中碳钢与中碳合金结构钢淬回火组织检验标准的探讨

代玉杰

(青岛金链检测技术服务有限公司，山东 青岛 266705)

中碳钢和中碳合金钢是一种广泛应用于汽车、工程机械、高铁、轨道交通、风电等行业的钢材[1-3]，一般情况下，其最终热处理状态为调质回火或者低温回火马氏体，其力学性能很大程度上取决于马氏体组织的粗细程度[4]。由于各行业对零件热处理过程中的质量要求越来越严，作为监控零件热处理质量重要方法之一的金相检验标准，也提出了更高的要求，因此需要建立统一客观及可量化区别的等级标准，以便于引用。

目前国内关于中碳钢和中碳合金钢淬回火组织检验的标准有JB/T 9211—2008《中碳钢与中碳合金钢马氏体等级》、GB/T 13320—2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》、GB/T 38720—2020《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》和JB/T 9129—2000《60Si2Mn钢螺旋弹簧金相检验标准》。而国外未见到关于中碳钢与中碳合金结构淬火金相组织的检验与评定的标准。由此可知，在实际生产中，若依据的标准不同，就会引起不必要的纠纷，因此有必要对现有的标准进行全面的对比分析，以供选择合理的评价标准。

1 标准的适用范围

标准JB/T 9211—2008适用于中碳钢与中碳合金结构钢淬火马氏体组织的评定，标准GB/T 13320—2007适用于碳含量为0.25%～0.60%的碳素结构钢或合金结构钢调质状态的模锻件金相组织评定。但是在实际中许多零件是棒材或线材直接下料加工或铸造成型，热处理的目的是相同的，故只能借鉴此标准。而标准JB/T 9129—2000为60Si2Mn钢螺旋弹簧检验淬火及中温回火的显微组织评定提供了考核依据，也可供其他硅锰钢、锰钢螺旋弹簧金相检验时参考。

标准GB/T 38720—2020和JB/T 9211—2008、标准GB/T 13320—2007和JB/T 9129—2000进行对比，适用于中碳钢与中碳合金结构钢淬火、回火后金相组织的检验与评定，其适用的范围更加宽泛。但上述所有标准均不适用于脱碳、过烧、等温淬火等组织的评定。

2 原材料要求

原材料的影响往往不被重视, 有时还会使人感到困惑，误导热处理工艺的制定[5]。因此，标准GB/T 38720—2020规定了化学成分、晶粒度、非金属夹杂物和带状组织等要求。其中4.4条款关于非金属夹杂物的等级要求和4.5条款带状组织的要求参考了标准JB/T 13027—2017《重载齿轮渗碳热处理技术要求》中的相关规定。而其余三个标准对于原材料都没有明确的要求。

3 检验相关要求

现有标准都要求在500倍下随机观察5个以上视场，与标准图谱对比进行评级。此外，标准GB/T 38720—2020从“人、机、料、法、环”五大方面对整个检验活动进行了规定，从而确保检测结果的准确性。这部分目前有些企业做得不够完善到位，例如检测人员可能没有经过专业培训，更没有相应的上岗证；检验过程中产生的废液没有经中和处理后集中处置；金相显微镜无定期的核查，无法满足计量溯源性要求等。而其余三个标准明显缺乏相关的规定要求。

4 组织等级与显微组织评定

标准JB/T 9211—2008对组织等级的评定依据标准图谱对比进行分级，将马氏体的组织等级分为8级，并且在其附录中规定了各级马氏体的适用范围，见表1。

表1 各级马氏体的适用范围[6]

采用比较法虽然简单方便，但缺少量化的参考依据，实施过程中检验差异大，同时标准未对淬火过程中因淬透性、零件尺寸和淬火时冷却能力等因素而出现的未熔铁素体、先共析铁素体、屈氏体和珠光体等异常组织(见图1、图2)进行描述和分类，在实际引用参考时，无法对组织进行有效、全面的评级。

图1 冷却不良组织Fig.1 Microstructure of poor cooling

图2 加热不足组织Fig.2 Microstructure of insufficient heating

标准GB/T 13320—2007针对中碳钢与中碳合金结构调质后在回火索氏体以及其基体上出现不同形态的其他组织进行等级分类和评定图片，将模锻件的调质组织分为8级，其中1级组织最好，8级组织最差，见图3、图4。在500倍显微镜下，观察评定调质锻件金相组织级别时，主要看回火组织是由哪些淬火组织转变形成的，同时还要看游离铁素体的含量多少、大小和分布形态。综合以上情况参照本标准相对应的评级图组综合评定级别。

图3 1级组织Fig.3 Level 1 organization

图4 8级组织Fig.4 Level 8 organization

但标准GB/T 13320—2007对淬火的组织状态未进行描述和等级分类，无法满足淬火+低温回火工艺的零件金相组织的评定需求和淬火过程的质量控制及追溯需求。此外对调质组织评定要求太严，为了便于碳钢的正常使用，对调质评级建议放宽。特殊要求由供需双方约定，没有约定按如下要求[7]：

1)碳钢：按3 mm深度内检验，检验工作部位或拉应力大的部位，组织等级1～4级为合格；非工作部位或拉应力小的部位允许组织等级为1～6级。

2)合金钢：按10 mm深度内检验，检验工作部位或拉应力最大的部位，组织等级1～4级为合格；非工作部位或拉应力小的部位允许组织为1～6级。对于直径大于60 mm或厚度大于40 mm的零件，按5 mm深度内检验，组织等级1～4级为合格，非工作部位允许组织等级为1～6级。

标准JB/T 9129—2000根据不同淬火温度的显微组织及其对力学性能的影响，将淬火组织分为5级，并且通过马氏体针叶长度进行量化，见表2。

表2 淬火组织等级说明[8]

标准GB/T 38720—2020以马氏体和铁素体为主要控制要素。淬火等级为1～6级，以加热温度为考虑对象，采取过热、加热温度偏高、正常和偏低时形成的马氏体针长的差异状态进行分级。淬火等级为7～10级，主要考虑冷却因素的影响导致的铁素体体积分数、形态等以及其他非马氏体组织对性能的影响进行了分级，出现网状非马氏体组织和马氏体体积分数小于80%的状态对材料或零件的力学性能将带来严重影响，这是不允许的，需要重点关注。

对于铁素体含量、形态的控制和等级分类，则参考了标准JB/T 8491—2008、GB/T 8539—2000和JB/T 9173—1999等有关机床零件、齿轮零件对心部铁素体的要求。淬火组织等级与显微组织评定见表3。

表3 淬火组织等级与显微组织[9]

标准列举了淬火+180 ℃回的火显微组织评定图，此外还列举了淬火+450 ℃回火、淬火+600 ℃回火的显微组织图作为附录性参考资料。

在等级评定分类上，为避免仅依靠图谱而导致评定的不确定性和差异性，同时考虑到晶粒度大小会直接影响淬火后板条马氏体和针状马氏体的长度，淬火后马氏体的长度也表征晶粒的大小。参考了标准GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》中“表6 均匀、各向同性的等轴晶粒显微晶粒度关系”关于晶粒平均直径的数据对马氏体针长进行量化分类，从而可有效满足中碳钢和中碳合金钢淬火组织的等级评定和质量控制，见表4。

表4 马氏体分类、马氏体针长及对应平均晶粒度

5 结语

通过对现有标准的对比，可以看出：标准GB/T 38720—2020《中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相组织检验》可满足不同行业、不同领域、不同零件的中碳钢与中碳合金结构钢淬火金相检验与评定需求，以保证检验质量和热处理质量得到有效的监控。通过本标准的制定实施，可以加强热处理质量控制、统一评价依据、减少质量纠纷和提高检验效率。规范检验过程的相关要求，减少检验误差，提高质量控制水平，降低质量风险，杜绝质量隐患。