42CrMo4鋼斷口藍化效果的影響因素

馬建宏

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司,太原 030003)

42CrMo4鋼為優質中碳合金結構鋼，具有較高的淬透性，調質處理后具有較高的抗拉強度和疲勞強度，以及良好的耐磨性和韌性，常用于制造一些關鍵的大尺寸零件，如大型齒輪、曲軸、核電高強螺栓、連接桿等[1-3]。材料在使用過程中承受著一定的動載荷及沖擊載荷，因此，對材料中非金屬夾雜物含量的要求十分嚴格。

非金屬夾雜物檢驗方式有微觀觀察法和宏觀觀察法，其中斷口藍化是宏觀觀察法的一種，可以用來評價已變形鋼產品截面上非金屬夾雜物的分布概況[4-5]，檢測流程為：機加工試樣→折斷(25 ℃)→斷口藍化→夾雜物評定。對藍化后的斷口進行宏觀觀察，若鋼中有非金屬夾雜物，夾雜物將以白色線條或顆粒形態分布于藍色斷口中，因此斷口藍化效果直接決定了夾雜物評定結果的準確性。筆者開展了斷口藍化試驗，研究了鋼的顯微組織、試樣放置方式、熱處理工藝等方面對斷口藍化效果的影響，以得到最佳藍化效果，保證斷口夾雜物檢驗的準確性。

1 試驗方法

圖1 斷口試樣取樣示意

在直徑為260 mm的42CrMo4圓鋼上切取厚度為20 mm的圓片試樣，然后沿著圓片試樣中心線刻出深度約為5 mm的V型槽口(見圖1)。將刻好槽的圓片試樣放置在壓力試驗機的支撐臺上，保證V型槽口中心線與沖擊道口吻合。在沖擊載荷作用下，將圓片試樣一次性折斷，斷口面(檢測面)應平行于圓鋼的鍛造(軋制)方向。將折斷后的試樣放置于箱式熱處理爐中進行藍化處理，斷口面放置于爐膛的中心位置，熱處理爐的爐膛尺寸為500 mm×1 200 mm×600 mm(長×寬×高)，加熱元件分布在爐底和爐膛兩側。試樣放置位置如圖2所示，藍化熱處理工藝如表1所示。藍化處理后用能譜儀(EDS)分析斷口表面的氧化物成分，用徠卡DM4000M型光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌。

圖2 試樣放置位置示意

表1 試樣的藍化熱處理工藝

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織對斷口藍化效果的影響

藍化處理前，需要對加工好的試樣進行折斷，折斷后的斷口形貌會直接影響藍化效果。圖3為42CrMo4鋼正火和退火狀態下斷口的顯微組織形貌。由圖3可知：正火態組織為細小、均勻的索氏體，晶粒度等級為8級；退火態組織為珠光體+鐵素體，組織較為粗大且不均勻，晶粒度等級為4.5～6級。

圖4為42CrMo4鋼正火和退火狀態下斷口藍化后的宏觀形貌。由圖4可知：正火狀態的試樣斷口藍化效果均勻，斷口平整，整體呈均勻的纖維狀；退火狀態的試樣斷口藍化后，斷口呈不均勻色澤，特別是在斷口凹凸不平和撕裂的位置，呈纖維狀與結晶狀斷口混合形貌，部分區域凹凸不平，斷口面上可見撕裂的特征。說明在折斷前，試樣的組織盡可能均勻、細小，可以保證斷口呈均勻、平整的纖維狀形貌。

圖3 42CrMo4鋼正火和退火狀態下斷口的顯微組織形貌

圖4 42CrMo4鋼正火和退火狀態下斷口藍化后的宏觀形貌

2.2 試樣放置方式對斷口藍化效果的影響

分別采用爐口方向、爐頂方向、加熱元件方向3種方向放置試樣斷口面，然后進行斷口藍化，斷口藍化后的宏觀形貌如圖5所示。由圖5可知:斷口面向著爐口方向放置時，斷口整體藍化比較均勻，效果較好；斷口面向著爐頂方向放置時，藍化效果不均勻；斷口面向著加熱元件方向放置時，藍化效果最差。

圖5 采用不同試樣放置方式斷口藍化后的宏觀形貌

按照藍化原理，試樣發生藍化必須有良好的氧化氣氛，加熱爐爐口的氧含量充足，試樣與氧氣接觸良好且氧氣流動均勻，斷口藍化效果好，隨著斷口面離爐口的距離越遠，斷口的藍化程度越淺。

2.3 熱處理工藝對斷口藍化效果的影響

2.3.1 不同加熱溫度的影響

圖6為不同加熱溫度下斷口藍化后的宏觀形貌。由圖6可知：當加熱溫度為350 ℃時，斷口藍化程度較淺，斷口色澤與夾雜物區分不明顯，不利于夾雜物觀察判定；當加熱溫度為420 ℃時，斷口藍化速率較快，藍化程度不易控制，保溫5 min時斷口就發生了過藍化，斷口色澤呈灰藍色；當加熱溫度為390 ℃時，斷口藍化效果最佳。

圖6 不同加熱溫度下斷口藍化后的宏觀形貌

2.3.2 不同保溫時間的影響

斷口藍化轉變是一個斷口色澤漸變過程，整個藍化過程可分為6個階段：原始斷口→加熱初期→藍化開始→藍化完成→藍化后期→過藍化。保溫時間的長短對斷口藍化具有重要影響。當加熱溫度為390 ℃時，不同保溫時間下斷口藍化后的宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知：斷口試樣未加熱時，斷口為典型的銀灰色,具有新鮮的金屬光澤；保溫時間為20 min時，屬于加熱初期階段，保溫時間短，藍化轉變不完全，斷口首先由原始斷口的自然色轉變為紅棕色；保溫時間為30 min時，斷口由紅棕色開始向藍色轉變，斷口藍化開始；保溫時間為40 min時，斷口藍化完成，斷口呈深藍色，若斷口上有夾雜物存在，會以白色條狀或顆粒狀呈現；當保溫時間為50 min時，斷口發生過藍化，斷口呈灰藍色，不利于鑒別斷口中是否含有夾雜物；當保溫時間為60 min時，斷口的色澤呈灰色，完全不能鑒別斷口是否有夾雜物。

對不同保溫時間的斷口藍化試樣進行EDS分析，結果如表2所示。由表2可知：保溫時間由20 min延長到60 min時，斷口表面的氧元素含量由1.24%增加到了9.20%。說明斷口藍化效果的不同主要是由斷口表面氧化程度不同造成的。

3 結論與建議

影響42CrMo4鋼斷口藍化的因素有材料的顯微組織、試樣放置方式和熱處理工藝等。當斷口材料的原始組織細小、均勻，試樣斷口面朝爐門口放置，加熱溫度為390 ℃，保溫時間為40 min時，斷口的藍化效果最佳。

圖7 不同保溫時間下斷口藍化后的宏觀形貌

表2 不同保溫時間斷口藍化試樣的能譜分析結果 %