42CrMo4鋼斷口藍(lán)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(yōu)質(zhì)中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的淬透性，調(diào)質(zhì)處理后具有較高的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，以及良好的耐磨性和韌性，常用于制造一些關(guān)鍵的大尺寸零件，如大型齒輪、曲軸、核電高強(qiáng)螺栓、連接桿等[1-3]。材料在使用過程中承受著一定的動(dòng)載荷及沖擊載荷，因此，對(duì)材料中非金屬夾雜物含量的要求十分嚴(yán)格。

非金屬夾雜物檢驗(yàn)方式有微觀觀察法和宏觀觀察法，其中斷口藍(lán)化是宏觀觀察法的一種，可以用來評(píng)價(jià)已變形鋼產(chǎn)品截面上非金屬夾雜物的分布概況[4-5]，檢測流程為：機(jī)加工試樣→折斷(25 ℃)→斷口藍(lán)化→夾雜物評(píng)定。對(duì)藍(lán)化后的斷口進(jìn)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(tài)分布于藍(lán)色斷口中，因此斷口藍(lán)化效果直接決定了夾雜物評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者開展了斷口藍(lán)化試驗(yàn)，研究了鋼的顯微組織、試樣放置方式、熱處理工藝等方面對(duì)斷口藍(lán)化效果的影響，以得到最佳藍(lán)化效果，保證斷口夾雜物檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)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(yàn)機(jī)的支撐臺(tái)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(yīng)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(jìn)行藍(lán)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(cè)。試樣放置位置如圖2所示，藍(lán)化熱處理工藝如表1所示。藍(lán)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(xué)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(lán)化熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織對(duì)斷口藍(lán)化效果的影響

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

圖4為42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口藍(lán)化后的宏觀形貌。由圖4可知：正火狀態(tài)的試樣斷口藍(lán)化效果均勻，斷口平整，整體呈均勻的纖維狀；退火狀態(tài)的試樣斷口藍(lán)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(jié)晶狀斷口混合形貌，部分區(qū)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(xì)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(tài)下斷口的顯微組織形貌

圖4 42CrMo4鋼正火和退火狀態(tài)下斷口藍(lán)化后的宏觀形貌

2.2 試樣放置方式對(duì)斷口藍(lán)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(jìn)行斷口藍(lán)化，斷口藍(lán)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(shí)，斷口整體藍(lán)化比較均勻，效果較好；斷口面向著爐頂方向放置時(shí)，藍(lán)化效果不均勻；斷口面向著加熱元件方向放置時(shí)，藍(lán)化效果最差。

圖5 采用不同試樣放置方式斷口藍(lán)化后的宏觀形貌

按照藍(lán)化原理，試樣發(fā)生藍(lán)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(dòng)均勻，斷口藍(lán)化效果好，隨著斷口面離爐口的距離越遠(yuǎn)，斷口的藍(lán)化程度越淺。

2.3 熱處理工藝對(duì)斷口藍(lán)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(lán)化后的宏觀形貌。由圖6可知：當(dāng)加熱溫度為350 ℃時(shí)，斷口藍(lán)化程度較淺，斷口色澤與夾雜物區(qū)分不明顯，不利于夾雜物觀察判定；當(dāng)加熱溫度為420 ℃時(shí)，斷口藍(lán)化速率較快，藍(lán)化程度不易控制，保溫5 min時(shí)斷口就發(fā)生了過藍(lán)化，斷口色澤呈灰藍(lán)色；當(dāng)加熱溫度為390 ℃時(shí)，斷口藍(lán)化效果最佳。

圖6 不同加熱溫度下斷口藍(lán)化后的宏觀形貌

2.3.2 不同保溫時(shí)間的影響

斷口藍(lán)化轉(zhuǎn)變是一個(gè)斷口色澤漸變過程，整個(gè)藍(lán)化過程可分為6個(gè)階段：原始斷口→加熱初期→藍(lán)化開始→藍(lán)化完成→藍(lán)化后期→過藍(lán)化。保溫時(shí)間的長短對(duì)斷口藍(lán)化具有重要影響。當(dāng)加熱溫度為390 ℃時(shí)，不同保溫時(shí)間下斷口藍(lán)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(shí)，斷口為典型的銀灰色,具有新鮮的金屬光澤；保溫時(shí)間為20 min時(shí)，屬于加熱初期階段，保溫時(shí)間短，藍(lán)化轉(zhuǎn)變不完全，斷口首先由原始斷口的自然色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色；保溫時(shí)間為30 min時(shí)，斷口由紅棕色開始向藍(lán)色轉(zhuǎn)變，斷口藍(lán)化開始；保溫時(shí)間為40 min時(shí)，斷口藍(lán)化完成，斷口呈深藍(lán)色，若斷口上有夾雜物存在，會(huì)以白色條狀或顆粒狀呈現(xiàn)；當(dāng)保溫時(shí)間為50 min時(shí)，斷口發(fā)生過藍(lán)化，斷口呈灰藍(lán)色，不利于鑒別斷口中是否含有夾雜物；當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí)，斷口的色澤呈灰色，完全不能鑒別斷口是否有夾雜物。

對(duì)不同保溫時(shí)間的斷口藍(lán)化試樣進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：保溫時(shí)間由20 min延長到60 min時(shí)，斷口表面的氧元素含量由1.24%增加到了9.20%。說明斷口藍(lán)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(jié)論與建議

影響42CrMo4鋼斷口藍(lán)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(dāng)斷口材料的原始組織細(xì)小、均勻，試樣斷口面朝爐門口放置，加熱溫度為390 ℃，保溫時(shí)間為40 min時(shí)，斷口的藍(lán)化效果最佳。

圖7 不同保溫時(shí)間下斷口藍(lán)化后的宏觀形貌

表2 不同保溫時(shí)間斷口藍(lán)化試樣的能譜分析結(jié)果 %