺陷关系等都具有十分重要的意义。因此钢厂的检测部门、科研单位都把晶粒度的检验作为失效分析研究和评定材料质量的第一项重要指标。晶粒度显示有多种方法，其中以晶粒边界直接显示方法比较准确，它排除外来因素的干扰，真实地反映了晶粒大小，但是，对于多种元素存在的合金和奥氏体型不锈钢等钢种晶粒度的显示，经常因腐蚀方式、腐蚀剂的采用等原因，往往晶粒不会清晰从而造成在做失效分析时往往对研究者造成混淆，不易于判断。因此，在保证40CrNiMo钢显微组织形貌清晰的同时，采用的腐蚀方法更为简单高效则是最为理想化的方式。国内有关40CrNiMo 钢的研究中还未见关于腐蚀金属以精确显露其组织成分和相成分的报道，为了对40CrNi-Mo 钢进行更清晰的组织表征和腐蚀方法的探究。本文将从化学腐蚀以及电解腐蚀两个大方面去进行比较操作，以得到最优良的金相图［2］。

1 实验材料与方法

试验所用40CrNiMo 为棒状原料，规格φ6.0 mm。材料经GNT50万能试验机常温压缩后获得本实验所用尺寸的棒件，回火方案采用300 ℃和600 ℃保温两小时的方式。化学腐蚀采用4 %、5%、6%浓度的硝酸酒精，电解腐蚀采用10%浓度的铬酸和草酸溶液以及20 %浓度的铬酸溶液［2-4］。试验经压缩后所经的具体试验流程如图1所示。

图1 试件电解抛光流程图Fig.1 Electrolytic polishing flow chart of test piece

将变形结束后的试件沿着中心轴线十字剖开，对其进行回火热处理操作并用热镶机对其进行镶嵌，对镶嵌好的件进行磨平机研磨，经预磨机打磨（240～3000目水砂纸）、抛光（W10～W2.5研磨膏）、振荡（丙酮、酒精）、腐蚀后在光学显微镜（OM）下观察不同试件的微观组织［3］，使用X 射线衍射仪（XRD）观察相成分，利用扫描电镜对其微观组织成分进行观察，并用EDS 能谱对其元素成分进行分析，用硬度测试仪测试其不同回火方式下的硬度。选择OTF-1200X 管式炉抽完真空进行50 %压缩量样件的回火热处理操作，升温速率控制在8 ℃/min，冷却方式为空冷［4］。

2 结果与讨论

2.1 回火前后的XRD分析

从图2可以得到50%变形量在不同回火方式下的XRD 衍射结果。在原始试样的XRD 图谱中只有四个特征峰，分别是：（110）、（200）、（211）和（220）晶面。图谱中只出现Fe-Cr 的特征峰，表明其他元素基本上全部溶解到基体中。原始试样的XRD 图谱通过专业分析软件Jade 6 进行分析，在软件中进行抠除背底、平滑处理、寻峰和物相检索之后和卡片PDF#34-0396 较吻合，其基底为Fe-Cr。而不同回火方式下的XRD 可以看出相对于原始试样的峰没有明显的偏移，峰的位置保持了大量的重合。因此可以得到：在不同回火方式中，由于析出相的熔解，没有发现其他相的峰。结果表明，合金基体为完全奥氏体γ（Fe-Cr）［5-7］。

图2 50%变形量下在不同回火方式下的XRDFig.2 XRD under different tempering modes at 50 %deformation

2.2 回火前后的硬度比较

为了去观察回火前后硬度对于40CrNiMo 钢的腐蚀金相的影响，因此需要测试维氏硬度。在测试硬度时，利用硬度测试仪对经过不同回火热处理方式的样件进行硬度分析，如图3 所示。在进行硬度测量中，选取了每个样件的五个方位，一个方位进行四次打点，有效地减小了实验中的误差，提高了试验的精度和准确度。

图3 不同变形量下在不同回火方式下的硬度Fig.3 Hardness under different tempering methods under different deformation

低于450 ℃回火，主要是位错密度发生变化，硬度随位错密度的降低快速下降，当在450～550 ℃回火时，基体组织发生变化，回火期间析出大量的碳化物导致了析出强化，析出强化能延缓由于位错密度降低所造成的软化，所以出现了较为平稳的现象。回火温度进一步增加到600 ℃时，铁素体基体在高温下发生再结晶，此时组织转变为回火索氏体，硬度迅速降低［4-5］。

2.3 不同腐蚀方式对于显微组织的影响

对于钢的腐蚀最关键的是选择正确的腐蚀剂及腐蚀时间，如果控制不当，可能会腐蚀较浅或过度。图4为50%压缩量的不同腐蚀制度下利用光学显微镜（OM）拍摄出的40CrNiMo 合金的显微组织。常用的4%硝酸酒精腐蚀5 min所得到的显微组织，从图4 中可以看出，晶界表露不明显，显微组织不清晰，所以笔者试着增加硝酸酒精的浓度以想得到更加优良的显微组织［6-7］。将硝酸酒精浓度提升到5%及6 %的浓度后，拍摄出的金相照片依然可见组织形态，且在图中可以看出有细小的孔洞，说明腐蚀程度已经足够，说明硝酸酒精对于这种多种元素成分形成的合金并不适用［10-13］。

在图4中可以得到，将腐蚀方式更换为3%的三氯化铁加10%的稀盐酸水溶液腐蚀2 min在金相显微镜下拍摄的显微组织，可以看出在此腐蚀方式下，回火后的带状偏析可以很明确地看出，马氏体的组织在此种腐蚀方式下白色条带和黑色条带显示的极为清晰和明显［8-9］，且腐蚀时间较硝酸酒精腐蚀的时间更短，效率更高，效果更好。

晶界腐蚀是电化学腐蚀过程，由于晶界处原子排列不规则，自由能较高，晶界存在成分偏析，使晶界和晶内产生电位差，构成腐蚀微电池，在电解这一环境下，晶界作为阳极而溶解，晶界显现。对于不同的合金应当采用不同的电解制度。对于40CrNi-Mo，所以所选的电解液的酸度不宜太大，采用低浓度的铬酸及草酸对其尝试腐蚀，观察腐蚀结果［10］。

将40CrNiMo 的样件连上阳极，电压控制为15～20 V 之间，电流控制在 0.4～0.6 A 之间，腐蚀时间为5 min。从图4 中可以看出：经过电解腐蚀得到的显微组织样态明显，形态优良，10%的铬酸和草酸溶液已经足可以腐蚀出清晰的显微形貌，在将铬酸的浓度提升到20%后，腐蚀出的形态在高倍镜下会有些许的小孔洞。与3%的三氯化铁加10%的稀盐酸水溶液的腐蚀方式相比，电解腐蚀的方法更可控，但效率稍低［14-16］。

图4 50%压缩量的不同腐蚀制度下40CrNiMo合金的显微组织Fig.4 Microstructure of 40CrNiMo alloy under different corrosion systems with 50%compression

2.4 压缩量的不同对于不同腐蚀方式所造成的影响

图5 为利用上文所研究出的较好的腐蚀方式对在450 ℃+2 h的回火制度后的件进行腐蚀后所拍摄出的金相。

图5 不同压缩量下的腐蚀金相图Fig.5 Corrosion metallographic diagram under different compression

从图中可以看出：在不同的压缩量下，晶粒形态有很多不同的改变，50%的压缩量有着极其明显的条形状组织，且晶粒形态排布较为规则。60%的压缩量下的晶粒形态条形状组织较为模糊，晶粒形态一般规则。而在70%压缩量的状态下，无论是用化学腐蚀中较好的3%三氯化铁+10%稀盐酸水溶液，或是用电解腐蚀中效果较好的10%的铬酸溶液，都可以看出在超大变形量下，组织已经变化了较大的形态，未能看出明显又清晰的结构［18-19］。

根据实验中的过程分析亦可以得出：利用化学腐蚀剂腐蚀时：在相同的时间下，50 %压缩量的金相腐蚀过深，且在扫描电镜下可以看到由于腐蚀过深而在基体上腐蚀出的孔洞，在60%压缩量的金相下能看到的由于腐蚀造成的痕迹较为有限，而对于70%压缩量下的金相，可以看出腐蚀深度稍有些许的浅。因此，在经过不断压缩且回火的过程中，所带来的可能不仅是加工硬化的特征，其内部元素成分的Cr、Ni等元素亦可以增强耐蚀性［20］。

2.5 在回火过程中析出相的元素成分

为了例证在回火过程中是否会有析出相的存在影响腐蚀的难易程度与腐蚀效果，因此利用扫描电镜（SEM）下的EDS 能谱分析其含有的元素成分是否会增加40CrNiMo钢的耐腐蚀性。

图6 为EDS 能谱及结果，可以看出在表1 和表2点扫对比的EDS 能谱的结果，点1 和点2 的元素成分对比明显，也即是析出相的元素成分相对于基体的元素成分的对比，在对比中可以得到：C 含量有明显的增加，且有微量的Mn 元素的析出，因此根据此元素分析，可以确定析出相为碳化物。在面扫的结果中：回火后的样件Si 元素有明显的析出，会增加40CrNiMo钢的耐腐蚀性。

图6 扫描电镜图及面扫结果Fig.6 SEM and surface scan results

表1 点1的EDS能谱结果Tab.1 EDS results of spectrum 1

表2 点2的EDS能谱结果Tab.2 EDS results of spectrum 2

3 结论

（1）50 %压缩量的40CrNiMo 钢在不同回火方式下的XRD衍射结果中峰没有明显的偏移，峰的位置保持了大量的重合，合金基体为奥氏体γ（Fe-Cr），因此在选用腐蚀剂方式时不用考虑新的元素成分大量析出的问题。

（2）硝酸酒精腐蚀出来的显微组织未见明显形貌；3 %的三氯化铁加10 %的稀盐酸水溶液腐蚀2 min 在金相显微镜下拍摄的显微组织可以得到清晰明显的回火索氏体的组织。

（3）10 %的铬酸溶液和草酸溶液电解腐蚀5 min在金相显微镜下拍摄的显微组织样态明显，形态优良。

（4）压缩量较大的样件，腐蚀深度稍浅。因此，在经过不断压缩且回火的过程中，所带来的可能不仅是加工硬化的特征，其内部元素成分的Cr、Ni 等元素亦可以增强耐蚀性，经过EDS 能谱分析，可能会有少许的Si、Mn 元素析出，亦可能增加其耐蚀性能。