崔廣磊 李 超 閻 平

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

34CrNiMo6鋼最早隨著某艦船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)引進(jìn)于德國(guó)，為低合金高強(qiáng)鋼，因其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，廣泛用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸及連桿等重要零件。某公司生產(chǎn)的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸即由34CrNiMo6鋼制造，其主要生產(chǎn)流程為：原材料軋制方鋼→下料→鍛造→正火→高溫回火→斷口檢驗(yàn)→調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)→機(jī)加工→裝配。為了保證曲軸零件的質(zhì)量，避免鍛造過(guò)熱過(guò)燒的曲軸毛坯流入下道工序，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降或者產(chǎn)品不合格，給公司帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失，特對(duì)34CrNiMo6鋼鍛造過(guò)熱過(guò)燒斷口進(jìn)行分析研究，為判定鍛造內(nèi)部質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用試樣來(lái)源：原材料軋制方鋼(□185×185mm)→下料(長(zhǎng)度110mm)→鍛造(直徑Φ140mm、長(zhǎng)度200mm)。

取樣位置如圖1所示。斷口試驗(yàn)處理工藝：鍛造+正火。

圖1 取樣位置

力學(xué)性能試驗(yàn)處理工藝：鍛造+正火→淬火+高溫回火。

2 試驗(yàn)工藝

所選試驗(yàn)工藝如表1。

表1 試驗(yàn)工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 按試驗(yàn)工藝處理后的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果和宏觀斷口形貌見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看到，4組樣品的拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。根據(jù)資料，非穩(wěn)定過(guò)熱對(duì)靜載力學(xué)性能影響不大，而穩(wěn)定過(guò)熱對(duì)塑性和韌性有較大影響，本試驗(yàn)得到的穩(wěn)定過(guò)熱組織只占斷口面積的一部分，因此塑性和韌性的降低并不明顯，只有晶粒粗大的4#樣塑性值(A、Z)和韌性值(AKU2)有所下降[1]。對(duì)于過(guò)熱和過(guò)燒材料來(lái)說(shuō)，熱處理狀態(tài)對(duì)力學(xué)性能的影響巨大。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，材料處于韌性狀態(tài)，對(duì)于非穩(wěn)定過(guò)熱影響很小，對(duì)于穩(wěn)定過(guò)熱和過(guò)燒來(lái)說(shuō)要看其嚴(yán)重程度，本試驗(yàn)中穩(wěn)定過(guò)熱和過(guò)燒發(fā)生在局部斷口上，鋼的塑性和沖擊韌性值沒(méi)有明顯的降低。但是如果整個(gè)斷面都存在嚴(yán)重的穩(wěn)定過(guò)熱或過(guò)燒，晶界弱化的后果就充分顯現(xiàn)出來(lái)，會(huì)極大降低鋼的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性，這時(shí)只需很小的力就會(huì)使其沿晶界裂開(kāi)[1]。

3.2 宏觀斷口形貌特征

圖2記錄了不同試驗(yàn)工藝下試件的斷口形貌，從中可以看出隨加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，斷口由細(xì)結(jié)晶狀變?yōu)榇纸Y(jié)晶狀直至出現(xiàn)石狀。而加熱溫度的升高對(duì)材料的過(guò)熱或過(guò)燒的影響程度較大。從宏觀斷口來(lái)看，1#斷口為纖維狀，顆粒較細(xì)，無(wú)金屬光澤，屬正常斷口；2#斷口呈現(xiàn)銀亮色小刻面，但非常細(xì)小，屬于輕微過(guò)熱，經(jīng)過(guò)淬火、高溫回火后，結(jié)晶狀斷口完全消除，見(jiàn)圖3(a)。3#斷口為粗結(jié)晶狀，經(jīng)過(guò)淬火、高溫回火后，在斷口的個(gè)別部位仍保留了石狀，形貌見(jiàn)圖3(b)，這種石狀斷口是否可以通過(guò)正火來(lái)消除，需要通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果來(lái)決定。4#斷口非常粗大為結(jié)晶狀和石狀的混合斷口，經(jīng)過(guò)淬火、高溫回火后，仍保留了較為嚴(yán)重的石狀，見(jiàn)圖3(c)。

圖2 斷口形貌

圖3 沖擊斷口

3.3 金相試驗(yàn)結(jié)果

1#金相組織為均勻的回火索氏體，是正常的調(diào)質(zhì)組織，如圖4(a)；2#組織不均勻，局部已經(jīng)開(kāi)始變的粗大，呈現(xiàn)出了織構(gòu)特征[2]，如圖4(b)；3#組織晶粒大小不一，出現(xiàn)了混晶，如圖4(c)，此時(shí)晶粒已開(kāi)始迅速長(zhǎng)大；4#組織很粗，已出現(xiàn)粗大的織構(gòu)狀組織，如圖4(d)，晶粒度達(dá)到了0級(jí)甚至更粗，為嚴(yán)重的過(guò)熱或過(guò)燒組織。

圖4 金相組織500×

3.4 斷口的微觀形貌

掃描電鏡分析結(jié)果表明，1#斷口是由大量的韌窩組成，為韌性斷裂的形貌特征，如圖5(a)。2#斷口主要由韌窩狀組成，局部斷口上顯示有石狀特征，如圖5(b)，為沿晶脆性斷裂，晶面上基本沒(méi)有析出物，只有個(gè)別區(qū)域?yàn)闇\韌窩，屬于偽石狀斷口[3]。3#和4#宏觀下看到的石狀斷口，在掃描電鏡下為沿晶斷裂，晶面上有大量的MnS析出，表現(xiàn)出了穩(wěn)定過(guò)熱特征；4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象，形成了過(guò)燒，如圖6。

圖5 斷口微觀形貌

圖6 過(guò)燒現(xiàn)象

4 分析與討論

金屬由于加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起的奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體組織，使零件變脆的現(xiàn)象，稱(chēng)之為過(guò)熱。

過(guò)熱斷口宏觀特征主要表現(xiàn)為細(xì)結(jié)晶狀、粗結(jié)晶狀和石狀，當(dāng)加熱溫度過(guò)高或高溫保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)晶粒長(zhǎng)大，首先產(chǎn)生細(xì)結(jié)晶狀斷口，隨著過(guò)熱的嚴(yán)重程度增加，則出現(xiàn)粗結(jié)晶狀斷口，也稱(chēng)為奈狀斷口，這兩種斷口表面均有金屬光澤，分布著許多位向不同的反光小平面，當(dāng)過(guò)熱程度繼續(xù)增加時(shí)，原奧氏體晶界嚴(yán)重粗化，高溫時(shí)溶入奧氏體中的第二相，在冷卻過(guò)程中沿原奧氏體晶界析出，受力時(shí)沿晶界斷裂，斷口呈灰白色，無(wú)金屬光澤，如同砂石鑲嵌與斷面上，稱(chēng)為偽石狀斷口。當(dāng)過(guò)熱不嚴(yán)重時(shí)，一般可以通過(guò)退火，正火，淬火等方法重新使晶粒細(xì)化，但過(guò)熱嚴(yán)重時(shí)，用熱處理的方法不能消除，這時(shí)對(duì)力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為沖擊韌性的大幅度下降。

不同的金屬材料，它的過(guò)熱表現(xiàn)形式也不同，晶粒長(zhǎng)大到何種程度算過(guò)熱，需要結(jié)合金相組織特征進(jìn)行分析[2]，仍然難以判斷時(shí)，需結(jié)合力學(xué)性能或借助于掃描電鏡、透射電鏡等進(jìn)行分析，而不能只根據(jù)斷口形貌進(jìn)行判斷。

在斷口檢驗(yàn)中，過(guò)熱的情況最為復(fù)雜，理論上可分為穩(wěn)定過(guò)熱和非穩(wěn)定過(guò)熱，穩(wěn)定過(guò)熱晶界上會(huì)出現(xiàn)析出相，用熱處理方法不能消除；非穩(wěn)定過(guò)熱晶界上沒(méi)有析出相，可以通過(guò)熱處理的方法得到改善或消除。穩(wěn)定過(guò)熱較為復(fù)雜，有兩種情況，一種是由于析出相引起的穩(wěn)定過(guò)熱，它的形成是因?yàn)楦邷貢r(shí)固溶于奧氏體中的第二相(主要是MnS)，在冷卻時(shí)沿奧氏體晶界析出，因固溶溫度較高，在一般的正火、淬火溫度下不能重新溶入基體，形成穩(wěn)定過(guò)熱。其嚴(yán)重程度取決于沿奧氏體晶界析出相的多少。另一種是由于晶粒遺傳組織引起的穩(wěn)定過(guò)熱。但是如果在軋制或鍛造后形成粗大晶粒，冷卻時(shí)會(huì)在原奧氏體的大晶粒內(nèi)形成許多小晶粒，但這些小晶粒的空間取向與大晶粒保持著一定的位向關(guān)系，在重新加熱時(shí)這些小晶粒還原成原來(lái)的奧氏體大晶粒，空間取向基本不變，在冷卻到室溫后，奧氏體大晶粒又重新分割成若干個(gè)小晶粒，這樣從形式上看晶粒得到了細(xì)化，而實(shí)質(zhì)上還是原來(lái)的大晶粒，斷口仍保留了晶粒粗大的特征，材料韌性明顯下降。這時(shí)也形成了穩(wěn)定過(guò)熱。材料過(guò)熱后，強(qiáng)度指標(biāo)下降并不明顯，而對(duì)韌性指標(biāo)則影響較為顯著。特別是在脆性狀態(tài)下，沖擊值會(huì)顯著降低，受到很小的作用力時(shí)就有可能發(fā)生斷裂，所以危害較大。

過(guò)燒是指加熱溫度過(guò)高時(shí)，晶界氧化、出現(xiàn)顯微空洞和開(kāi)始部分熔化的現(xiàn)象[3][4]。金屬材料的過(guò)燒，首先發(fā)生于晶界，這是由于晶界具有較高的動(dòng)能，并且存在著大量的空位、位錯(cuò)以及低熔點(diǎn)化合物和雜質(zhì)元素的富集，使晶界熔點(diǎn)最低，當(dāng)材料加熱溫度過(guò)高、并在高溫段停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，首先在晶界上出現(xiàn)顯微空洞以及氧化和熔化，材料過(guò)燒后，斷口表面呈淺灰色、無(wú)金屬光澤的極為凹凸不平的石狀，嚴(yán)重時(shí)石狀分布于整個(gè)斷面，受力時(shí)表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂。

根據(jù)晶界的特性得知，晶界本身存在著許多合金碳化物、空位以及雜質(zhì)元素的富聚等，當(dāng)晶界發(fā)生氧化、出現(xiàn)顯微孔洞和剛剛開(kāi)始熔融時(shí)，用金相顯微鏡通常觀察到的是較粗的黑色晶界，這時(shí)只能借助于電鏡觀察到晶界上的氧化物、空洞和輕微的熔化現(xiàn)象，只有當(dāng)過(guò)燒嚴(yán)重時(shí)，才能用金相顯微鏡觀察到晶界的氧化和熔化特征。

材料過(guò)燒后晶界脆化，晶粒間結(jié)合力顯著下降，使材料的力學(xué)性能大幅度降低，特別是沖擊韌性的影響最為嚴(yán)重。因此，在生產(chǎn)中材料或零件出現(xiàn)過(guò)燒時(shí)無(wú)法通過(guò)熱處理的方法進(jìn)行挽救，只能報(bào)廢處理。

試驗(yàn)中2#出現(xiàn)的偽石狀斷口，其宏觀形貌類(lèi)似石狀斷口。它與石狀斷口的主要區(qū)別是在原奧氏體晶界上沒(méi)有或僅有極少量的第二相質(zhì)點(diǎn)析出。偽石狀斷口與石狀斷口一樣，能降低鋼的塑性和沖擊韌性。對(duì)晶界無(wú)析出相的偽石狀斷口，用一般的熱處理方法可以改善或消除，因此它是一種不穩(wěn)定過(guò)熱特征[5]。在個(gè)別部位析出的MnS可以看成是非金屬夾雜物，在數(shù)量少于非金屬夾雜物檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)量范圍內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量不會(huì)造不良影響[4]。

3#和4#斷口在掃描電鏡下均為沿晶斷裂，晶面上有大量的MnS析出，表現(xiàn)出了穩(wěn)定過(guò)熱特征。4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象，形成了過(guò)燒。石狀斷口的成因是加熱溫度過(guò)高、奧氏體晶粒粗大、冷卻時(shí)沿原奧氏體晶界析出第二相質(zhì)點(diǎn)；多數(shù)合金鋼析出的是硫化錳[1]。上述試驗(yàn)表明，在34CrNiMo6鋼中石狀斷口的過(guò)熱小平面是由大量韌窩組成的，韌窩底部有MnS沉淀。經(jīng)調(diào)質(zhì)后獲得穩(wěn)定過(guò)熱的石狀斷口是一種不可逆缺陷，用熱處理的方法不能改善或消除。過(guò)熱不僅使晶粒長(zhǎng)大，而且使那些分布在晶內(nèi)的MnS夾雜物分解，形成硫和錳。而在隨后的冷卻過(guò)程中，硫和錳又重新化合成新的非常細(xì)小的MnS夾雜物。這種在固態(tài)下硫化物的分解和析出與液態(tài)向固態(tài)的結(jié)晶不同，他們沿著晶界邊界析出，造成晶界弱化，在受到較小的作用力時(shí)就會(huì)沿晶界裂開(kāi)，形成石狀斷口。因此出現(xiàn)石狀斷口時(shí)零件必須予以報(bào)廢。

5 研究結(jié)果

通過(guò)對(duì)34CrNiMo6鋼鍛造過(guò)熱、過(guò)燒宏觀斷口、微觀斷口及力學(xué)性能的分析研究，提供了34CrNiMo6鋼過(guò)熱、過(guò)燒的斷口形貌、靜態(tài)力學(xué)性能、金相組織及其相關(guān)研究數(shù)據(jù)，確定了過(guò)熱過(guò)燒斷口界限的評(píng)判依據(jù)，為準(zhǔn)確判定鍛件的內(nèi)部質(zhì)量提供了技術(shù)支持。