CN104316369A - 一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法 - Google Patents

Abstract

一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法，属于金相组织分析检验技术领域。工艺步骤为：连铸坯试样的热处理：将齿轮钢连铸坯试样在奥氏体化温度A_c3+50～100℃保温30-60min，然后随炉冷却到珠光体转变温度A_r1-30～50℃保温2h，使其奥氏体完全分解，最终随炉冷却到室温；将冷却到室温的连铸坯试样砂轮打磨，去除氧化铁皮和脱碳层，然后研磨抛光；将研磨抛光后的试样浸入4％的硝酸酒精溶液5s，用清水冲洗表面，并吹干；利用光学显微镜可以清晰观察到侵蚀后试样的枝晶形貌。优点在于，能将齿轮钢连铸坯的枝晶形貌真实清晰地显示出来，并可以测量一次枝晶间距和二次枝晶间距，为优化齿轮钢连铸工艺提供依据。

Description

一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法

技术领域

本发明属于金相组织检验分析技术领域，尤其涉及一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法。

背景技术

齿轮钢是汽车变速箱、发动机重要零部件用钢，约占整车零部件用钢总量的三分之一强。由于对汽车安全、节能、环保要求日趋严格，汽车轻量化成为发展趋势，使齿轮自重减小，强韧性提高，所承受的负荷越来越大。因此汽车厂对齿轮钢的质量要求越来越高。

齿轮钢中含有较高的Mn、Cr等合金元素，在连铸生产时，由于选分结晶作用，在凝固过程中形成枝晶及偏析，轧制后形成带状组织。严重的带状组织在齿轮热处理后不但增加变形，而且易造成齿轮在渗碳处理后齿面、齿心各部位的显微硬度差异，影响齿轮的疲劳寿命。连铸坯的枝晶间距受铸坯化学成分和连铸生产工艺等因素的影响。真实、清晰的显示连铸坯凝固组织的偏析形貌和尺寸，为定性或者定量分析连铸坯枝晶距等凝固组织特征，对确定连铸钢坯偏析与钢材带状组织的关系，优化连铸工艺，提供了尤为重要的组织图像和判定依据。

国家标准《GB226-91钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》介绍了三种方法显示铸坯的低倍组织：热酸法、冷酸法和电蚀法。通过热酸蚀法可显示少数钢种连铸坯的等轴晶和柱状晶凝固组织，但枝晶的细节不清楚。

专利及文献的检索中，CN00123293.2“连铸钢坯凝固组织显示技术”，CN200610047773.0“一种显示硅钢凝固组织的腐蚀剂及其配制方法”以及CN102023112A“一种显示超低碳钢凝固枝晶组织的腐蚀剂及制备方法”等方法都是针对不同钢种，通过调整苦味酸、氯化铜等试剂的比例，形成的一种新型腐蚀剂来侵蚀对应的钢种枝晶。苦味酸系列的腐蚀剂需要的时间很长且对温度敏感，成功率不高。

综上所述，目前尚没有一种准确、简便、符合钢种应用特性的连铸坯枝晶及细节的显示方法，采用本发明“一种齿轮钢铸坯枝晶的显示方法”，可以实现依据用户热加工工艺状态下，获得高清晰度真实的枝晶形貌，同时可以定性、定量测量一次枝晶间距和二次枝晶间距。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法，以便于清晰观察其枝晶结构。

在枝晶凝固时，枝晶干中心和外部的溶质(合金元素如锰、铬等)浓度不同。对于齿轮钢来说，枝晶干溶质浓度低，而枝晶间溶质浓度高，溶质元素的分布和枝晶生长的形貌是一一对应的。

溶质元素在钢中的扩散速率差别较大，碳在固体钢中的扩散速率远远高于其他元素。因此除了碳以外，其他合金元素如锰、铬等在铸坯中的偏析很难消除。有文献报道，铸坯中枝晶间距为100μm时，在1200℃下退火300h才能使枝晶偏析有明显的减少。因此在较低温度如奥氏体化温度较短时间内加热，合金元素的扩散可以忽略不计。

连铸坯奥氏体化加热，碳元素能扩散均匀，而合金元素扩散可以忽略。由于枝晶干溶质浓度低，而枝晶间溶质浓度高，导致了枝晶干奥氏体向铁素体相变温度较高，而枝晶间的相变温度较低。在缓冷过程中，相变点较高的枝晶干处优先析出铁素体，并沿着枝干长大，因此枝晶干由铁素体组成。同时将剩余的碳排向枝晶间。枝晶间区由于接受到相邻枝晶干的排碳，相变点更低，奥氏体更稳定。当温度下降到A_r1时，过冷奥氏体转变为珠光体，因此枝晶间由珠光体组成。

由于枝晶干由铁素体组成，枝晶间有珠光体组成，因此可以用4％的硝酸酒精溶液将齿轮钢连铸坯的枝晶侵蚀出来。

根据以上原理，本发明齿轮钢连铸坯枝晶的显示方法如图1所示。工艺步骤如下：

1)连铸坯试样的热处理：将齿轮钢连铸坯试样在奥氏体化温度A_c3+50～100℃保温30-60min，然后随炉冷却到珠光体转变温度A_r1-30～50℃保温2h，使其奥氏体完全分解，最终随炉冷却到室温；

2)将冷却到室温的连铸坯试样砂轮打磨(或铣)，去除氧化铁皮和脱碳层，然后研磨抛光；

3)将研磨抛光后的试样浸入4％的硝酸酒精溶液5s，用清水冲洗表面，并吹干；

4)利用光学显微镜可以清晰观察到侵蚀后试样的枝晶形貌。

采用本发明的显示方法，能将齿轮钢连铸坯的枝晶清晰地显示出来，并可以测量一次枝晶间距和二次枝晶间距，为优化齿轮钢连铸工艺提供依据。

本发明和现有技术相比取得以下效果：①采用本发明的显示方法，能将齿轮钢连铸坯的枝晶清晰、准确地显示出来，并可以测量一次枝晶间距和二次枝晶间距，为优化齿轮钢连铸工艺提供依据。②本方法采用4％的硝酸酒精溶液侵蚀，省去了复杂的腐蚀试剂的配制，侵蚀方法也相对简单，侵蚀速度很快，便于检测人员操作的规范和快捷。

附图说明

图1齿轮钢连铸坯的热处理方法。

图2连铸坯取样方法。

图3苦味酸侵蚀后连铸坯表面枝晶形貌。

图4本发明侵蚀后连铸坯表面枝晶形貌。

图5本发明侵蚀后连铸坯距表面枝晶形貌的放大图。

图6苦味酸侵蚀后连铸坯距表面30mm处的枝晶形貌。

图7本发明侵蚀后连铸坯距表面30mm处的枝晶形貌。

图8苦味酸侵蚀后连铸坯1/4处的枝晶形貌。

图9本发明侵蚀后连铸坯1/4处的枝晶形貌。

图10苦味酸侵蚀后连铸坯中心的枝晶形貌。

图11本发明侵蚀后连铸坯中心的枝晶形貌。

具体实施方式

实施例1

用于齿轮钢20CrMnTiH的连铸坯枝晶侵蚀。试样取自20CrMnTiH尺寸为200mm×200mm连铸坯，将试样切割为如图2所示尺寸，进行热处理。热处理工艺为：试样加热至930℃保温30min，炉冷至680℃保温2h，随炉冷却到室温。热处理后的试样铣去2mm，避免观察面有脱碳。研磨抛光后，用4％硝酸酒精侵蚀。为了和本方法对比，本实施例同时采用了苦味酸系列的腐蚀剂显示其枝晶形貌。利用光学显微镜分别观察两种方法侵蚀的连铸坯边部，距表面30mm、1/4处以及心部位置的枝晶形貌。

图3给出了苦味酸侵蚀后连铸坯表面枝晶形貌。从图中可以看出用苦味酸能侵蚀出连铸坯的基本形貌，表面为柱状晶。但是二次枝晶的形貌基本没有侵蚀出来。图4给出了本发明侵蚀后连铸坯表面枝晶形貌。连铸坯表面的枝晶形貌被清晰的显示出来。一次枝晶和二次枝晶的间距都可以准确的测量出来。图5给出了连铸坯表面的枝晶形貌的高倍照片。从图中可以看出，枝晶干为铁素体，在照片中显示为白色，而枝晶间为珠光体，在照片中显示为灰色。

图6和图7分别为苦味酸和本发明侵蚀后连铸坯距表面30mm处的枝晶形貌。从图中可以看出用苦味酸只能侵蚀出连铸坯距表面30mm处的基本形貌，一次枝晶能粗略看出来，而二次枝晶则完全没有显示出来。然而本发明不但一次枝晶和二次枝晶都清晰的显示出来，能准确的测量其间距，甚至三次枝晶都被显示出来了。

图8和图9分别为苦味酸和本发明侵蚀后连铸坯1/4处的枝晶形貌。从图中可以看出，1/4处为等轴晶区域。苦味酸没能将等轴晶的边界完全侵蚀出来，而本发明将等轴晶完全显示出来，可以清晰测量等轴晶的尺寸。

图10和图11分别为苦味酸和本发明侵蚀后连铸坯中心的枝晶形貌。苦味酸同样没能将中心的等轴晶边界完全侵蚀出来，而本发明将等轴晶完全显示出来，可以清晰测量等轴晶的尺寸。通过苦味酸和本发明的显示效果对比可以看出，本发明能简便将齿轮钢连铸坯的枝晶清晰地显示出来，并可以测量一次枝晶间距和二次枝晶间距，显示效果优于苦味酸方法。

Claims (1)

1.一种用于齿轮钢连铸坯枝晶形貌的显示方法，其特征在于：工艺步骤如下：

1)连铸坯试样的热处理：将齿轮钢连铸坯试样在奥氏体化温度A_c3+50～100℃保温30-60min，然后随炉冷却到珠光体转变温度A_r1-30～50℃保温2h，使其奥氏体完全分解，最终随炉冷却到室温；

2)将冷却到室温的连铸坯试样砂轮打磨(或铣)，去除氧化铁皮和脱碳层，然后研磨抛光；

3)将研磨抛光后的试样浸入4％的硝酸酒精溶液5s，用清水冲洗表面，并吹干；

4)利用光学显微镜清晰观察到侵蚀后试样的枝晶形貌。