C客戶軸套理化檢驗方法的建立和質量分析

李夏青

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

0 概述

在C 客戶軸套產品的試制開始時，公司無相關的檢測標準和檢測方法，只有大量關于 C 客戶相關標準和方法的電子文檔，而在C 客戶公司標準和方法中并無指導金相檢驗的相關文件或資料。因此，為了產品試制和生產的需要，亟需對C 客戶標準和方法進行消化、吸收，并從這些標準和方法中選出具有指導意義的資料，應用于試制過程中，然后，再從試制和生產過程中總結出檢測的方法和經驗，建立C 客戶軸套產品理化檢驗指導書，來滿足公司C 客戶產品的生產的需要。

1 課題試驗的內容

1.1 標準的識別

C 客戶軸套產品研發項目組成員負責C 客戶軸套產品金相檢驗方法的建立。C 客戶軸套產品開始試制后，共陸續接到公司技術部門傳送的英文版電子文檔約84 份，標準的范圍包括材料標準、尺寸標準、熱處理標準、表面要求標準以及這些標準所涉及的檢驗方法等。經過初步瀏覽，梳理出與理化檢驗相關的標準，將其歸類，見表1，表1 將其與相關的國內檢驗標準和方法進行了比較。

表1 C 客戶軸套產品標準及與國家、行業標準對照表

1.2 標準的理解

公司的C 客戶軸套產品從20Cr 鋼制9R4110 滲碳軸套開始試制。試制初期，滲碳件標準應用的主要是C 客戶標準。在標準應用前，要進行準備工作，主要是分析各種滲碳顯微組織的形成機理和組織特征，從中熟悉各種組織的評判依據和方法，然后在產品試制過程中對顯微組織進行分析。同時，通過查尋資料和購買書籍和浸蝕劑，為晶粒度的浸蝕顯示做準備。

2 試驗

2.1 顯微組織分析

為確保各滲碳顯微組織等項目檢驗的準確性，在顯微組織檢驗之前，需要根據檢測項目和檢測位置的特點來保護試樣。對于滲碳件樣品，采用了熱固性鑲嵌法[1]，來保護試樣的邊緣，同時采用0.1 μm 金剛石拋光劑進行最后拋光，以確保組織細節的清晰，從而進一步保證組織評定的準確性。

2.1.1 滲碳軸套顯微組織分析

滲碳軸套顯微組織檢驗項目包括殘余奧氏體、表層碳化物、表層氧化物、脫碳層、表面貝氏體/珠光體、次表層貝氏體、顯微裂紋和心部鐵素體。顯微組織項目的檢驗方法歸納見表2。

表2 滲碳軸套熱處理或磨加工后檢測項目、位置、檢驗依據和判定依據明細表

2.1.2 直淬軸套的顯微組織分析

直淬軸套的顯微組織檢驗項目包括馬氏體和屈氏體，顯微組織項目的檢驗方法歸納見表3。C 客戶標準規定，在距表面0.5 mm 內不允許存在非馬氏體組織。試制的結果如下。對于屈氏體項目，C 客戶標準比JB/T 1255 更為嚴格，例如某型號軸套，按C 客戶標準判定，經常會出現屈氏體項目不合格的情況，經過多次工藝試驗仍然難以達到要求。向C 客戶提供符合JB/T 1255 的樣品時，C 客戶方面沒有否定。因此，熱處理工序的金相檢驗采依然采用JB/T 1255 標準，而軸套磨加工后，在進行檢測并向C 客戶提供報告時，檢測依據為C 客戶標準，此時對方也未對屈氏體檢測結果進行判定。

表3 直淬軸套熱處理或磨加工后檢測項目、位置、檢驗依據和判定依據明細表

2.2 晶粒度試驗

從一般的熱處理工藝曲線可知，熱處理工藝包括了3 個最關鍵要素，即加熱、保溫和冷卻，通過對熱處理工藝的嚴格控制使產品質量達到設計要求[2]。根據熱處理后的產品質量的檢驗結果，可反映出熱處理工藝的控制水平。例如，晶粒度和馬氏體與熱處理工藝過程中的加熱、保溫關系密切，所以對熱處理加熱、保溫以及相關的質量控制往往是選擇相對應檢測項目。目前，在我國與軸承零件相關的熱處理質量控制標準中，大多采用馬氏體控制方法，例如某公司目前執行的行業標準JB/T 1255《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理質量標準》就是采用馬氏體控制方法，而對晶粒度的檢驗沒有要求。與我國不同的是，國外標準大多采用晶粒度控制方法，C 客戶標準也是如此，著重強調了晶粒度的控制。然而，在JB/T 1255《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理質量標準》標準修訂意見稿中，提出了對晶粒度的質量的檢驗要求。由此可見，我國行業標準正向國際化方向發展。

進行晶粒度試驗時，首先選擇20Cr 鋼制零件作為試驗材料，并根據GB/T 6394 標準選擇浸蝕劑配方。由于GB/T 6394標準沒有提供浸蝕溫度和浸蝕時間，所以即使有合適的浸蝕劑配方，在室溫下仍不能顯示晶粒。通過查尋相關資料，試驗時采用過幾種不同的浸蝕溫度來顯示晶粒，但是相同配方在不同的溫度下晶粒的顯示速度各有不同，為了今后的檢驗操作更為方便和更具復現性，研究人員確定實驗時采用100 ℃的高溫進行加熱。通過對不同的顯示劑配方，在100 ℃下進行不同時間的浸蝕，經過反復試驗可以得出不同配方的最佳顯示效果，不同的浸蝕劑配方、浸蝕溫度和浸蝕時間搭配最終呈現的顯示效果見表4，浸蝕后典型顯示效果如圖1 所示。經過一段時間的大量試驗，研究人員逐漸掌握了20Cr 鋼和GCr15鋼的晶粒度顯示技術。最終確定了20Cr 鋼和GCr15 鋼原奧氏體晶粒度的浸蝕方法[1]：浸蝕劑為5 g 苦味酸、4 g 十二烷基苯磺酸鈉、4 滴雙氧水、100 mL 蒸餾水和少許鋼片，浸蝕溫度為100 ℃，浸蝕時間為50 s[1]。從試驗的結果看，加入少許鋼片可防止試樣過度氧化。

圖1 浸蝕后幾個典型的顯示效果圖

表4 浸蝕劑配方與浸蝕溫度和浸蝕時間

2.3 滲碳淬火硬化層試驗

滲碳淬火硬化層的試驗，國內采用的是國家標準GB/T 9450《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》。該標準中規定，在與客戶無特殊約定的情況下，滲碳淬火硬化層測試時，所采用的測試力為4.9 N～9.8 N。根據國家標準，在向C 客戶提供的首份檢驗報告中滲碳淬火硬化層的測試采用了9.8 N 測試力測試力，C 客戶對此沒有提出異議。但C 客戶在樣品接收檢驗時，提出了滲碳淬火硬化層測試須采用4.9 N 測試力。因此，在隨后的C 客戶軸套產品檢驗中，均采用C 客戶規定的方法，即當指定的最小表面硬度大于或者等于洛氏硬度55 HRC 時，測至洛氏硬度50 HRC。當指定的最小表面硬度小于洛氏硬度55 HRC 時，測至比指定的最小表面硬度小5 HRC。該測試可以通過適當的顯微硬度計來進行檢驗，測試時的測試力為4.9 N，硬度轉換應該與ASTM E140“金屬標準硬度轉換表”或者SAE J417B“硬度測試和硬度值轉換”一致。我國的硬度轉換標準是GB/T 1172《黑色金屬硬度換算表》，經比較，ASTM E140“金屬標準硬度轉換表”與GB/T 1172《黑色金屬硬度換算表》基本一致。

3 理化檢驗方法的建立

建立C 客戶軸套產品理化檢驗方法的主要依據有以下3個方面：1）采用與C 客戶相關的產品標準及ASTM 標準等等效的國家標準和行業標準，例如GB/T 3077《合金結構鋼》、GB/T 18254《高碳鉻軸承鋼》、GB/T 9450《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》、GB/T 230.1《金屬洛氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》、GB/T 6394《金屬平均晶粒度測定法》、GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》和GB/T 4340.1《金屬維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》。2）參照國家行業標準JB/T 1255《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》中所規定的試驗方法。3）在C 客戶軸套產品在試制和生產過程中，其使用到的方法包括晶粒度的試驗方法、滲碳淬火硬化層的檢測方法和金相試樣鑲嵌方法以及試樣取樣中的取樣位置和檢測位置的合理性以及組織特征與判定的方法等。

4 C 客戶軸套產品質量分析與熱處理工藝的指導

以滲碳產品的晶粒度問題與滲碳件二次淬火工藝的應用為例。C 客戶滲碳軸套采用20Cr 鋼。20Cr 鋼屬于本質粗晶粒鋼，在滲碳加熱的過程中，隨著溫度的升高，本質粗晶粒鋼的奧氏體晶粒長大速度越快，在加熱后直接進行淬火處理，隨著滲碳層深度的增加（實際常常也是加熱保溫時間的延長），晶粒度很難達到≥5 級的要求。所以20Cr 鋼在常規的滲碳工藝中，一般采用滲碳為緩冷為加熱為淬火工藝，這種工藝可以細化滲碳時產生的粗大晶粒，從而滿足晶粒度要求[3]。而某公司產品試制初期，20Cr 鋼滲碳軸套采用的熱處理工藝為滲碳為直接淬火工藝，所以在滲碳淬火硬化層深度≥1 mm 時，晶粒度一般情況下都不合格。在分析了晶粒粗大的原因后，C 客戶的滲碳鋼軸套采用了滲碳為緩冷為加熱為淬火即二次淬火工藝，從根本上解決了晶粒度不合格的問題。

5 結論

該文對C 客戶新標準和新方法的認識、歸納和選用以及這些標準在試制和生產過程中所開展的試驗和應用進行了論述，著重介紹了晶粒度試驗過程和20Cr 晶粒度浸蝕顯示方法的確定，可以得出以下結論：1）通過多次與C 客戶技術指導的交流和對C 客戶公司標準的消化吸收，研究人員熟練掌握了C 客戶軸套產品的相關標準以及與這些標準所包括的對熱處理質量控制的檢測意義。在與C 客戶交流的過程中，較好地展示了該公司理化檢測的水平，贏得了C 客戶技術指導的認可。2）編制了《C 客戶軸套產品理化檢驗指導書》，該指導書所涉及的原材料已經進行了檢驗，在熱處理工序和磨加工后的理化檢驗中得到了應用，C 客戶產品的檢測具有充分的檢測依據。3）解決了晶粒度等熱處理指標的檢驗問題，不僅可以滿足C 客戶產品的生產要求，也為今后新版的JB/T 1255 及GB/T 34891、JB/T 8881 標準的執行做好了技術準備。