调质钢的金相组织及检验

调质钢的金相组织及检验调质钢通常是指采用调质处理（淬火加高温回火）的中碳优质碳素结构钢和合金结构钢，如35、45、50、40Cr、 40MnB、40CrMn、30CrMnSi、38CrMoAlA、40CrNiMoA和40CrMnMo等。调质钢主要用于制造在动态载荷或各种复合应力下工作的零件（如机器中传动轴、连杆、齿轮等）。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能。一、调质钢的热处理（一）预先热处理为了消除和改善前道工序（铸、锻、轧、拔）遗存的组织缺陷和内应力，并为后道工序（淬火、切削、拉拔）作好组织和性能上准备而进行退火或正火工序就是预先热处理。关于调质钢在切削加工前进行的预先热处理，珠光体钢可在Ac3 以上进行一次正火或退火；合金元素含量高的马氏体钢则先在Ac3 以上进行一次空冷淬火，然后再在Ac1以下进行高温回火，使其形成回火索氏体。（二）最终热处理调质钢一般加热温度在Ac3以上3050，保温淬火得到马氏体组织。淬火后应进行高温回火获得回火索氏体。回火温度根据调质件的性能要求，一般取500600之间，具体范围视钢的化学成分和零件的技术条件而定。因为合金元素的加人会减缓马氏体的分解、碳化物的析出和聚集以及残余奥氏体的转变等过程，回火温度将移向更高。二、调质钢的金相检验（一）原材料组织检验 调质工件在淬火前的理想组织应为细小均匀的铁素体加珠光体，这样才能保证在正常淬火工艺下获得良好的淬火组织-细小的马氏体。（二）脱碳层检验 钢材在热加工或热处理时，表面因与炉气作用而形成脱碳层。脱碳层的特征是，表面铁素体量相对心部要多（半脱碳）或表面全部为铁素体（全脱碳），从而使工件淬火后出现铁素体或托氏体组织，回火后硬度不足，耐磨性和疲劳强度下降。因此调质工件淬火后不允许有超过加工余量的脱碳层。金相试样的磨面必须垂直脱碳面，边缘保持完整，不应有倒角。脱碳层的具体测量方法可按GB/T 224-1987标准进行。（三）锻造的过热和过烧检验锻造加热时，由于加热温度高，不仅奥氏体晶粒粗大，而且有些夹杂物发生溶解而在锻后冷却时沿奥氏体晶界重新析出。一般过热时，仅出现粗大的奥氏体晶粒并产生魏氏组织。在一些低合金钢中还会出现粗大的贝氏体或马氏体组织。过热时沿奥氏体晶界析出的常为MnS或FeS。用一般试剂无法侵蚀显示奥氏体晶界，最好方法用饱和的硝酸铵溶液进行电解侵蚀。侵蚀后试样的奥氏体晶界呈白色网状。由于过热锻件晶粒粗大，使得塑性和韧性下降，容易造成脆断。当钢加热到更高温度，接近液相线时，会出现过烧现象。过烧特征是钢的粗大晶界被氧化和熔化，锻造时将产生沿晶裂纹，在锻件表面出现龟裂状裂纹。（四）调质钢的淬火回火组织调质钢正常淬火组织为板条状马氏体和针片状马氏体，当含碳量较低时，如30CrMo等，形态特征趋向于低碳马氏体。当含碳量较高，如60Si2、50CrV等，形态特征趋向于高碳马氏体。如果淬火加热温度过低，或保温不足，奥氏体未均匀化，或淬火前预先热处理不当，未使原始组织变得细匀一致，导致工件淬火后的组织为马氏体和未溶的铁素体，后者即使回火也不能消除（图5-1）。图5-1 低碳马氏休网状铁素体 (500 X) 图5-2 45钢调质处理之回火索氏体 (500)如果淬火加热温度正常，且保温时间足够，但冷却速度不够，以致不能淬透，结果沿工件截面各部位将得到不同的组织，即从表层至中心依次出现马氏体、马氏体+托氏体、托氏体+铁素体等组织。甚至表层也不能得到全马氏体组织。当工件淬火温度正常，保温时间足够，且冷却速度也较大，过冷奥氏体在淬火过程中未发生分解，那么淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。在随后的高温回火过程中，马氏体中析出碳化物，最终得到的是均匀且弥散分布的回火索氏体（图5-2）。第三节 弹簧钢的金相组织及检验弹簧钢是用于制造各种弹性元件的专用结构钢，它具有弹性极限高、足够的韧性、塑性和较高的疲劳强度。弹簧钢含碳量比调质钢高，其中碳素弹簧钢的含碳量的质量分数约为0.61.05；合金弹簧钢的含碳量的质量分数为0.40.74。弹簧钢中加入的合金元素主要为硅和锰，目的是提高淬透性。要求较高的弹簧钢，还需要加入铬、钒或钨等元素。弹簧钢的热处理方法主要有两种：（1）淬火加中温回火处理。 用这种处理方法的多数为热轧材料以热成形方法制作的弹簧，或者用冷拉退火钢丝以冷卷成型的弹簧。中温回火后的组织为回火托氏体，此弹簧有很高的弹性极限与屈服强度，同时又有足够的韧性和塑性。(2) 低温去应力回火。应用这一处理方法的主要是一些用冷拉弹簧钢丝或油淬回火钢丝冷盘成形的弹簧。钢丝成材过程的强化处理也有两种方法。一种是冷拉后的淬火回火处理，其组织为回火托氏体。另一种为“铅淬”冷拔，即将热轧盘条加热到奥氏体状态，然后淬到450550的熔化铅液中作等温处理，得到冷拉性能很好的回火索氏体，最后通过一系列的冷拔，得到一定规格尺寸与强度的钢丝。这种钢丝组织为纤维状的形变回火索氏体。弹簧钢的金相检验内容有非金属夹杂物、石墨、表面脱碳、显微组织等。（一）石墨碳与非金属夹杂物检验 检查石墨碳及非金属夹杂物时，试样取样部位一般都在材料端部，也可按照双方协议的规定。其检查方法及评级可分别按 GB/T 10561-1989和GB/T 13302-1991标准进行评定。石墨碳及非金属夹杂物是弹簧钢的内部缺陷。（二）表面脱碳层检验 在弹簧钢各种材料标准中对表面脱碳均有明确的规定，一般脱碳深度根据材料的厚度或直径的百分数而定，而且冷拉材料要比热轧材料严格，如公称直径8 mm的热轧圆钢，其规定总脱碳层不大于直径的2.5，而同规格的冷拉钢则为不大于2。检查材料表面脱碳时，试样的切取部位均在材料两端或其中任意一端，如为弹簧成品或半成品，一般可在任意部位取。脱碳层检验标准为GBT224-1987。（三）显微组织检验 经过退火处理热轧弹簧钢，其组织是珠光体或珠光体和网状铁素体。规格较大的冷拉弹簧钢一般经过球化退火处理，组织为球状珠光体。冷拉碳素弹簧钢丝（包括冷拉的65 Mn弹簧钢丝），因冷拉前经过索氏体转变（俗称铅淬）处理，所以冷拉后组织呈纤维状的索氏体。油淬火回火钢丝的组织为回火托氏体。图5-3、图5-4分别为油淬火回火钢丝组织和冷拉铅浴处理钢丝组织。图5-3 65Mn弹簧钢之回火托氏体 图5-4 50CrV弹簧钢冷拉铅浴处理组织 （500） 之形变索氏体组织 （500）用热轧弹簧钢制作弹簧时，由于采用热成形方法，然后需进行淬火、回火处理，故原材料的组织检验可以省略。冷拉退火钢丝用冷盘法加工弹簧，则要检验原材料组织的球化程度。若球化不良，则材料要重新球化退火。检查“铅淬”冷拉钢丝组织时，磨面应取纵向，其他试样磨面可以取任意方向。对于用碳素弹簧钢和合金弹簧钢制作的内燃机气门弹