李耀武

1煤炭科学技术研究院有限公司检测分院 北京 100013

2煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京 100013

脱 碳是钢材生产中经常存在的一种缺陷，是扩散作用的结果。在钢材的热处理过程中，氧向钢材内扩散，同时钢材内的碳也向外扩散，当脱碳速度超过氧化速度时，形成了脱碳层[1-2]。

脱碳层会使钢的表面硬度降低，强度减小，耐磨性下降，韧性下降，造成内外应力差。对于高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳更是一种严重的缺陷[3-4]。因此，脱碳层检测是钢材出厂检验的重要项目。

脱碳层的常用测定方法有金相法、显微硬度法和碳含量测定法。金相法是在金相显微镜下观察试样从表面到内部随着碳含量的变化而产生脱碳区域的方法(指完全脱碳区域+部分脱碳区域)。显微硬度法是利用碳含量与热处理后钢的硬度存在相关性的原理，通过硬度值来计算脱碳层深度的方法[5]。碳含量测定法是通过直接测量试样不同深度的碳含量来测定脱碳层深度的方法。金相法与显微硬度法和碳含量测定法相比，具有适用范围广、操作简便、对设备依赖小及对待检样品形态要求不高等优点[6]。

1 脱碳层及其测试理论

脱碳分为部分脱碳和完全脱碳。部分脱碳指钢材试样表面碳含量减少到低于基体含量，并且大于室温时碳在铁素体中固溶极限[7]；完全脱碳指钢材试样表层碳含量水平低于碳在铁素体中最大固溶度，只有铁素体存在，从中心到边缘依次为基体组织 (未脱碳区域) —部分脱碳区域—完全脱碳区域，如图 1 所示。

图1 脱碳类型示意Fig.1 Sketch of decarburization types

总脱碳层深度为部分脱碳区域和完全脱碳区域之和，即从试样表面到碳含量等于基体碳含量的距离。

金相法脱碳层测试试验所用设备包括金相切割机、金相磨抛机、金相倒置显微镜等。所用工具及腐蚀介质包括砂纸 (100、800 和 1 500 号)、抛光呢绒布、金刚石抛光剂及 4% 硝酸酒精溶液、75% 酒精溶液、镊子、烧杯、吹风机等。金相法脱碳层测试原理如图 2 所示。

图2 脱碳层测试原理Fig.2 Principle of testing decarburization layer with metallographic method

2 六角形钎杆脱碳层试验

2.1 制作试样

用金相切割机对试样进行切割，切割时可将试样长度控制在约 20 mm，这样既方便手拿，又方便腐蚀浸泡 (在腐蚀试样过程中，硝酸酒精溶液需完全浸没试样)。使用金相切割机时要注意安全，切割过程不得佩戴线手套。切割试样如图 3 所示。

图3 切割试样Fig.3 Sample cutting

在脱碳层试验中，由于用显微镜测量的是垂直于钢材表皮的部分，所以在使用金相切割机时，切割角度尽量保持在 90°，不能卷边、倒角，同时冲洗水必须保持开启，以防止钢的化学组织因高温而产生变化。如果切割时间过长，也会导致截面过热后发紫，同样无法观察脱碳。

2.2 磨制试样

磨样分为 3 次：首先采用 100 号砂纸粗磨 (干磨)，然后采用 800 号砂纸预磨 (湿磨)，最后用 1 000号砂纸精磨 (湿磨)。

每次磨制时，手拿试样的方向要与上次成一定角度，否则会影响抛光。手拿试样时要用力均匀，以保证磨制后试样表面平整。每次磨制后，要用清水将试样表面冲洗干净。每次磨制完成的标准是看不到上次磨制的痕迹。试样磨制如图 4 所示。

图4 磨制试样Fig.4 Sample grinding

2.3 抛光试样

将直径 230 mm 的呢绒布固定在磨抛机的铝制旋转盘后旋转。将 0.5 µm 的金刚石抛光剂摇匀，以抛光盘中心为圆心，沿半径方向喷出 3～ 5 s，手拿试样进行抛光打磨。

抛光过程中手拿试样的角度与磨样工序相同。抛光合格的试样表面是镜面效果，6 个棱呈直角，抛光面与表皮垂直。抛光试样如图 5 所示。

图5 抛光试样Fig.5 Sample polishing

2.4 腐蚀试样

腐蚀试样分为 5 步：①将试样完全放入 4% 的硝酸酒精溶液浸蚀；② 用肉眼观察试样检验面，发生变色 (发黄且镜面变模糊) 后立即用镊子取出 (时间约为 3 s)；③用流动的清水将试样冲洗干净；④ 将试样放入 75% 的酒精溶液；⑤ 用热风将试样吹干。

用酸腐蚀的目的是为了在显微镜下更清晰观察试样组织形貌。在吹干过程中，一定要将试样的 6 个面都吹干。使用酒精冲洗的目的是加速试样表面水分的挥发。合格的试样检验面微发黄，如检验面发黑，则说明腐蚀时间过长；如果检验面发亮，则说明腐蚀时间过短。

由于硝酸见光分解，建议采用棕色瓶盛装硝酸并置于无光低温处。考虑到硝酸酒精的易挥发性和使用频率，建议硝酸酒精溶液现用现配。配制过程中，硝酸和酒精的比例要计算精确，硝酸过多过少都会影响试样腐蚀结果。每次配制的硝酸酒精溶液的量不必过多，能没过试样即可。试验完毕后，硝酸酒精溶液用清水稀释 200 倍后处理。

3 六角形钎杆脱碳层检测

一般情况下，脱碳层在 100 倍金相显微镜下观察并测量 (计量单位通常为 mm)。在显微镜下观察试样的边缘区域，脱碳区域与基体有明显差异，测量从基体组织开始发生转变的位置到试样边缘的长度。

金相显微镜使用方法：①将试样放在载物台上；② 选择物镜和目镜；③转动粗调焦旋钮，使载物台移动，待看到组织后，再转动微调焦旋钮直至图像清晰为止。脱碳层金相显微镜检测如图 6 所示。

图6 金相显微镜检测Fig.6 Testing under metallographic microscope

金相显微镜的放大倍数M=M物×M目。使用金相显微镜检测试样的过程中，不得用手触摸目镜、物镜的镜头；不得用手触摸金相试样的观察台面；观察不同部位组织时，应移动载物台，不要挪动试样，以免划伤观察表面。

观测时，按照图 7 中箭头指示方向调整载物台，从上到下，将光从试样边缘划过。在显微镜下，脱碳区域明显发白。

图7 脱碳区检测Fig.7 Testing for decarburization layer

4 结语

脱碳层的金相测定法适用范围广，操作简便，对设备依赖小，对待检样品形态要求不高。

对凿岩用六角形钎杆脱碳层金相检测，在 100 倍金相显微镜下，观察试样的边缘区域，脱碳区域与基体有明显差异。试验表明，所采用的试样制作、试样磨制、试样抛光、试样腐蚀方法可制作适于金相法测定的钎杆脱碳层试样。