GM模具钢晶界侵蚀的研究

陈  敏  周培珍

(大冶钢厂钢研所  435001)

摘  要：制备不同配方的试剂对GM钢淬火后晶界进行侵蚀显示。结果表明：Fe3+离子可以阻滞热蚀时苦味酸在晶面的腐蚀反应，使晶界得以深腐蚀，从而获得比较清晰满意的晶粒边界。

主题词：GM模具钢；晶界侵蚀；晶粒度

模具钢淬火温度高低的重要判据是原奥氏体晶粒度的大小。为了显示晶粒度，必须采用合适的侵蚀剂。文献[1～7]推荐了许多显示晶粒度的侵蚀剂，具有一定指导性，但在实际应用时，却并不能都取得满意的效果。其原因除了不同的侵蚀剂只适合不同的钢种外，对同一钢种、同一试剂和不同的操作方法也会产生截然不同的效果。本文对不同试剂和操作方法进行对比分析，找出了一种配制简单、显示可靠，并能在最宽温度范围内显示GM钢淬火晶粒度的侵蚀剂。

1  试验材料及过程

1.1 试验材料及热处理

    试验用钢由5t电弧炉冶炼，浇注成钢锭后，经锻造、退火，加工成20mm×20mm×12mm试样，其化学成分列于下表。

将试样涂料保护后在箱式空气炉中于1040℃，1080℃，1100℃，1120℃，1160℃，1200℃不同温度加热20min后油淬冷至室温，然后用砂轮磨掉氧化层，经抛光后制成金相试样。

1.2侵蚀试剂选配

    对文献中所列常规试剂逐次进行了侵蚀试验，并调整配方和操作方法，找出了如下能在GM钢中显示晶界的试剂。

    A2：3％HNO₃，5％H₂S0₄，92％HCl溶液；

    B2：苦味酸O.5g．HNO₃ 2ml，HCl 2～3ml，乙醇95ml；

    B4：过饱和苦味酸水溶液加少量铁屑溶液。

2  试验结果

    在常规试剂中，不同浓度的硝酸酒精溶液、硫酸铜盐酸酒精溶液等不能清晰显示GM模具钢晶界。特别是常用的饱和苦味酸水溶液加少许洗发膏(苯磺酸钠)溶液，冷蚀或不同温度热蚀，试样要么未腐蚀，要么晶内晶界同时腐蚀而导致晶界模糊，抛去腐蚀层后也未见晶界踪迹。

2.1 A2试剂

    用该试剂侵蚀时，酸与试样反应强烈并有气体逸出，10s左右试样表面出现白膜(腐蚀沉淀)，经较高温度淬火的试样发生沿晶界网状开裂，在显微镜下可以明显观察到淬火晶粒边界，腐蚀沟界较粗，有腐蚀坑和部分淬火马氏体片出现(图1)。在1100℃以下淬火的试样，侵蚀后由于淬火组织的出现而无法辨认晶粒边界。

                (a)1120℃淬火   400×                            (b)1160℃淬火  400×

    图1  经A2试剂侵蚀后GM钢淬火晶粒度

2.2 B2试剂

    经B2试剂侵蚀后的试样在800倍下可以明显看到1100℃以上淬火试样的晶界(图2)，有较多细小碳化物颗粒边界同时被显示。由于晶粒细小，加上碳化物颗粒边界的干涉作用，400倍以下不易分清碳化物相界和晶界。

                (a)1120℃淬火   800×                             (b)1160℃淬火  800×

图2  经B2试剂侵蚀后GM钢淬火晶粒度

2.3 B4试剂

    经B4试剂侵蚀后的冷蚀无效。加热侵蚀时，发现温度、苦味酸量、铁屑种类及量对腐蚀效果影响甚大。过低或过高加热温度、苦味酸量不足和铁屑中合金含量偏高均造成试样未腐蚀或组织出现遮盖晶界。只有在加热温度60～70℃溶液中含有过饱和苦味酸，铁屑为低合金钢或碳素钢(如45钢)时，试样经适当时间浸泡后才会出现部分晶粒边界被清晰显示，部分晶界透过红色铁锈的掩盖仍然清晰可辨。若加重侵蚀后再抛去表面着色层，在400倍下可比较清楚看到淬火温度1080℃以上试样的晶粒边界(图3)，而1040℃淬火试样由于晶粒太细，抛去表面腐蚀层时部分晶界被抛掉，造成晶界不连续显示。

3  结果与分析

    在钢的晶界腐蚀研究中，以往大量的工作主要集中在合金结构钢及不锈钢中，并形成了独立的检验标准和方法，对于模具钢，则很少见有成熟的试剂和试验方案的报导。由于模具钢中一般含有大量的碳化物元素如GM钢中的Cr、Mo、w、V等使钢中晶粒十分细小，晶界与晶面的电位差相对较小，因而常用无机酸试剂难以秦效。即使适合于高合金钢的A2试剂，也只能在较高淬火温度(对GM钢，在1120℃以上)，晶粒间的畸变能增加使阳极电位升高时在晶界产生电化学反应，显示晶界轮廓。

                   (a)1080℃淬火                                    (b)1120℃淬火

(c)1160℃淬火

图3  经B4试剂侵蚀后GM钢淬火晶粒度 400×

    B2试剂是在著名的Ville溶液基础上调整配方产生，它增加了N0₃^-离子，减少了Cl^-离子，使溶液对晶界的腐蚀作用增强，减缓了Cl^-离子对晶面的腐蚀速度，因而可获得细小的晶界显示。

    饱和苦味酸水溶液加少许洗发膏试剂通常被推荐来显示马氏体钢中的原奥氏体晶界，但在应用于GM钢时发现，洗发膏(苯磺酸钠)对晶面的缓蚀作用不明显，使晶界晶面同时产生腐蚀或不腐蚀。对文献[3,5,6]研究得出：此种试剂，一般适合于显示合金结构钢淬火晶粒度，对高碳高合金钢并不适用。在对其进行改进后产生的B4试剂中，加热时，溶液中氧化还原反应：

    Fe+H₂0→FeO+2H⁺+2e^-

    3Fe+4H₂0→Fe₃0₄+8H⁺+8e^-

    2Fe+3H₂0→a-Fe₂0₃+6H⁺+6e^-

    0₂+4H⁺+4e^-→2H₂0

首先在铁屑与苦昧酸溶液之间进行，因而溶液中存在大量的Fe²⁺、Fe³⁺离子，试样浸入后，晶面上腐蚀反应Fe→Fe²⁺+2e^-，Fe→Fe³⁺+3e^-被强烈阻滞，高电位的晶界优先被腐蚀脱落，抛去表而腐蚀层后，深入腐蚀的晶界即可被清晰显示。

    所以，从腐蚀效果看，B4试剂效果最佳，适用淬火温度最宽。

4  结论

    (1)在模具钢的侵蚀试验中，除了选配适宜的侵蚀剂外，还必须制定恰当的操作方法才能达到预期的效果。

    (2)加热侵蚀时，苦味酸可对GM钢晶界晶面产生侵蚀作用，洗发膏(苯磺酸钠)不能阻碍其对晶面腐蚀速度。而加入铁屑后则通过增加Fe^-离子浓度的方式抑制了晶面腐蚀速度．使晶界腐蚀得以优先进行。

    (3)从所用试剂侵蚀效果得出：B4试剂优于A2、B2试剂，是一种操作方便、重现性好、温度范围宽(1080℃以上)，最适合GM钢晶粒度显示的试剂。