马建宏

(山西太钢不锈钢股份有限公司,太原 030003)

摘 要:对材料的显微组织、试样放置方式、热处理工艺等方面进行试验研究,分析了42CrMo4 钢断口蓝化效果的影响因素。结果表明: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40min时,断口的蓝化效果最佳,断口上白色细条状或颗粒 状夹杂物显现明显。

关键词:断口蓝化;夹杂物;加热温度;保温时间;显微组织 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0032-04

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

1 试验方法

在直径为260mm 的42CrMo4圆钢上切取厚度 为20mm 的圆片试样,然后沿着圆片试样中心线刻 出深度约为5mm 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500mm×1200mm× 600mm(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。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织对断口蓝化效果的影响

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。

2.2 试样放置方式对断口蓝化效果的影响

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。

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 热处理工艺对断口蓝化效果的影响 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5min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。

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30min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 50min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 20min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。

3 结论与建议

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40min时,断口 的蓝化效果最佳。

来源：材料与测试网