中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬回火組織檢驗標(biāo)準的探討

代玉杰

(青島金鏈檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 青島 266705)

中碳鋼和中碳合金鋼是一種廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、高鐵、軌道交通、風(fēng)電等行業(yè)的鋼材[1-3]，一般情況下，其最終熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)回火或者低溫回火馬氏體，其力學(xué)性能很大程度上取決于馬氏體組織的粗細程度[4]。由于各行業(yè)對零件熱處理過程中的質(zhì)量要求越來越嚴，作為監(jiān)控零件熱處理質(zhì)量重要方法之一的金相檢驗標(biāo)準，也提出了更高的要求，因此需要建立統(tǒng)一客觀及可量化區(qū)別的等級標(biāo)準，以便于引用。

目前國內(nèi)關(guān)于中碳鋼和中碳合金鋼淬回火組織檢驗的標(biāo)準有JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金鋼馬氏體等級》、GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》、GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗》和JB/T 9129—2000《60Si2Mn鋼螺旋彈簧金相檢驗標(biāo)準》。而國外未見到關(guān)于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)淬火金相組織的檢驗與評定的標(biāo)準。由此可知，在實際生產(chǎn)中，若依據(jù)的標(biāo)準不同，就會引起不必要的糾紛，因此有必要對現(xiàn)有的標(biāo)準進行全面的對比分析，以供選擇合理的評價標(biāo)準。

1 標(biāo)準的適用范圍

標(biāo)準JB/T 9211—2008適用于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火馬氏體組織的評定，標(biāo)準GB/T 13320—2007適用于碳含量為0.25%～0.60%的碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的模鍛件金相組織評定。但是在實際中許多零件是棒材或線材直接下料加工或鑄造成型，熱處理的目的是相同的，故只能借鑒此標(biāo)準。而標(biāo)準JB/T 9129—2000為60Si2Mn鋼螺旋彈簧檢驗淬火及中溫回火的顯微組織評定提供了考核依據(jù)，也可供其他硅錳鋼、錳鋼螺旋彈簧金相檢驗時參考。

標(biāo)準GB/T 38720—2020和JB/T 9211—2008、標(biāo)準GB/T 13320—2007和JB/T 9129—2000進行對比，適用于中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火、回火后金相組織的檢驗與評定，其適用的范圍更加寬泛。但上述所有標(biāo)準均不適用于脫碳、過燒、等溫淬火等組織的評定。

2 原材料要求

原材料的影響往往不被重視, 有時還會使人感到困惑，誤導(dǎo)熱處理工藝的制定[5]。因此，標(biāo)準GB/T 38720—2020規(guī)定了化學(xué)成分、晶粒度、非金屬夾雜物和帶狀組織等要求。其中4.4條款關(guān)于非金屬夾雜物的等級要求和4.5條款帶狀組織的要求參考了標(biāo)準JB/T 13027—2017《重載齒輪滲碳熱處理技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定。而其余三個標(biāo)準對于原材料都沒有明確的要求。

3 檢驗相關(guān)要求

現(xiàn)有標(biāo)準都要求在500倍下隨機觀察5個以上視場，與標(biāo)準圖譜對比進行評級。此外，標(biāo)準GB/T 38720—2020從“人、機、料、法、環(huán)”五大方面對整個檢驗活動進行了規(guī)定，從而確保檢測結(jié)果的準確性。這部分目前有些企業(yè)做得不夠完善到位，例如檢測人員可能沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，更沒有相應(yīng)的上崗證；檢驗過程中產(chǎn)生的廢液沒有經(jīng)中和處理后集中處置；金相顯微鏡無定期的核查，無法滿足計量溯源性要求等。而其余三個標(biāo)準明顯缺乏相關(guān)的規(guī)定要求。

4 組織等級與顯微組織評定

標(biāo)準JB/T 9211—2008對組織等級的評定依據(jù)標(biāo)準圖譜對比進行分級，將馬氏體的組織等級分為8級，并且在其附錄中規(guī)定了各級馬氏體的適用范圍，見表1。

表1 各級馬氏體的適用范圍[6]

采用比較法雖然簡單方便，但缺少量化的參考依據(jù)，實施過程中檢驗差異大，同時標(biāo)準未對淬火過程中因淬透性、零件尺寸和淬火時冷卻能力等因素而出現(xiàn)的未熔鐵素體、先共析鐵素體、屈氏體和珠光體等異常組織(見圖1、圖2)進行描述和分類，在實際引用參考時，無法對組織進行有效、全面的評級。

圖1 冷卻不良組織Fig.1 Microstructure of poor cooling

圖2 加熱不足組織Fig.2 Microstructure of insufficient heating

標(biāo)準GB/T 13320—2007針對中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)調(diào)質(zhì)后在回火索氏體以及其基體上出現(xiàn)不同形態(tài)的其他組織進行等級分類和評定圖片，將模鍛件的調(diào)質(zhì)組織分為8級，其中1級組織最好，8級組織最差，見圖3、圖4。在500倍顯微鏡下，觀察評定調(diào)質(zhì)鍛件金相組織級別時，主要看回火組織是由哪些淬火組織轉(zhuǎn)變形成的，同時還要看游離鐵素體的含量多少、大小和分布形態(tài)。綜合以上情況參照本標(biāo)準相對應(yīng)的評級圖組綜合評定級別。

圖3 1級組織Fig.3 Level 1 organization

圖4 8級組織Fig.4 Level 8 organization

但標(biāo)準GB/T 13320—2007對淬火的組織狀態(tài)未進行描述和等級分類，無法滿足淬火+低溫回火工藝的零件金相組織的評定需求和淬火過程的質(zhì)量控制及追溯需求。此外對調(diào)質(zhì)組織評定要求太嚴，為了便于碳鋼的正常使用，對調(diào)質(zhì)評級建議放寬。特殊要求由供需雙方約定，沒有約定按如下要求[7]：

1)碳鋼：按3 mm深度內(nèi)檢驗，檢驗工作部位或拉應(yīng)力大的部位，組織等級1～4級為合格；非工作部位或拉應(yīng)力小的部位允許組織等級為1～6級。

2)合金鋼：按10 mm深度內(nèi)檢驗，檢驗工作部位或拉應(yīng)力最大的部位，組織等級1～4級為合格；非工作部位或拉應(yīng)力小的部位允許組織為1～6級。對于直徑大于60 mm或厚度大于40 mm的零件，按5 mm深度內(nèi)檢驗，組織等級1～4級為合格，非工作部位允許組織等級為1～6級。

標(biāo)準JB/T 9129—2000根據(jù)不同淬火溫度的顯微組織及其對力學(xué)性能的影響，將淬火組織分為5級，并且通過馬氏體針葉長度進行量化，見表2。

表2 淬火組織等級說明[8]

標(biāo)準GB/T 38720—2020以馬氏體和鐵素體為主要控制要素。淬火等級為1～6級，以加熱溫度為考慮對象，采取過熱、加熱溫度偏高、正常和偏低時形成的馬氏體針長的差異狀態(tài)進行分級。淬火等級為7～10級，主要考慮冷卻因素的影響導(dǎo)致的鐵素體體積分數(shù)、形態(tài)等以及其他非馬氏體組織對性能的影響進行了分級，出現(xiàn)網(wǎng)狀非馬氏體組織和馬氏體體積分數(shù)小于80%的狀態(tài)對材料或零件的力學(xué)性能將帶來嚴重影響，這是不允許的，需要重點關(guān)注。

對于鐵素體含量、形態(tài)的控制和等級分類，則參考了標(biāo)準JB/T 8491—2008、GB/T 8539—2000和JB/T 9173—1999等有關(guān)機床零件、齒輪零件對心部鐵素體的要求。淬火組織等級與顯微組織評定見表3。

表3 淬火組織等級與顯微組織[9]

標(biāo)準列舉了淬火+180 ℃回的火顯微組織評定圖，此外還列舉了淬火+450 ℃回火、淬火+600 ℃回火的顯微組織圖作為附錄性參考資料。

在等級評定分類上，為避免僅依靠圖譜而導(dǎo)致評定的不確定性和差異性，同時考慮到晶粒度大小會直接影響淬火后板條馬氏體和針狀馬氏體的長度，淬火后馬氏體的長度也表征晶粒的大小。參考了標(biāo)準GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中“表6 均勻、各向同性的等軸晶粒顯微晶粒度關(guān)系”關(guān)于晶粒平均直徑的數(shù)據(jù)對馬氏體針長進行量化分類，從而可有效滿足中碳鋼和中碳合金鋼淬火組織的等級評定和質(zhì)量控制，見表4。

表4 馬氏體分類、馬氏體針長及對應(yīng)平均晶粒度

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)有標(biāo)準的對比，可以看出：標(biāo)準GB/T 38720—2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗》可滿足不同行業(yè)、不同領(lǐng)域、不同零件的中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相檢驗與評定需求，以保證檢驗質(zhì)量和熱處理質(zhì)量得到有效的監(jiān)控。通過本標(biāo)準的制定實施，可以加強熱處理質(zhì)量控制、統(tǒng)一評價依據(jù)、減少質(zhì)量糾紛和提高檢驗效率。規(guī)范檢驗過程的相關(guān)要求，減少檢驗誤差，提高質(zhì)量控制水平，降低質(zhì)量風(fēng)險，杜絕質(zhì)量隱患。