考虑热处理时的晶粒尺寸

对于在最终热处理条件下提供的任何齿轮锻造材料,热处理时的晶粒尺寸应在每个热处理批次上指定。

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当审查和工作到客户的钢规格,似乎对我来说,一个最滥用和误解的齿轮材料要求是晶粒尺寸要求。我看到的一个常见的晶粒尺寸要求是,“根据(晶粒尺寸标准)测试时,晶粒尺寸应为5或更细”,没有附加信息。晶粒尺寸标准通常是ASTM E112,或者可能是另一个行业标准,如ISO 643。如上所述,此类需求存在大量问题,我将尝试具体解决每一个问题。但在此之前,让我们回顾一下两种主要的粒度测试方法。

•第一种方法提供了发现/接收状态下的晶粒尺寸,而不使试样遭受会导致组织再结晶的再奥氏体化循环,这可能会改变发现/接收状态下的晶粒尺寸。这可以简单地用金相法制备试样,并根据其化学成分和热处理条件进行蚀刻。有时重新加热试样到低于较低临界温度(Ac1)的温度是必要的,以帮助勾勒晶界,但这样做不会改变试样的晶粒尺寸。
•第二种方法是在试样经过某种额外的炉循环(包括再奥氏体化,如麦奎德- ehn、模拟渗碳或氧化)后观察晶粒尺寸,以建立先前的奥氏体晶界(pagb)。这些方法用于证明钢经进一步热处理后满足一定晶粒尺寸要求的能力;本质上这是一个能力测试。

回到晶粒尺寸要求的问题,问题仍然是哪种类型的晶粒尺寸是真正需要的,作为供应的锻件的晶粒尺寸或能力晶粒尺寸,以及相关的测试频率是什么?有时,由于不了解晶粒尺寸形成和后续测试的冶金过程,要求客户澄清这些问题并不能得到所需的信息。我们经常被告知“只需要遵循ASTM E112。”

与普遍的看法相反,ASTM E112并没有规定给定材料等级和热处理条件下的晶粒尺寸类型(或建立晶粒边界的方法)。因此,仅说明“按照ASTM E112报告晶粒尺寸”的要求,并不为齿轮材料供应商提供使用何种晶粒尺寸测试方法的指导。有人可能会问:“为什么ASTM E112没有规定具体的测试方法?”当我在最近的一次会议上询问ASTM E04.08小组委员会(该小组委员会对E112有管辖权)E112是否应该这样做时,委员会的回应是,材料规范应该指定在给定的应用中使用哪种E112方法。这是有道理的,因为ASTM E112不可能涵盖每一种情况,委员会E04也没有兴趣承担相关责任。

图1:AISI 4340钢在淬火和回火条件下用饱和苦味酸和盐酸腐蚀。

因此,这对我来说是有意义的,当晶粒尺寸是希望在最终热处理条件下提供的任何齿轮锻造材料(不包括任何进一步的热处理,不改变晶粒尺寸,如应力缓解,回火,氮化等),晶粒尺寸测试应在每个热处理批次的基础上,从实际齿轮或具有代表性的测试块取样。试样不应再进行任何导致部分或全部再奥氏体化的热处理。下面是一些例子:

•淬火和回火条件下的透硬齿轮等级,例如AISI 4340, 4350。
•淬火和回火条件下的氮化等级。这是因为随后的氮化通常在低于Ac1温度的温度下进行,如925-975°F(495-525°C),在此温度下晶粒尺寸不受影响。

需要指出的是,在马氏体和/或贝氏体组织的热处理状态下揭示pagb有时是非常具有挑战性的。幸运的是,对于用于齿轮应用的普通碳钢和低合金钢,已经开发了一些成功的蚀刻剂。我发现最成功的钢蚀刻剂之一是加热饱和苦味酸水溶液,HCl (3- 5ml每100ml苦味酸)和湿润剂到80-95°C。蚀刻技术是浸入蚀刻抛光样品,直到出现雾霾,然后在最后的布上进行背面抛光。有时可能需要重复几次蚀刻/背面抛光以得到想要的结果。显微照片(图1)是从热处理的AISI 4340上取下的样品,该样品用这种方法蚀刻,其晶界被清楚地描绘出来。

在下个月的文章中,我将讨论在中间热处理条件下提供的齿轮材料的晶粒尺寸测试,我还将讨论如果不指定所需的晶粒尺寸测试方法可能产生的意外后果。