A-100鋼晶粒顯示方法研究

崔文明 李小海 王紀興 鄒佳佳 張曉辰 徐淑美 王偉偉

（國合通用（青島）測試評價有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

國外牌號Aermet100 鋼（簡稱A-100 鋼）對應國內23Co14Ni12Cr3MoE鋼，具有強度高、斷裂韌性好、耐腐蝕及抗應力腐蝕開裂性能良好等優(yōu)點，已成功應用于戰(zhàn)斗機、艦載機起落架，以及飛機制動鉤錨桿、緊固件等重要零部件。與航空業(yè)常用的高強度18Ni馬氏體時效鋼系列Marage250、Marage300、Marage350及鈦合金Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al 相比，在同一高強度級別下，A-100合金具有無可比擬的韌性和至關重要的疲勞壽命。通過碳化物析出強化，抗拉強度可達1 930 MPa以上，同時斷裂韌性大于110 MPa·m［1-2］。晶粒度是該鋼種性能保證的一項重要指標。與晶內相比，晶界能量高、耐腐蝕性差，晶界與晶內的耐腐蝕程度不一樣，通過選擇合適的腐蝕方式，可顯示出原奧氏體晶粒。但A-100鋼作為馬氏體回火鋼，具有高位錯密度的組織，位錯生于原始奧氏體晶界內，浸蝕后原始奧氏體晶界被馬氏體組織掩蓋，導致晶粒顯示困難［3］，且其鎳、鈷含量較高，晶界浸蝕較困難。本研究通過對A-100鋼化學浸蝕法、氧化法和電解法晶粒顯示方法進行研究，優(yōu)選出該材料晶界顯示效果理想且顯示條件穩(wěn)定的方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的A-100高強鋼的化學成分及含量（質量分數）見表1，熱處理工藝加熱到885 ℃±15 ℃，保溫1 h后，油冷，獲得馬氏體組織。

1.2 試驗方法

本試驗方案嘗試選擇三種常用晶粒顯示方法進行對比，包括化學浸蝕法、氧化法和電解法。

1.2.1 化學浸蝕法。化學浸濕法的原理是浸蝕劑溶去金屬磨面表層非晶體層，然后溶解表層原子。在溶解過程中，因為晶界的原子排列規(guī)律性較差，具有較高的自由能，晶界處雜質也多，更易形成微電池腐蝕，所以晶粒與晶粒之間、晶粒與晶界之間溶解速度不同，晶界處較易浸蝕而呈溝壑，晶粒就可顯示出來［3］。使用化學浸蝕劑直接對磨拋后的表面進行腐蝕是實驗室最常用的方法。顯示晶界一般采用比顯示顯微組織弱得多的浸蝕劑，盡量降低浸蝕劑的化學腐蝕能力。

常規(guī)晶界化學浸蝕法可腐蝕出部分鋼種的原奧氏體晶界，馬氏體組織的腐蝕劑多以過飽和苦味酸為主要成分的溶液。蘭英斌［4］采用2～3 g苦味酸+1～2 g洗頭膏+50 mL水在（60±10）℃下腐蝕出了20CrMnTi、40Cr和8CrSiMoV等鋼的原奧氏體晶界。楊湄等［5］使用5～8 g苦味酸+8～12 mL洗滌劑+100 mL水的混合溶液在（40±10）℃下腐蝕出了40Cr鋼淬火態(tài)的原奧氏體晶界。這些方法對腐蝕條件都有溫度要求，苦味酸比鹽酸等無機酸有更弱的腐蝕性，十二烷基苯磺酸鈉或清潔劑中含有的表面活性劑作為緩蝕劑，可以在金屬材料表面發(fā)生定向吸附，形成致密的吸附層，阻礙電解液離子與金屬材料表面接觸，從而減緩腐蝕速率。緩蝕劑與苦味酸共同作用可對晶界產生腐蝕，但同時減緩對組織的腐蝕，從而使溶解的晶界清晰地顯示出來。基于腐蝕機理含量，此次試驗方案嘗試使用兩種浸蝕液：第1種為飽和苦味酸溶液+海鷗洗發(fā)膏；第2種為飽和苦味酸溶液+少量鹽酸+海鷗洗發(fā)膏。腐蝕過程通過改變腐蝕溫度和腐蝕時間研究最佳的腐蝕方案。

1.2.2 氧化法。在多晶體中，晶界與晶內的物理和化學性能是不同的，僅就抗氧化性能來說，與晶粒內部相比，在高溫下優(yōu)先氧化晶界，形成氧化物網絡。基于這一現象，氧化法顯示奧氏體晶粒具有可行性。氧化法腐蝕晶界是將試樣拋光后在指定溫度下加熱一定時間后快速冷卻，而后用浸蝕劑將原奧氏體晶界腐蝕出來而顯示奧氏體晶粒的一種方法，它顯示的奧氏體晶粒度是真實的，是原始成分的奧氏體晶粒度。但也有人經認真對比分析發(fā)現，試樣表層由于脫碳，其含碳量不斷降低，碳含量的降低會使奧氏體晶粒的長大減慢且表面奧氏體晶界所形成的氧化物網絡使奧氏體晶粒的長大受阻。因此，用氧化法所顯示的奧氏體晶粒度比試樣內部原始成分的奧氏體晶粒度偏細［6-7］。研究發(fā)現不同鋼種、不同熱處理溫度條件下氧化法顯示奧氏體的晶粒度是不同的，通過不同腐蝕方法的試驗對比確定氧化條件有助于提高氧化法評定晶粒度結果的準確性。A-100 鋼熱處理工藝是加熱到885 ℃保溫后淬火，結合王春旭等［8］對該鋼的奧氏體晶粒長大動力學及A-100鋼的熱處理工藝研究，本試驗方案取多個平行試樣，將每個試樣相同部位的表面進行拋光并將該面向上放入爐中，分別于890 ℃、885 ℃、830 ℃保溫1 h，水淬，被氧化的拋光面取出后使用砂紙傾斜10°～15°研磨，達到部分氧化層研磨去除至呈現完全光亮的基體而部分位置氧化層研磨較輕保持完整的效果后，再進行下一步拋光，拋光后觀察不同拋光程度位置的氧化層，以找到晶界清晰的位置。為清晰顯示晶界，可用15%鹽酸乙醇溶液進行浸蝕。

1.2.3 電解法。電解法浸蝕則是將拋光試樣浸入合適的電解浸蝕劑溶液中，通過較小的直流電進行浸蝕。溶液中通過離子傳導電流，在待腐蝕金屬表面，金屬失去電子形成離子而溶解。因此，電流密度高的地方將有較多的離子形成，對應腐蝕較為嚴重。晶界上存在缺陷和雜質，原子排列的規(guī)則性差，區(qū)域電流密度會增大，導致晶界腐蝕比晶內嚴重［9］。電解法浸蝕對金屬材料化學成分的不均勻性、顯微偏析特別敏感，主要用于化學穩(wěn)定性較高的合金，如不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金等，這些合金用化學浸蝕很難得到清晰的組織。孫雪嬌等［10］采用苦味酸水溶液+鹽酸+十二烷基苯磺酸鈉+硝酸鈉電解腐蝕出X80管線鋼、調質態(tài)45鋼和超高碳鋼的原奧氏體晶界。張歡等［11］采用三氧化鉻水溶液電解腐蝕出CLAM 鋼時效后的原奧氏體晶界。本電解試驗方案采用10%鉻酸電解液，通過調節(jié)電壓和時間，觀察晶界腐蝕情況。

2 試驗結果與分析

2.1 化學浸蝕法結果

熱處理后的試樣，使用恒溫水浴鍋在30 ℃、45 ℃、60 ℃溫度下，使用有或無鹽酸的飽和苦味酸溶液中腐蝕5～20 min不等。試驗發(fā)現多數試樣可以在特定試驗條件下顯示晶粒，但是每批次試樣晶粒顯示最佳的腐蝕溫度、時間和溶液幾乎均不相同，如圖1（a）和圖1（b）所示，個別試樣在嘗試多種溫度條件下均無法顯示完整晶粒，如圖1（c）所示。從晶粒顯示效果可以看出，腐蝕劑的鹽酸、苦味酸和緩蝕劑的配比會影響浸蝕速率，浸蝕程度不易控制，而且材料本身的化學成分、熱處理工藝都會影響最佳浸蝕效果的條件，幾乎每批試樣都需單獨摸索試驗條件，試驗周期較長。同時，試樣浸蝕的溫度與時間對晶界也有影響，浸蝕溫度高，浸蝕液離解的離子多，浸蝕速度快，表面易被過度浸蝕，基體組織就會顯現出來；相反，浸蝕的溫度低，浸蝕的速度太慢，則不能很好地顯示出原奧氏體晶界。

圖1 不同批次試樣在化學浸蝕條件下晶粒顯示效果

2.2 氧化法結果

在890 ℃、885 ℃、830 ℃下氧化處理的試樣表面覆蓋一層黑色氧化皮，使用細砂紙將氧化皮輕輕打磨掉，露出灰黑色的氧化層，傾斜15°左右研磨拋光，使待檢面一側剛顯示出基體光澤，而另一側的氧化層仍較為完整存在，使用15%鹽酸乙醇溶液浸蝕后，觀察整個待檢面確定晶粒顯示清晰的位置。通過試驗對比發(fā)現，885 ℃、830 ℃下氧化獲得的晶粒與直接化學腐蝕法獲得的晶粒大小一致，沒有出現因熱氧化而導致的晶粒尺寸變化，且晶粒顯示完整，效果理想，如圖2（a）、圖2（b）所示。而890 ℃下氧化得到的晶粒則出現細化，如圖2（c）所示，當試樣表面氧化層的增厚速度滯后于奧氏體晶粒的長大速度時，前一時刻在試樣表面形成的奧氏體晶粒的氧化物網絡將阻止繼續(xù)保溫時奧氏體晶粒的長大。在這種情況下氧化法所顯示的奧氏體晶粒將比真實結果偏細。

2.3 電解法結果

實驗室嘗試采用10%鉻酸，推薦條件電壓6 V、1 min，部分晶界顯現不完整，馬氏體組織也已經腐蝕顯示，如圖3（a）所示。隨著時間延長至4 min，馬氏體組織進一步顯示，晶界還未清晰顯示，如圖3（b）所示。相同的電解時間（1 min），增大電壓，在10 V左右馬氏體組織腐蝕顯示，有較多晶界顯現出來，但依然不完整，如圖3（c）所示。隨著電壓的增大，晶界未顯示完整，電解蝕坑逐漸增多，如圖3（d）所示。對于電解法，試樣材料本身成分特性、檢測面積大小、陰極規(guī)格匹配等都會影響晶界顯示效果。最佳的腐蝕效果需要進一步通過試驗摸索求證。

圖3 不同電解條件下晶粒顯示效果

3 結論

①化學浸蝕法晶粒顯示效果隨材料成分和組織而變化，最佳浸蝕配方比、溫度和時間等需要根據不同批次的材料特性在一定范圍內摸索。

②結合A-100 鋼的材料熱處理工藝條件，先拋光試樣，然后加熱至885 ℃保溫1 h 后水淬的氧化法比較適宜，相比常規(guī)的化學浸蝕法，此方法較為理想、穩(wěn)定。

③電解法顯示晶粒不完整，需要進一步通過溶液配比、電壓和時間的調整來尋求最佳的腐蝕條件，但電解法與化學浸蝕法顯示原理基本相同，電解條件與材料本身特性有關。