《钢质模锻件金相组织评级图与评定方法》国标的制订与应用

第一汽车集团公司  李振愚  黄春

[摘要] 以汽车、拖拉机模锻件的金相检验为基础，根据大量试验工作及国内模锻生产厂长期实践积累的经验和资料，制订了《钢质模锻件金相组织评级图与评定方法》国家标准，为指导生产检验，制订改进生产工艺提供了科学依据。

1  前言

    模锻件的生产一般要通过锻后热处理，使锻件获得不同的机械性能，热处理后的金相组织检验是控制锻件内在质量的重要手段之一。金相检验不仅能反映出锻件热处理的结果，还能考察热处理工艺的合理性，为制订、改进工艺提供科学依据。为确定金相检验统一的、权威的客观尺度，制订了《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》。本标准的制订主要是根据我国模锻生产厂家长期生产实践积累的经验和资料。

    国内的模锻生产厂对锻件金相组织观察分析有多年历史，积累了丰富的资料，一些厂已经制订了适用于工厂的金相组织评级的工厂标准。我们在一汽工厂标准的基础上，吸取了北内、洛拖、二汽、南汽等厂的经验经多次修改．形成审定稿(1989年)和报批稿(1990年)，1991年12月经国家技术监督局审查批准、．标准号为GB/T13320-9l，于1992年10月1日起实施。

2  标准的制订原则

2.l 制订标准的主导思想

    制订金相组织评级图及评定方法的主导思想就是：在保证标准的科学性的前提下，强调标准的实用性，注意与生产实际结合，使标准符合我国目前的模锻生产实际情况，因为只有内容先进而又切实可行的金相检验际准；才能在提高锻件内在质量方面起到应有的促进作用，使标准的贯彻产生好的经济效益。

2.2 标准的适用范围

    本标准是以汽车、拖拉机模锻件的金相检验为基础制订的。因为汽车拖拉机行业采用模锻件最多．而且也最育代表性．其代表性表现为：

    a. 锻件形状各异，拥有锻件分类表中各种类型的锻件；

    b. 成形方法多样．有锤模锻，平锻机模锻、摩擦乐力机模锻、锻压机模锻、辊锻、辊轧、挤压等，几乎包括了现代锻压成形的各种方法；

    c. 材料应用范围较广。汽车、拖拉机行业应用的材质，代表了整个机械制造行业；

    d. 汽车、拖拉机行业对模锻件的内在质量要求较高。有较长的金相组织系统检验史，积累了丰富的资料。

    因此，以汽车、拖拉机行业模锻作为基础制订的标准除了主要适用于汽车、拖拉机行业外，对其他加工机械、矿山机械、施工机械等也有指导意义。

2.3  评级图的分组

    按钢种、钢号和不同的热处理方式，将评级图分为四组：

    a. 中碳结构钢正火锻件评级图，主要用于35、40、45、50、55等中碳结构钢正火处理锻件的金相组织检验和级别评定。

    b. 低碳低合金结构钢(渗碳钢)正火锻件金相组织评级图。主要用于20CrMnTi、20MnTiB及其它组织相近的渗碳钢正火锻件的金相组织检验和级别的评定。

    c. 中碳结构钢调质锻件金相组织评级图。

    d. 中碳低合金结构钢调质锻件金相组织评级图。

2.4  锻件评级标准的分级原则

2.4.1  正火锻件评级标准的分级原则

    锻件从锻造状态到完全正火状态其组织可分为：锻造状态、部分正火状态、不完全正火状态和完全正火状态几种类型，本着评定时容易判定，生产中应用方便的原则，每组标准划分为8个等级。并以20CrMnTi钢为低台金渗碳钢正火锻件作为评级图的依据。

2.4.2  调质锻件评级标准的分级原则

    调质锻件一般采用中碳和中碳低合金结构钢，在高温回火前的组织状态大致可分为：完全淬火状态、不完全淬火状态、半淬火状态和部分淬火状态，以及过冷组织和接近正火状态等几种类型的组织。经过高温回火处理后的组织形态，取决于淬火后的组织形态，因而经调质处理的锻件组织，形态也可以分为相应的几种类型，遵照这一原则，中碳和中碳低合金结构钢调质锻件金相组织评级图也是分为8个等级。

2.5  评级图的级别划分

    四组评级图分别划分为8个等级，l级组织最好，8级组织最差，两组正火评级图中1～4级为完全正火状态或基本正火状态组织，5～8级为不完全正火、半正火或锻造状态组织，两组调质评级图中1～4级为淬火回火组织，5～8级为部分淬火，过冷状态或接近于正火组织，4级组织相当于淬火半马氏体回火组织；淬火状态下半马氏体组织与钢中碳含量有直接关系。在显微镜下确定淬火状态钢锻件的半马氏体点时，可在同一试样截面上从边部到心部测定硬度分布情况，并绘出硬度分布曲线，作对照参考。

图l  半马氏体硬度与含碳量的关系

    在确定较大截面调质锻件的淬透深度时，4级组织一般可视为临界组织，较大截面锻件的过渡区或心部组织，一般为5～6级或7～8级，当热处理工艺不良或在生产中违反工艺操作规程时，小截面锻件也会出现5～8级组织。

2.6  不同级别的金相组织与性能的关系

    用45钢加工成拉伸和冲击试样毛坯，经过不同工艺的淬火处理，获得整个截面较均匀的不同级别的金相组织，高温回火后，加工成标准试样进行试验，结果如图。

    试验结果表明：不同级别的金相组织其硬度和拉伸强度、延伸率和断面收缩率差别不大，而屈服强度和冲击韧性随着组织级别的增大而明显降低。

图2  45钢金相组织级别与机械性能关系

注  图中O～7组试样经860℃淬火+600℃回火8组为锻造状态9组为正火状态各组直方图代表符号均同第4组所示。

    碳化物的形态是对屈服强度σ和冲击韧性αk产生影响的主要因素。经调质处理后的粒状珠光体组织，其碳化物呈粒状分布，σ和αk均提高，未淬火组织即珠光体、索氏体等，经高温回火后其碳化物形态仍保持条片状组织σ和αk较低，但对硬度和抗拉强度以等影响不大。

    在制订标准中，对汽车转向节臂进行了疲劳试验，结果表明：除硬度影响外，不同级别的金相组织，其疲劳性能也有明显的差别，其对应关系如下表：

3  评级图的应用

3.l 合格级别的确定

    锻件金相组织的合格级别，应由锻件生产厂根据锻件的技术条件决定或由锻件供需双方协商决定。在生产中贯彻和应用评级图时，必须根据本厂的实际情况，制订出相应的锻件金相检验技术条件，其内容应包括锻件生产过程的简要工序，材料钢号、锻件的硬度要求、锻件简图、取样部位、边部和心部金相组织的合格级别，以及调质件的淬硬层深度等。

    合格级别的确定主要根据设计对锻件性能的要求，合理地选定试样截取部位和正确确定合格级别是非常重要的。在满足设计要求的前提下，合格级别的确定还要适当考虑生产实际情况。第一汽车集团对近100种中型卡车锻件规定了具体检验标准，对这些锻件的金相组织合格等级，取样部位等都作了规定，这些标准可供同行们参考。

3.2  金相组织的评定

    各组评级图均分为8个等级，按1～8级评定，当被评定的组织介于两个级别之间时，可用半级来表示。

    正火锻件的金相组织在金相显微镜下放大100倍观察，取其最差组织部位，分别按第一组评级图或第二组评级图评定组织级别边部组织是指锻件表面1～5mm范围内的组织．心部组织是指锻件截面中心附近的组织。

    调质锻件金相组织在金相显微镜下放大500倍观察，取其最差组织，分别按第三组或第四组评级图评定组织级别、边部金相组织对于碳素结构钢是指距锻件表面1～3mm范围内的组织，合金钢边部组织为1～4mm，心部组织指锻件截面中心附近的组织。在评定金相组织级别时应主要掌握以下几点：

    a．在100倍显微镜下观察评定正火锻件金相组织时，主要看基体组织是否全部转变为正火状态的晶粒比较均匀的片状珠光体加铁素体组织，锻造状态的粗大晶粒和魏氏组织或粒状贝氏体消除程度如何，以及残留部分有多少，晶粒度的大小和均匀程度。

    b．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那些淬火组织转变形成的。小截面的锻件淬火后一般为针状马氏体、针状马氏体加部分托氏体或贝氏体(合金钢)以及针状马氏体加部分托氏体(或贝氏体)加部分游离铁素体的回火转变组织。当淬火不良或锻件截面较大时，特别是在过渡区及心部，可同时产生多相并存的金相组织，经高温回火后，这些组织的形态仍是有区别的，当在500倍显微镜下分辨不清时，可改用较高倍数观察分析定性，同时还要看游离铁素体的含量多少、大小和分布形态。

4  对贯彻本标准的建议

4.1 确定进行系统金相检验的锻件清单并制订这些锻件的金相检验评级卡，规定出金相合格级别以及取样部位。

4.2制订金相检验制度应就检验周期、检验数量、检验程序以及有关部门的权力与责任等作出规定，对检验不合格的锻件处理也要作明确的规定。

4.3 及时总结经验，研究并向有关部门反馈金相检验中发现的问题。如原材料，热处理工艺是否合理。

    第一汽车集团公司为了贯彻本标准，制订了一整套与国标相适应的企业标准以及锻件送检制度。这些企业标准和制度对保证国标的贯彻起到了很好的作用，使锻件内在质量得到了切实的保证，同时验证了锻件的热处理工艺。

    《钢质模锻件金相组织评级图》国家标准被评为1993年度机械工业部科技进步三等奖。