40CrNiMo鋼回火后顯微組織的腐蝕工藝研究

吳琳瑯，張崔禹，袁春明，吳 昂，高 暢 ，徐 昊 ，馬 敘 *

（1. 航天精工股份有限公司，天津市緊固連接技術企業重點實驗室，天津 300300；2. 天津理工大學材料科學與工程學院，天津市金屬材料高效近凈成形技術工程中心，天津 300384；3. 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001）

40CrNiMo 是 國 家 標 準 GB/T 3077—1999 中40CrNiMoA 鋼的俗稱，因其具有較高的強度和韌性，良好的淬透性及熱穩定性，適用于制造強度高、截面大的重要零件，如重型機械中直徑較大的汽輪機軸、葉片、傳動軸、曲軸和飛機起落架等。40CrNi-Mo 鋼之所以用途廣泛，因為通過淬火＋回火、等溫淬火、深冷處理、表面淬火與表面化學熱處理等手段，可以在很大范圍內塑造其性能［1］。鋼的晶粒度的顯示及測定，對判斷材料的質量、檢驗熱處理工藝的正確性，確定晶粒的遺傳性，研究晶粒大小和性能之間的關系，探討混晶與探傷缺陷關系等都具有十分重要的意義。因此鋼廠的檢測部門、科研單位都把晶粒度的檢驗作為失效分析研究和評定材料質量的第一項重要指標。晶粒度顯示有多種方法，其中以晶粒邊界直接顯示方法比較準確，它排除外來因素的干擾，真實地反映了晶粒大小，但是，對于多種元素存在的合金和奧氏體型不銹鋼等鋼種晶粒度的顯示，經常因腐蝕方式、腐蝕劑的采用等原因，往往晶粒不會清晰從而造成在做失效分析時往往對研究者造成混淆，不易于判斷。因此，在保證40CrNiMo鋼顯微組織形貌清晰的同時，采用的腐蝕方法更為簡單高效則是最為理想化的方式。國內有關40CrNiMo 鋼的研究中還未見關于腐蝕金屬以精確顯露其組織成分和相成分的報道，為了對40CrNi-Mo 鋼進行更清晰的組織表征和腐蝕方法的探究。本文將從化學腐蝕以及電解腐蝕兩個大方面去進行比較操作，以得到最優良的金相圖［2］。

1 實驗材料與方法

試驗所用40CrNiMo 為棒狀原料，規格φ6.0 mm。材料經GNT50萬能試驗機常溫壓縮后獲得本實驗所用尺寸的棒件，回火方案采用300 ℃和600 ℃保溫兩小時的方式。化學腐蝕采用4 %、5%、6%濃度的硝酸酒精，電解腐蝕采用10%濃度的鉻酸和草酸溶液以及20 %濃度的鉻酸溶液［2-4］。試驗經壓縮后所經的具體試驗流程如圖1所示。

圖1 試件電解拋光流程圖Fig.1 Electrolytic polishing flow chart of test piece

將變形結束后的試件沿著中心軸線十字剖開，對其進行回火熱處理操作并用熱鑲機對其進行鑲嵌，對鑲嵌好的件進行磨平機研磨，經預磨機打磨（240～3000目水砂紙）、拋光（W10～W2.5研磨膏）、振蕩（丙酮、酒精）、腐蝕后在光學顯微鏡（OM）下觀察不同試件的微觀組織［3］，使用X 射線衍射儀（XRD）觀察相成分，利用掃描電鏡對其微觀組織成分進行觀察，并用EDS 能譜對其元素成分進行分析，用硬度測試儀測試其不同回火方式下的硬度。選擇OTF-1200X 管式爐抽完真空進行50 %壓縮量樣件的回火熱處理操作，升溫速率控制在8 ℃/min，冷卻方式為空冷［4］。

2 結果與討論

2.1 回火前后的XRD分析

從圖2可以得到50%變形量在不同回火方式下的XRD 衍射結果。在原始試樣的XRD 圖譜中只有四個特征峰，分別是：（110）、（200）、（211）和（220）晶面。圖譜中只出現Fe-Cr 的特征峰，表明其他元素基本上全部溶解到基體中。原始試樣的XRD 圖譜通過專業分析軟件Jade 6 進行分析，在軟件中進行摳除背底、平滑處理、尋峰和物相檢索之后和卡片PDF#34-0396 較吻合，其基底為Fe-Cr。而不同回火方式下的XRD 可以看出相對于原始試樣的峰沒有明顯的偏移，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，沒有發現其他相的峰。結果表明，合金基體為完全奧氏體γ（Fe-Cr）［5-7］。

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

2.2 回火前后的硬度比較

為了去觀察回火前后硬度對于40CrNiMo 鋼的腐蝕金相的影響，因此需要測試維氏硬度。在測試硬度時，利用硬度測試儀對經過不同回火熱處理方式的樣件進行硬度分析，如圖3 所示。在進行硬度測量中，選取了每個樣件的五個方位，一個方位進行四次打點，有效地減小了實驗中的誤差，提高了試驗的精度和準確度。

圖3 不同變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，主要是位錯密度發生變化，硬度隨位錯密度的降低快速下降，當在450～550 ℃回火時，基體組織發生變化，回火期間析出大量的碳化物導致了析出強化，析出強化能延緩由于位錯密度降低所造成的軟化，所以出現了較為平穩的現象。回火溫度進一步增加到600 ℃時，鐵素體基體在高溫下發生再結晶，此時組織轉變為回火索氏體，硬度迅速降低［4-5］。

2.3 不同腐蝕方式對于顯微組織的影響

對于鋼的腐蝕最關鍵的是選擇正確的腐蝕劑及腐蝕時間，如果控制不當，可能會腐蝕較淺或過度。圖4為50%壓縮量的不同腐蝕制度下利用光學顯微鏡（OM）拍攝出的40CrNiMo 合金的顯微組織。常用的4%硝酸酒精腐蝕5 min所得到的顯微組織，從圖4 中可以看出，晶界表露不明顯，顯微組織不清晰，所以筆者試著增加硝酸酒精的濃度以想得到更加優良的顯微組織［6-7］。將硝酸酒精濃度提升到5%及6 %的濃度后，拍攝出的金相照片依然可見組織形態，且在圖中可以看出有細小的孔洞，說明腐蝕程度已經足夠，說明硝酸酒精對于這種多種元素成分形成的合金并不適用［10-13］。

在圖4中可以得到，將腐蝕方式更換為3%的三氯化鐵加10%的稀鹽酸水溶液腐蝕2 min在金相顯微鏡下拍攝的顯微組織，可以看出在此腐蝕方式下，回火后的帶狀偏析可以很明確地看出，馬氏體的組織在此種腐蝕方式下白色條帶和黑色條帶顯示的極為清晰和明顯［8-9］，且腐蝕時間較硝酸酒精腐蝕的時間更短，效率更高，效果更好。

晶界腐蝕是電化學腐蝕過程，由于晶界處原子排列不規則，自由能較高，晶界存在成分偏析，使晶界和晶內產生電位差，構成腐蝕微電池，在電解這一環境下，晶界作為陽極而溶解，晶界顯現。對于不同的合金應當采用不同的電解制度。對于40CrNi-Mo，所以所選的電解液的酸度不宜太大，采用低濃度的鉻酸及草酸對其嘗試腐蝕，觀察腐蝕結果［10］。

將40CrNiMo 的樣件連上陽極，電壓控制為15～20 V 之間，電流控制在 0.4～0.6 A 之間，腐蝕時間為5 min。從圖4 中可以看出：經過電解腐蝕得到的顯微組織樣態明顯，形態優良，10%的鉻酸和草酸溶液已經足可以腐蝕出清晰的顯微形貌，在將鉻酸的濃度提升到20%后，腐蝕出的形態在高倍鏡下會有些許的小孔洞。與3%的三氯化鐵加10%的稀鹽酸水溶液的腐蝕方式相比，電解腐蝕的方法更可控，但效率稍低［14-16］。

圖4 50%壓縮量的不同腐蝕制度下40CrNiMo合金的顯微組織Fig.4 Microstructure of 40CrNiMo alloy under different corrosion systems with 50%compression

2.4 壓縮量的不同對于不同腐蝕方式所造成的影響

圖5 為利用上文所研究出的較好的腐蝕方式對在450 ℃+2 h的回火制度后的件進行腐蝕后所拍攝出的金相。

圖5 不同壓縮量下的腐蝕金相圖Fig.5 Corrosion metallographic diagram under different compression

從圖中可以看出：在不同的壓縮量下，晶粒形態有很多不同的改變，50%的壓縮量有著極其明顯的條形狀組織，且晶粒形態排布較為規則。60%的壓縮量下的晶粒形態條形狀組織較為模糊，晶粒形態一般規則。而在70%壓縮量的狀態下，無論是用化學腐蝕中較好的3%三氯化鐵+10%稀鹽酸水溶液，或是用電解腐蝕中效果較好的10%的鉻酸溶液，都可以看出在超大變形量下，組織已經變化了較大的形態，未能看出明顯又清晰的結構［18-19］。

根據實驗中的過程分析亦可以得出：利用化學腐蝕劑腐蝕時：在相同的時間下，50 %壓縮量的金相腐蝕過深，且在掃描電鏡下可以看到由于腐蝕過深而在基體上腐蝕出的孔洞，在60%壓縮量的金相下能看到的由于腐蝕造成的痕跡較為有限，而對于70%壓縮量下的金相，可以看出腐蝕深度稍有些許的淺。因此，在經過不斷壓縮且回火的過程中，所帶來的可能不僅是加工硬化的特征，其內部元素成分的Cr、Ni等元素亦可以增強耐蝕性［20］。

2.5 在回火過程中析出相的元素成分

為了例證在回火過程中是否會有析出相的存在影響腐蝕的難易程度與腐蝕效果，因此利用掃描電鏡（SEM）下的EDS 能譜分析其含有的元素成分是否會增加40CrNiMo鋼的耐腐蝕性。

圖6 為EDS 能譜及結果，可以看出在表1 和表2點掃對比的EDS 能譜的結果，點1 和點2 的元素成分對比明顯，也即是析出相的元素成分相對于基體的元素成分的對比，在對比中可以得到：C 含量有明顯的增加，且有微量的Mn 元素的析出，因此根據此元素分析，可以確定析出相為碳化物。在面掃的結果中：回火后的樣件Si 元素有明顯的析出，會增加40CrNiMo鋼的耐腐蝕性。

圖6 掃描電鏡圖及面掃結果Fig.6 SEM and surface scan results

表1 點1的EDS能譜結果Tab.1 EDS results of spectrum 1

表2 點2的EDS能譜結果Tab.2 EDS results of spectrum 2

3 結論

（1）50 %壓縮量的40CrNiMo 鋼在不同回火方式下的XRD衍射結果中峰沒有明顯的偏移，峰的位置保持了大量的重合，合金基體為奧氏體γ（Fe-Cr），因此在選用腐蝕劑方式時不用考慮新的元素成分大量析出的問題。

（2）硝酸酒精腐蝕出來的顯微組織未見明顯形貌；3 %的三氯化鐵加10 %的稀鹽酸水溶液腐蝕2 min 在金相顯微鏡下拍攝的顯微組織可以得到清晰明顯的回火索氏體的組織。

（3）10 %的鉻酸溶液和草酸溶液電解腐蝕5 min在金相顯微鏡下拍攝的顯微組織樣態明顯，形態優良。

（4）壓縮量較大的樣件，腐蝕深度稍淺。因此，在經過不斷壓縮且回火的過程中，所帶來的可能不僅是加工硬化的特征，其內部元素成分的Cr、Ni 等元素亦可以增強耐蝕性，經過EDS 能譜分析，可能會有少許的Si、Mn 元素析出，亦可能增加其耐蝕性能。