不銹鋼鍋爐管內表面噴丸強化層硬度檢測方法

羅有心， 楊利杰， 裴敏男， 沈澤豪， 裴敏婕， 鐘高武

（1. 浙江久立特材科技股份有限公司， 浙江湖州 313028；2. 湖州市南潯區政務服務管理辦公室， 浙江湖州 313009；3. 湖州市質量技術監督檢測研究院， 浙江湖州 313028）

1 概 述

奧氏體不銹鋼管內壁噴丸強化是將金屬彈丸高速撞擊鋼管內表面， 內表層在彈丸的沖擊下發生多次疊加塑性變形， 最終形成噴丸強化層。 強化層是具有一定深度的塑性變形硬化層， 包括碎化晶層、 單滑移層和多滑移層。 碎化晶層位于噴丸層的最表層， 其組織是高畸變的亞結構（亞晶）組織， 奧氏體晶界和滑移帶消失； 單滑移層位于噴丸層靠基體側， 其組織大部分奧氏體晶粒發生單系滑移， 越接近基體組織發生單系滑移的晶粒比例越低； 多滑移層位于單滑移層和碎化晶層之間，其組織特征是奧氏體晶粒內發生多系滑移。 奧氏體不銹鋼管內壁噴丸強化層典型組織如圖1 所示。

圖1 不銹鋼鍋爐管內壁噴丸強化層典型組織形貌

2 強化層硬度檢測

2.1 檢測設備

噴丸強化層硬度檢測設備包括AXIO Imager A2m ZEISS 金相顯微鏡、 HB-3000 布氏硬度計以及401MVD 數顯顯微維氏硬度計， 檢測設備應滿足GB/T 4340.2 規定， 設備標尺在HV0.01～HV1.0， 硬度計壓頭應當是具有正方形基面的金剛石錐體。

2.2 試樣制備

取樣位置如圖2 所示， 取被強化鋼管管頭、管尾兩端段及中間段、 長度不大于30 mm 的3 個管環試樣， 采用機械切割截段， 兩端平頭。 對于不能滿足試驗設備的試樣， 允許按0°、 90°、180°、 270°切割為4 塊20 mm×30 mm 的小樣（或適宜的若干塊小樣）， 在整個加工過程中確保樣品不受熱影響和變形。

強化層硬度取樣后， 選取一個截面與熱加工軸線平行的檢測面進行研磨拋光， 盡量避免產生夾角。 為了使檢驗面平整， 試樣可用夾具或鑲嵌的方法加以固定。 試樣在拋光時， 應使其檢測面盡可能干凈平整， 檢測面粗糙度應滿足標準要求。

圖2 硬度檢測取樣位置及尺寸

2.3 強化層深度及硬度檢測方法

2.3.1 強化層深度

采用金相分析法， 將試樣檢測面用水60 mL、硫酸銅10 g、 氯化鈉20 g、 硝酸40 mL 的混合溶液或其他適宜的腐蝕劑腐蝕以顯示試樣顯微組織。將試樣檢測面在50～100 倍顯微鏡下觀察噴丸層的組織變化， 選擇噴丸層較均勻且相對最深的噴丸層深度， 推薦200 倍或以上顯微鏡下選測3～5 個相隔有規律的點進行測量， 取測定數據的平均值作為總硬化層深度。 圖3 所示為奧氏體不銹鋼10Cr18Ni9NbCu3BN 正常噴丸層典型顯微組織形貌， 圖4 所示為漏噴區和欠噴區組織形貌。

圖3 正常噴丸層典型顯微組織形貌

圖4 非正常噴丸層典型顯微組織形貌

2.3.2 顯微硬度測定

用與試樣硬度相近的標準硬度塊對設備進行驗證。 將試樣檢測面朝上， 平穩置于顯微硬度計載物臺上， 選擇合適的試驗力加載（優先采用較大試驗力）。 在顯微鏡下分別（隨機） 在0°、 90°、180°、 270°找出距邊緣60 μm （或按技術要求位置和深度） 深度處及基體各3 個試驗點進行檢測，加載完畢后按標準測量壓痕對角線長度， 讀取硬度值， 取3 個測試點硬度平均值為最終硬度值。

3 強化層硬度檢測結果判定

通過對基體硬度的測定及噴丸強化層硬度的測定， 對基體與強化層硬度差值進行比較， 得出是否達到產品要求指標。 例如： S30432 和347HFG 不銹鋼鋼管一般控制橫截面噴丸強化層硬度≥280HV0.5， 基體硬度值≥200 HV0.5且與母體位置測定的硬度差值＞100HV0.5； 按金相分析法檢測鋼管橫截面噴丸強化層的有效深度≥60 μm。

當零件有特定目標區域/部位需要強化時， 設計使用的丸料為不銹鋼丸。 根據丸粒大小， 利用壓縮空氣的噴丸強化是較理想的選擇。 同時噴嘴角度、 規格、 移動速度、 空壓氣體壓力等都是重要的技術參數。 不同直徑丸粒的殘余應力分布如圖5 所示， SUP9 鋼工件表面硬度600HV0.5， 噴丸投射速度73 m/s， 噴丸硬度700HV0.5， 覆蓋率300%。 噴丸強度與殘余應力、 衍射半高寬、 顯微硬度、 疲勞強度的關系如圖6 所示。

圖5 不同直徑丸粒的殘余應力分布狀況

圖6 噴丸層強度與殘余應力、衍射半高度、顯微硬度和疲勞強度的關系

通過缺陷圖譜觀察缺陷晶粒的相位關系， 確定缺陷類型（漏噴、 欠噴）。 分析應根據合理的程序進行， 保證原始數據采集清晰、 完整。 表1 為強化層維氏硬度值。 由表1 檢測結果可以看出， 所測試的S30432 不銹鋼鍋爐管橫截面噴丸層硬度≥280HV0.5， 基體硬度值接近200HV0.5， 與母體位置硬度差大于100HV0.5， 噴丸層有效深度≥60 μm。所測強化層試樣硬度值符合設計要求。

表1 不銹鋼鍋爐管內壁強化層硬度檢測結果

4 結束語

本研究顯微硬度測定法適用于小直徑管材內表面噴丸強化層的檢測和評價， 如內徑20～57 mm、 外徑38～76 mm、 長度12.5 m 的S30432 和347HFG 鍋爐管， 方法實用、 可靠。 另外， 對于強化層的檢測與評定， 除了顯微硬度測定法， 目前比較先進的檢測方法是X 射線衍射， 主要是檢測材料的殘余應力， 是以二維X 射線探測器技術為基礎， 針對超大晶粒材料進行衍射， 對得到的衍射圖像進行分析處理后得到衍射數據， 再根據衍射數據繪制晶粒圖， 得到材料的真實晶界位置。 X 光衍射法區別于傳統檢測得到的平均晶粒尺寸， 準確性更高。