34CrNiMo6鋼過熱過燒斷口研究*

崔廣磊 李 超 閻 平

(1.包頭職業(yè)技術(shù)學院 車輛工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司計量檢測中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

34CrNiMo6鋼最早隨著某艦船柴油發(fā)動機引進于德國，為低合金高強鋼，因其優(yōu)良的綜合力學性能，廣泛用于制造發(fā)動機的凸輪軸及連桿等重要零件。某公司生產(chǎn)的軍用發(fā)動機曲軸即由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→調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)→機加工→裝配。為了保證曲軸零件的質(zhì)量，避免鍛造過熱過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，給公司帶來不必要的經(jīng)濟損失，特對34CrNiMo6鋼鍛造過熱過燒斷口進行分析研究，為判定鍛造內(nèi)部質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

1 試驗方案

試驗所用試樣來源：原材料軋制方鋼(□185×185mm)→下料(長度110mm)→鍛造(直徑Φ140mm、長度200mm)。

取樣位置如圖1所示。斷口試驗處理工藝：鍛造+正火。

圖1 取樣位置

力學性能試驗處理工藝：鍛造+正火→淬火+高溫回火。

2 試驗工藝

所選試驗工藝如表1。

表1 試驗工藝

3 試驗結(jié)果

3.1 按試驗工藝處理后的力學性能檢測結(jié)果和宏觀斷口形貌見表2。

表2 試驗結(jié)果

從表2中可以看到，4組樣品的拉伸試驗和沖擊試驗結(jié)果均在標準要求的范圍內(nèi)。根據(jù)資料，非穩(wěn)定過熱對靜載力學性能影響不大，而穩(wěn)定過熱對塑性和韌性有較大影響，本試驗得到的穩(wěn)定過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]。對于過熱和過燒材料來說，熱處理狀態(tài)對力學性能的影響巨大。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，材料處于韌性狀態(tài)，對于非穩(wěn)定過熱影響很小，對于穩(wěn)定過熱和過燒來說要看其嚴重程度，本試驗中穩(wěn)定過熱和過燒發(fā)生在局部斷口上，鋼的塑性和沖擊韌性值沒有明顯的降低。但是如果整個斷面都存在嚴重的穩(wěn)定過熱或過燒，晶界弱化的后果就充分顯現(xiàn)出來，會極大降低鋼的力學性能，特別是沖擊韌性，這時只需很小的力就會使其沿晶界裂開[1]。

3.2 宏觀斷口形貌特征

圖2記錄了不同試驗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間的延長，斷口由細結(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材料的過熱或過燒的影響程度較大。從宏觀斷口來看，1#斷口為纖維狀，顆粒較細，無金屬光澤，屬正常斷口；2#斷口呈現(xiàn)銀亮色小刻面，但非常細小，屬于輕微過熱，經(jīng)過淬火、高溫回火后，結(jié)晶狀斷口完全消除，見圖3(a)。3#斷口為粗結(jié)晶狀，經(jīng)過淬火、高溫回火后，在斷口的個別部位仍保留了石狀，形貌見圖3(b)，這種石狀斷口是否可以通過正火來消除，需要通過掃描電鏡試驗結(jié)果來決定。4#斷口非常粗大為結(jié)晶狀和石狀的混合斷口，經(jīng)過淬火、高溫回火后，仍保留了較為嚴重的石狀，見圖3(c)。

圖2 斷口形貌

圖3 沖擊斷口

3.3 金相試驗結(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)，此時晶粒已開始迅速長大；4#組織很粗，已出現(xiàn)粗大的織構(gòu)狀組織，如圖4(d)，晶粒度達到了0級甚至更粗，為嚴重的過熱或過燒組織。

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，晶面上基本沒有析出物，只有個別區(qū)域為淺韌窩，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)定過熱特征；4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象，形成了過燒，如圖6。

圖5 斷口微觀形貌

圖6 過燒現(xiàn)象

4 分析與討論

金屬由于加熱溫度過高或保溫時間過長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，稱之為過熱。

過熱斷口宏觀特征主要表現(xiàn)為細結(jié)晶狀、粗結(jié)晶狀和石狀，當加熱溫度過高或高溫保溫時間過長時晶粒長大，首先產(chǎn)生細結(jié)晶狀斷口，隨著過熱的嚴重程度增加，則出現(xiàn)粗結(jié)晶狀斷口，也稱為奈狀斷口，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，當過熱程度繼續(xù)增加時，原奧氏體晶界嚴重粗化，高溫時溶入奧氏體中的第二相，在冷卻過程中沿原奧氏體晶界析出，受力時沿晶界斷裂，斷口呈灰白色，無金屬光澤，如同砂石鑲嵌與斷面上，稱為偽石狀斷口。當過熱不嚴重時，一般可以通過退火，正火，淬火等方法重新使晶粒細化，但過熱嚴重時，用熱處理的方法不能消除，這時對力學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，它的過熱表現(xiàn)形式也不同，晶粒長大到何種程度算過熱，需要結(jié)合金相組織特征進行分析[2]，仍然難以判斷時，需結(jié)合力學性能或借助于掃描電鏡、透射電鏡等進行分析，而不能只根據(jù)斷口形貌進行判斷。

在斷口檢驗中，過熱的情況最為復雜，理論上可分為穩(wěn)定過熱和非穩(wěn)定過熱，穩(wěn)定過熱晶界上會出現(xiàn)析出相，用熱處理方法不能消除；非穩(wěn)定過熱晶界上沒有析出相，可以通過熱處理的方法得到改善或消除。穩(wěn)定過熱較為復雜，有兩種情況，一種是由于析出相引起的穩(wěn)定過熱，它的形成是因為高溫時固溶于奧氏體中的第二相(主要是MnS)，在冷卻時沿奧氏體晶界析出，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)定過熱。其嚴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)定過熱。但是如果在軋制或鍛造后形成粗大晶粒，冷卻時會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，在重新加熱時這些小晶粒還原成原來的奧氏體大晶粒，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小晶粒，這樣從形式上看晶粒得到了細化，而實質(zhì)上還是原來的大晶粒，斷口仍保留了晶粒粗大的特征，材料韌性明顯下降。這時也形成了穩(wěn)定過熱。材料過熱后，強度指標下降并不明顯，而對韌性指標則影響較為顯著。特別是在脆性狀態(tài)下，沖擊值會顯著降低，受到很小的作用力時就有可能發(fā)生斷裂，所以危害較大。

過燒是指加熱溫度過高時，晶界氧化、出現(xiàn)顯微空洞和開始部分熔化的現(xiàn)象[3][4]。金屬材料的過燒，首先發(fā)生于晶界，這是由于晶界具有較高的動能，并且存在著大量的空位、位錯以及低熔點化合物和雜質(zhì)元素的富集，使晶界熔點最低，當材料加熱溫度過高、并在高溫段停留時間過長時，首先在晶界上出現(xiàn)顯微空洞以及氧化和熔化，材料過燒后，斷口表面呈淺灰色、無金屬光澤的極為凹凸不平的石狀，嚴重時石狀分布于整個斷面，受力時表現(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，當晶界發(fā)生氧化、出現(xiàn)顯微孔洞和剛剛開始熔融時，用金相顯微鏡通常觀察到的是較粗的黑色晶界，這時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，只有當過燒嚴重時，才能用金相顯微鏡觀察到晶界的氧化和熔化特征。

材料過燒后晶界脆化，晶粒間結(jié)合力顯著下降，使材料的力學性能大幅度降低，特別是沖擊韌性的影響最為嚴重。因此，在生產(chǎn)中材料或零件出現(xiàn)過燒時無法通過熱處理的方法進行挽救，只能報廢處理。

試驗中2#出現(xiàn)的偽石狀斷口，其宏觀形貌類似石狀斷口。它與石狀斷口的主要區(qū)別是在原奧氏體晶界上沒有或僅有極少量的第二相質(zhì)點析出。偽石狀斷口與石狀斷口一樣，能降低鋼的塑性和沖擊韌性。對晶界無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)定過熱特征[5]。在個別部位析出的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標準要求的數(shù)量范圍內(nèi)，對產(chǎn)品的質(zhì)量不會造不良影響[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)定過熱特征。4#斷口還出現(xiàn)了晶界熔化現(xiàn)象，形成了過燒。石狀斷口的成因是加熱溫度過高、奧氏體晶粒粗大、冷卻時沿原奧氏體晶界析出第二相質(zhì)點；多數(shù)合金鋼析出的是硫化錳[1]。上述試驗表明，在34CrNiMo6鋼中石狀斷口的過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。過熱不僅使晶粒長大，而且使那些分布在晶內(nèi)的MnS夾雜物分解，形成硫和錳。而在隨后的冷卻過程中，硫和錳又重新化合成新的非常細小的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就會沿晶界裂開，形成石狀斷口。因此出現(xiàn)石狀斷口時零件必須予以報廢。

5 研究結(jié)果

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