A-100钢晶粒显示方法研究

2023-12-29崔文明李小海王纪兴邹佳佳张晓辰徐淑美王伟伟

河南科技 2023年22期

崔文明李小海王纪兴邹佳佳张晓辰徐淑美王伟伟

（国合通用（青岛）测试评价有限公司，山东青岛 266000）

0 引言

国外牌号Aermet100 钢（简称A-100 钢）对应国内23Co14Ni12Cr3MoE钢，具有强度高、断裂韧性好、耐腐蚀及抗应力腐蚀开裂性能良好等优点，已成功应用于战斗机、舰载机起落架，以及飞机制动钩锚杆、紧固件等重要零部件。与航空业常用的高强度18Ni马氏体时效钢系列Marage250、Marage300、Marage350及钛合金Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al 相比，在同一高强度级别下，A-100合金具有无可比拟的韧性和至关重要的疲劳寿命。通过碳化物析出强化，抗拉强度可达1 930 MPa以上，同时断裂韧性大于110 MPa·m［1-2］。晶粒度是该钢种性能保证的一项重要指标。与晶内相比，晶界能量高、耐腐蚀性差，晶界与晶内的耐腐蚀程度不一样，通过选择合适的腐蚀方式，可显示出原奥氏体晶粒。但A-100钢作为马氏体回火钢，具有高位错密度的组织，位错生于原始奥氏体晶界内，浸蚀后原始奥氏体晶界被马氏体组织掩盖，导致晶粒显示困难［3］，且其镍、钴含量较高，晶界浸蚀较困难。本研究通过对A-100钢化学浸蚀法、氧化法和电解法晶粒显示方法进行研究，优选出该材料晶界显示效果理想且显示条件稳定的方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用的A-100高强钢的化学成分及含量（质量分数）见表1，热处理工艺加热到885 ℃±15 ℃，保温1 h后，油冷，获得马氏体组织。

1.2 试验方法

本试验方案尝试选择三种常用晶粒显示方法进行对比，包括化学浸蚀法、氧化法和电解法。

1.2.1 化学浸蚀法。化学浸湿法的原理是浸蚀剂溶去金属磨面表层非晶体层，然后溶解表层原子。在溶解过程中，因为晶界的原子排列规律性较差，具有较高的自由能，晶界处杂质也多，更易形成微电池腐蚀，所以晶粒与晶粒之间、晶粒与晶界之间溶解速度不同，晶界处较易浸蚀而呈沟壑，晶粒就可显示出来［3］。使用化学浸蚀剂直接对磨抛后的表面进行腐蚀是实验室最常用的方法。显示晶界一般采用比显示显微组织弱得多的浸蚀剂，尽量降低浸蚀剂的化学腐蚀能力。

常规晶界化学浸蚀法可腐蚀出部分钢种的原奥氏体晶界，马氏体组织的腐蚀剂多以过饱和苦味酸为主要成分的溶液。兰英斌［4］采用2～3 g苦味酸+1～2 g洗头膏+50 mL水在（60±10）℃下腐蚀出了20CrMnTi、40Cr和8CrSiMoV等钢的原奥氏体晶界。杨湄等［5］使用5～8 g苦味酸+8～12 mL洗涤剂+100 mL水的混合溶液在（40±10）℃下腐蚀出了40Cr钢淬火态的原奥氏体晶界。这些方法对腐蚀条件都有温度要求，苦味酸比盐酸等无机酸有更弱的腐蚀性，十二烷基苯磺酸钠或清洁剂中含有的表面活性剂作为缓蚀剂，可以在金属材料表面发生定向吸附，形成致密的吸附层，阻碍电解液离子与金属材料表面接触，从而减缓腐蚀速率。缓蚀剂与苦味酸共同作用可对晶界产生腐蚀，但同时减缓对组织的腐蚀，从而使溶解的晶界清晰地显示出来。基于腐蚀机理含量，此次试验方案尝试使用两种浸蚀液：第1种为饱和苦味酸溶液+海鸥洗发膏；第2种为饱和苦味酸溶液+少量盐酸+海鸥洗发膏。腐蚀过程通过改变腐蚀温度和腐蚀时间研究最佳的腐蚀方案。

1.2.2 氧化法。在多晶体中，晶界与晶内的物理和化学性能是不同的，仅就抗氧化性能来说，与晶粒内部相比，在高温下优先氧化晶界，形成氧化物网络。基于这一现象，氧化法显示奥氏体晶粒具有可行性。氧化法腐蚀晶界是将试样抛光后在指定温度下加热一定时间后快速冷却，而后用浸蚀剂将原奥氏体晶界腐蚀出来而显示奥氏体晶粒的一种方法，它显示的奥氏体晶粒度是真实的，是原始成分的奥氏体晶粒度。但也有人经认真对比分析发现，试样表层由于脱碳，其含碳量不断降低，碳含量的降低会使奥氏体晶粒的长大减慢且表面奥氏体晶界所形成的氧化物网络使奥氏体晶粒的长大受阻。因此，用氧化法所显示的奥氏体晶粒度比试样内部原始成分的奥氏体晶粒度偏细［6-7］。研究发现不同钢种、不同热处理温度条件下氧化法显示奥氏体的晶粒度是不同的，通过不同腐蚀方法的试验对比确定氧化条件有助于提高氧化法评定晶粒度结果的准确性。A-100 钢热处理工艺是加热到885 ℃保温后淬火，结合王春旭等［8］对该钢的奥氏体晶粒长大动力学及A-100钢的热处理工艺研究，本试验方案取多个平行试样，将每个试样相同部位的表面进行抛光并将该面向上放入炉中，分别于890 ℃、885 ℃、830 ℃保温1 h，水淬，被氧化的抛光面取出后使用砂纸倾斜10°～15°研磨，达到部分氧化层研磨去除至呈现完全光亮的基体而部分位置氧化层研磨较轻保持完整的效果后，再进行下一步抛光，抛光后观察不同抛光程度位置的氧化层，以找到晶界清晰的位置。为清晰显示晶界，可用15%盐酸乙醇溶液进行浸蚀。

1.2.3 电解法。电解法浸蚀则是将抛光试样浸入合适的电解浸蚀剂溶液中，通过较小的直流电进行浸蚀。溶液中通过离子传导电流，在待腐蚀金属表面，金属失去电子形成离子而溶解。因此，电流密度高的地方将有较多的离子形成，对应腐蚀较为严重。晶界上存在缺陷和杂质，原子排列的规则性差，区域电流密度会增大，导致晶界腐蚀比晶内严重［9］。电解法浸蚀对金属材料化学成分的不均匀性、显微偏析特别敏感，主要用于化学稳定性较高的合金，如不锈钢、耐热钢、镍基合金等，这些合金用化学浸蚀很难得到清晰的组织。孙雪娇等［10］采用苦味酸水溶液+盐酸+十二烷基苯磺酸钠+硝酸钠电解腐蚀出X80管线钢、调质态45钢和超高碳钢的原奥氏体晶界。张欢等［11］采用三氧化铬水溶液电解腐蚀出CLAM 钢时效后的原奥氏体晶界。本电解试验方案采用10%铬酸电解液，通过调节电压和时间，观察晶界腐蚀情况。

2 试验结果与分析

2.1 化学浸蚀法结果

热处理后的试样，使用恒温水浴锅在30 ℃、45 ℃、60 ℃温度下，使用有或无盐酸的饱和苦味酸溶液中腐蚀5～20 min不等。试验发现多数试样可以在特定试验条件下显示晶粒，但是每批次试样晶粒显示最佳的腐蚀温度、时间和溶液几乎均不相同，如图1（a）和图1（b）所示，个别试样在尝试多种温度条件下均无法显示完整晶粒，如图1（c）所示。从晶粒显示效果可以看出，腐蚀剂的盐酸、苦味酸和缓蚀剂的配比会影响浸蚀速率，浸蚀程度不易控制，而且材料本身的化学成分、热处理工艺都会影响最佳浸蚀效果的条件，几乎每批试样都需单独摸索试验条件，试验周期较长。同时，试样浸蚀的温度与时间对晶界也有影响，浸蚀温度高，浸蚀液离解的离子多，浸蚀速度快，表面易被过度浸蚀，基体组织就会显现出来；相反，浸蚀的温度低，浸蚀的速度太慢，则不能很好地显示出原奥氏体晶界。

图1 不同批次试样在化学浸蚀条件下晶粒显示效果

2.2 氧化法结果

在890 ℃、885 ℃、830 ℃下氧化处理的试样表面覆盖一层黑色氧化皮，使用细砂纸将氧化皮轻轻打磨掉，露出灰黑色的氧化层，倾斜15°左右研磨抛光，使待检面一侧刚显示出基体光泽，而另一侧的氧化层仍较为完整存在，使用15%盐酸乙醇溶液浸蚀后，观察整个待检面确定晶粒显示清晰的位置。通过试验对比发现，885 ℃、830 ℃下氧化获得的晶粒与直接化学腐蚀法获得的晶粒大小一致，没有出现因热氧化而导致的晶粒尺寸变化，且晶粒显示完整，效果理想，如图2（a）、图2（b）所示。而890 ℃下氧化得到的晶粒则出现细化，如图2（c）所示，当试样表面氧化层的增厚速度滞后于奥氏体晶粒的长大速度时，前一时刻在试样表面形成的奥氏体晶粒的氧化物网络将阻止继续保温时奥氏体晶粒的长大。在这种情况下氧化法所显示的奥氏体晶粒将比真实结果偏细。

2.3 电解法结果

实验室尝试采用10%铬酸，推荐条件电压6 V、1 min，部分晶界显现不完整，马氏体组织也已经腐蚀显示，如图3（a）所示。随着时间延长至4 min，马氏体组织进一步显示，晶界还未清晰显示，如图3（b）所示。相同的电解时间（1 min），增大电压，在10 V左右马氏体组织腐蚀显示，有较多晶界显现出来，但依然不完整，如图3（c）所示。随着电压的增大，晶界未显示完整，电解蚀坑逐渐增多，如图3（d）所示。对于电解法，试样材料本身成分特性、检测面积大小、阴极规格匹配等都会影响晶界显示效果。最佳的腐蚀效果需要进一步通过试验摸索求证。