马建宏

(山西太钢不锈钢股份有限公司,太原 030003)

42CrMo4钢为优质中碳合金结构钢，具有较高的淬透性，调质处理后具有较高的抗拉强度和疲劳强度，以及良好的耐磨性和韧性，常用于制造一些关键的大尺寸零件，如大型齿轮、曲轴、核电高强螺栓、连接杆等[1-3]。材料在使用过程中承受着一定的动载荷及冲击载荷，因此，对材料中非金属夹杂物含量的要求十分严格。

非金属夹杂物检验方式有微观观察法和宏观观察法，其中断口蓝化是宏观观察法的一种，可以用来评价已变形钢产品截面上非金属夹杂物的分布概况[4-5]，检测流程为：机加工试样→折断(25 ℃)→断口蓝化→夹杂物评定。对蓝化后的断口进行宏观观察，若钢中有非金属夹杂物，夹杂物将以白色线条或颗粒形态分布于蓝色断口中，因此断口蓝化效果直接决定了夹杂物评定结果的准确性。笔者开展了断口蓝化试验，研究了钢的显微组织、试样放置方式、热处理工艺等方面对断口蓝化效果的影响，以得到最佳蓝化效果，保证断口夹杂物检验的准确性。

1 试验方法

图1 断口试样取样示意

在直径为260 mm的42CrMo4圆钢上切取厚度为20 mm的圆片试样，然后沿着圆片试样中心线刻出深度约为5 mm的V型槽口(见图1)。将刻好槽的圆片试样放置在压力试验机的支撑台上，保证V型槽口中心线与冲击道口吻合。在冲击载荷作用下，将圆片试样一次性折断，断口面(检测面)应平行于圆钢的锻造(轧制)方向。将折断后的试样放置于箱式热处理炉中进行蓝化处理，断口面放置于炉膛的中心位置，热处理炉的炉膛尺寸为500 mm×1 200 mm×600 mm(长×宽×高)，加热元件分布在炉底和炉膛两侧。试样放置位置如图2所示，蓝化热处理工艺如表1所示。蓝化处理后用能谱仪(EDS)分析断口表面的氧化物成分，用徕卡DM4000M型光学显微镜观察试样的显微组织形貌。

图2 试样放置位置示意

表1 试样的蓝化热处理工艺

2 试验结果与分析

2.1 显微组织对断口蓝化效果的影响

蓝化处理前，需要对加工好的试样进行折断，折断后的断口形貌会直接影响蓝化效果。图3为42CrMo4钢正火和退火状态下断口的显微组织形貌。由图3可知：正火态组织为细小、均匀的索氏体，晶粒度等级为8级；退火态组织为珠光体+铁素体，组织较为粗大且不均匀，晶粒度等级为4.5～6级。

图4为42CrMo4钢正火和退火状态下断口蓝化后的宏观形貌。由图4可知：正火状态的试样断口蓝化效果均匀，断口平整，整体呈均匀的纤维状；退火状态的试样断口蓝化后，断口呈不均匀色泽，特别是在断口凹凸不平和撕裂的位置，呈纤维状与结晶状断口混合形貌，部分区域凹凸不平，断口面上可见撕裂的特征。说明在折断前，试样的组织尽可能均匀、细小，可以保证断口呈均匀、平整的纤维状形貌。

图3 42CrMo4钢正火和退火状态下断口的显微组织形貌

图4 42CrMo4钢正火和退火状态下断口蓝化后的宏观形貌

2.2 试样放置方式对断口蓝化效果的影响

分别采用炉口方向、炉顶方向、加热元件方向3种方向放置试样断口面，然后进行断口蓝化，断口蓝化后的宏观形貌如图5所示。由图5可知:断口面向着炉口方向放置时，断口整体蓝化比较均匀，效果较好；断口面向着炉顶方向放置时，蓝化效果不均匀；断口面向着加热元件方向放置时，蓝化效果最差。

图5 采用不同试样放置方式断口蓝化后的宏观形貌

按照蓝化原理，试样发生蓝化必须有良好的氧化气氛，加热炉炉口的氧含量充足，试样与氧气接触良好且氧气流动均匀，断口蓝化效果好，随着断口面离炉口的距离越远，断口的蓝化程度越浅。

2.3 热处理工艺对断口蓝化效果的影响

2.3.1 不同加热温度的影响

图6为不同加热温度下断口蓝化后的宏观形貌。由图6可知：当加热温度为350 ℃时，断口蓝化程度较浅，断口色泽与夹杂物区分不明显，不利于夹杂物观察判定；当加热温度为420 ℃时，断口蓝化速率较快，蓝化程度不易控制，保温5 min时断口就发生了过蓝化，断口色泽呈灰蓝色；当加热温度为390 ℃时，断口蓝化效果最佳。

图6 不同加热温度下断口蓝化后的宏观形貌

2.3.2 不同保温时间的影响

断口蓝化转变是一个断口色泽渐变过程，整个蓝化过程可分为6个阶段：原始断口→加热初期→蓝化开始→蓝化完成→蓝化后期→过蓝化。保温时间的长短对断口蓝化具有重要影响。当加热温度为390 ℃时，不同保温时间下断口蓝化后的宏观形貌如图7所示。由图7可知：断口试样未加热时，断口为典型的银灰色,具有新鲜的金属光泽；保温时间为20 min时，属于加热初期阶段，保温时间短，蓝化转变不完全，断口首先由原始断口的自然色转变为红棕色；保温时间为30 min时，断口由红棕色开始向蓝色转变，断口蓝化开始；保温时间为40 min时，断口蓝化完成，断口呈深蓝色，若断口上有夹杂物存在，会以白色条状或颗粒状呈现；当保温时间为50 min时，断口发生过蓝化，断口呈灰蓝色，不利于鉴别断口中是否含有夹杂物；当保温时间为60 min时，断口的色泽呈灰色，完全不能鉴别断口是否有夹杂物。

对不同保温时间的断口蓝化试样进行EDS分析，结果如表2所示。由表2可知：保温时间由20 min延长到60 min时，断口表面的氧元素含量由1.24%增加到了9.20%。说明断口蓝化效果的不同主要是由断口表面氧化程度不同造成的。

3 结论与建议

影响42CrMo4钢断口蓝化的因素有材料的显微组织、试样放置方式和热处理工艺等。当断口材料的原始组织细小、均匀，试样断口面朝炉门口放置，加热温度为390 ℃，保温时间为40 min时，断口的蓝化效果最佳。

图7 不同保温时间下断口蓝化后的宏观形貌

表2 不同保温时间断口蓝化试样的能谱分析结果 %