马建宏
(山西太钢不锈钢股份有限公司,太原 030003)
42CrMo4钢为优质中碳合金结构钢,具有较高的淬透性,调质处理后具有较高的抗拉强度和疲劳强度,以及良好的耐磨性和韧性,常用于制造一些关键的大尺寸零件,如大型齿轮、曲轴、核电高强螺栓、连接杆等[1-3]。材料在使用过程中承受着一定的动载荷及冲击载荷,因此,对材料中非金属夹杂物含量的要求十分严格。
非金属夹杂物检验方式有微观观察法和宏观观察法,其中断口蓝化是宏观观察法的一种,可以用来评价已变形钢产品截面上非金属夹杂物的分布概况[4-5],检测流程为:机加工试样→折断(25 ℃)→断口蓝化→夹杂物评定。对蓝化后的断口进行宏观观察,若钢中有非金属夹杂物,夹杂物将以白色线条或颗粒形态分布于蓝色断口中,因此断口蓝化效果直接决定了夹杂物评定结果的准确性。笔者开展了断口蓝化试验,研究了钢的显微组织、试样放置方式、热处理工艺等方面对断口蓝化效果的影响,以得到最佳蓝化效果,保证断口夹杂物检验的准确性。
图1 断口试样取样示意
在直径为260 mm的42CrMo4圆钢上切取厚度为20 mm的圆片试样,然后沿着圆片试样中心线刻出深度约为5 mm的V型槽口(见图1)。将刻好槽的圆片试样放置在压力试验机的支撑台上,保证V型槽口中心线与冲击道口吻合。在冲击载荷作用下,将圆片试样一次性折断,断口面(检测面)应平行于圆钢的锻造(轧制)方向。将折断后的试样放置于箱式热处理炉中进行蓝化处理,断口面放置于炉膛的中心位置,热处理炉的炉膛尺寸为500 mm×1 200 mm×600 mm(长×宽×高),加热元件分布在炉底和炉膛两侧。试样放置位置如图2所示,蓝化热处理工艺如表1所示。蓝化处理后用能谱仪(EDS)分析断口表面的氧化物成分,用徕卡DM4000M型光学显微镜观察试样的显微组织形貌。
图2 试样放置位置示意
表1 试样的蓝化热处理工艺
蓝化处理前,需要对加工好的试样进行折断,折断后的断口形貌会直接影响蓝化效果。图3为42CrMo4钢正火和退火状态下断口的显微组织形貌。由图3可知:正火态组织为细小、均匀的索氏体,晶粒度等级为8级;退火态组织为珠光体+铁素体,组织较为粗大且不均匀,晶粒度等级为4.5~6级。
图4为42CrMo4钢正火和退火状态下断口蓝化后的宏观形貌。由图4可知:正火状态的试样断口蓝化效果均匀,断口平整,整体呈均匀的纤维状;退火状态的试样断口蓝化后,断口呈不均匀色泽,特别是在断口凹凸不平和撕裂的位置,呈纤维状与结晶状断口混合形貌,部分区域凹凸不平,断口面上可见撕裂的特征。说明在折断前,试样的组织尽可能均匀、细小,可以保证断口呈均匀、平整的纤维状形貌。
图3 42CrMo4钢正火和退火状态下断口的显微组织形貌
图4 42CrMo4钢正火和退火状态下断口蓝化后的宏观形貌
分别采用炉口方向、炉顶方向、加热元件方向3种方向放置试样断口面,然后进行断口蓝化,断口蓝化后的宏观形貌如图5所示。由图5可知:断口面向着炉口方向放置时,断口整体蓝化比较均匀,效果较好;断口面向着炉顶方向放置时,蓝化效果不均匀;断口面向着加热元件方向放置时,蓝化效果最差。
图5 采用不同试样放置方式断口蓝化后的宏观形貌
按照蓝化原理,试样发生蓝化必须有良好的氧化气氛,加热炉炉口的氧含量充足,试样与氧气接触良好且氧气流动均匀,断口蓝化效果好,随着断口面离炉口的距离越远,断口的蓝化程度越浅。
2.3.1 不同加热温度的影响
图6为不同加热温度下断口蓝化后的宏观形貌。由图6可知:当加热温度为350 ℃时,断口蓝化程度较浅,断口色泽与夹杂物区分不明显,不利于夹杂物观察判定;当加热温度为420 ℃时,断口蓝化速率较快,蓝化程度不易控制,保温5 min时断口就发生了过蓝化,断口色泽呈灰蓝色;当加热温度为390 ℃时,断口蓝化效果最佳。
图6 不同加热温度下断口蓝化后的宏观形貌
2.3.2 不同保温时间的影响
断口蓝化转变是一个断口色泽渐变过程,整个蓝化过程可分为6个阶段:原始断口→加热初期→蓝化开始→蓝化完成→蓝化后期→过蓝化。保温时间的长短对断口蓝化具有重要影响。当加热温度为390 ℃时,不同保温时间下断口蓝化后的宏观形貌如图7所示。由图7可知:断口试样未加热时,断口为典型的银灰色,具有新鲜的金属光泽;保温时间为20 min时,属于加热初期阶段,保温时间短,蓝化转变不完全,断口首先由原始断口的自然色转变为红棕色;保温时间为30 min时,断口由红棕色开始向蓝色转变,断口蓝化开始;保温时间为40 min时,断口蓝化完成,断口呈深蓝色,若断口上有夹杂物存在,会以白色条状或颗粒状呈现;当保温时间为50 min时,断口发生过蓝化,断口呈灰蓝色,不利于鉴别断口中是否含有夹杂物;当保温时间为60 min时,断口的色泽呈灰色,完全不能鉴别断口是否有夹杂物。
对不同保温时间的断口蓝化试样进行EDS分析,结果如表2所示。由表2可知:保温时间由20 min延长到60 min时,断口表面的氧元素含量由1.24%增加到了9.20%。说明断口蓝化效果的不同主要是由断口表面氧化程度不同造成的。
影响42CrMo4钢断口蓝化的因素有材料的显微组织、试样放置方式和热处理工艺等。当断口材料的原始组织细小、均匀,试样断口面朝炉门口放置,加热温度为390 ℃,保温时间为40 min时,断口的蓝化效果最佳。
图7 不同保温时间下断口蓝化后的宏观形貌
表2 不同保温时间断口蓝化试样的能谱分析结果 %