对《汽车渗碳齿轮金相检验》标准中“马氏体级别”的探讨

摘要:通过生产中的试验例证和检验结果,针对《汽车渗碳齿轮金相检验》标准中“马氏体级别”的概念和评级方法进行了分析和讨论。认为不宜将“马氏体级别”作为一项独立的质量指标。

关键词:马氏体级别;残留奥氏体;奥氏体晶粒度

QC/T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》是我国汽车行业中长期使用的一项覆盖面较广、影响较大的标准。在该标准中,“马氏体级别”被作为一项重要的、不可缺少的质量指标。标准中规定:马氏体等级按其针体大小确定,共分8个级别,评定马氏体级别和评定残留奥氏体级别一样,共同使用一套残留奥氏体、马氏体级别的标准图片(400倍,8张),所评定的结果均在1～5级内为合格。

但是,汽车零部件生产者对“马氏体级别”这一概念一直是有争议的。争议的焦点集中在马氏体级别的实质概念,马氏体级别超差或合格的依据以及它对产品性能和质量的影响。在实际生产中,除渗碳淬火工艺外,影响马氏体级别的还有哪些主要因素,如何防止马氏体级别超差,试样的马氏体级别超差后,如何处理等,也常常使人们感到困惑。本文通过一些试验例证和检验结果,对这些问题进行分析和讨论,并对该标准中将马氏体级别作为一项独立的质量指标的必要性提

出质疑。

1 渗碳试块和工件的金相检验实例

1.1 试验工艺

表1列举了实际生产中经不同炉次渗碳的试块和工件的金相检验结果。工件和试块的材料均为20CrMnTi钢。试验过程如下:①工件与试块同炉,930℃×(6～8)h渗碳,降温至840℃淬油,180℃×2.5h回火。用金相显微镜按标准图片分别对试块的残留奥氏体和马氏体评级并检查表层奥氏体晶粒度。将样品浸入80℃的苦味酸+少量洗涤剂混合液,于80℃浸泡腐蚀。按YB/T5148-1993《金属平均晶粒度测定方法》评定表层奥氏体晶粒度。②上述试验完成后,对同一试块进行冷处理(干冰+酒精,-40℃～-60℃×0.5h)。再次检查其残留奥氏体级别和马氏体级别。③剖切同炉工件,分别检查其残留奥氏体级别和马氏体级别。

1.2 对检验结果的评述

(1)试块 当表层奥氏体晶粒比较细小时,如7～8级,试样的马氏体级别与残留奥氏体级别基本一致。随着表层奥氏体晶粒增大(如6级),试样的马氏体级别增高并与残留奥氏体级别开始出现分离,表层奥氏体晶粒比较粗大时,马氏体级别明显增高。

从马氏体级别与奥氏体晶粒度和残留奥氏体级别的依赖关系上看,当表层奥氏体晶粒比较细小时,马氏体级别更依赖于残留奥氏体量的多少,即残留奥氏体级别越低,马氏体级别越低。当表层原奥氏体晶粒比较粗大时,马氏体级别更依赖于奥氏体晶粒的大小,奥氏体晶粒越大,马氏体级别越高。

所有经过冷处理的试样,不管原奥氏体晶粒度如何,其残留奥氏体级别均降低。当原奥氏体晶粒比较细小时,马氏体级别与残留奥氏体级别同步降低。当表层原奥氏体晶粒比较粗大时,马氏体级别基本不降低。事实上冷处理只影响残留奥氏体的多少,但在原奥氏体晶粒较细时,却影响马氏体级别的评定结果。

(2)工件 将工件的剖物检查结果与对应的同炉次的试块进行对比,可以看到,它们的残留奥氏体级别是一致的,但马氏体级别不一定相同。特别是当试块表层奥氏体晶粒粗大、马氏体级别较高时,工件剖面的马氏体级别往往正常。试块与工件之间有较大差异,这说明虽然是同炉次、同工艺,试块的奥氏体晶粒粗大,而工件的奥氏体晶粒未必粗大。

2 关于马氏体级别问题的讨论

2.1 马氏体级别的概念

标准[1]中指出:马氏体级别“按其针体大小确定”。这里并没有明确“其针体大小”是指在奥氏体晶粒中可观察到的最大马氏体针长(即贯穿晶粒的初生马氏体针长),还是指初生马氏体针与随后生成的次生马氏体针交织在一起可观察到的最大马氏体针长(它往往处于尚未转变的残留奥氏体的背景上)。显然,前者与奥氏体晶粒度有关,在此称为马氏体级别的第一种概念。而后者所指的亚晶范围内的次生的马氏体针长,虽与奥氏体晶粒度也有关系,但更与奥氏体的转变程度或残留奥氏体量的多少有关。在此称为马氏体级别的第二种概念。

由冷处理后的试验结果可看出,当奥氏体晶粒比较小时,冷处理后的马氏体级别随着残留奥氏体量的减少而降低,因为冷处理并不改变原奥氏体晶粒的大小,说明马氏体级别的第一种概念不成立,而第二种概念可以解释该试验结果。同样,经过冷处理后,当奥氏体晶粒比较粗大的情况下,马氏体级别并未降低。这说明马氏体级别与奥氏体晶粒度相关的第一种概念成立,而第二种概念与试验事实不符。

以上情况表明,在不同情况下,马氏体级别的概念已经发生了变化。因此马氏体级别概念的不确定性(或双重性),必然与试验结果产生矛盾,而且会造成认识上的混乱。

马氏体级别在概念上的混乱,与马氏体级别评定方法的局限性和所提供的马氏体级别标准图片有关。在400倍的光学显微镜下,观察金相样品时,若奥氏体晶粒比较粗大,很容易观测到贯晶的初生马氏体针即晶内的最大马氏体针,晶粒愈大,观察时愈不容易受到次生的马氏体针或残留奥氏体块的干扰。在冷处理前、后,都能比较清楚地看到初生的最大马氏体针,而冷处理又不能改变其大小形状。这就是当奥氏体晶粒比较粗大时,试样经过冷处理后的马氏体级别不会明显降低的原因。相反,若奥氏体晶粒比较细小,由于光学分辨能力的限制和视场中初生、次生马氏体针的交叉重叠,很难观察到贯晶的初生马氏体针,马氏体相变进行得愈完全。残留奥氏体的体积范围愈小,所能观察到的次生的马氏体针就越短小。这就是奥氏体晶粒较小时,马氏体级别随残留奥氏体量的减少而降低的原因。

以上情况说明,用光学显微镜在有限的放大倍数下观察马氏体针的大小时,由于分辨率的限制,人们不自觉地改变了测量对象。也就是奥氏体晶粒较大时,所选的测量对象更接近贯晶的初生马氏体针,即最大马氏体针。因此,这时马氏体级别与奥氏体晶粒度的相关性显著,而奥氏体晶粒较小时,所选择的测量对象已经变成了次生的、长度比较短小的马氏体针,此时,马氏体级别的高低将与残留奥氏体量的多少密切相关。

    2.2 马氏体级别标准图片本身存在的问题

标准[1]中,马氏体级别与残留奥氏体级别虽然是分别评级,但共用了一套8个级别的评级图片。从评级图片中可以看出,从8级到1级,马氏体级别和残留奥氏体级别同时在降低。还可以看出,从8级到6级所对应的三个级别的奥氏体晶粒都比较粗大,且逐级减小。然而对于5级以下的图片(例如5～2级),却不能认为,随着马氏体级别逐级降低,其奥氏体晶粒也随之减小。也就是说,5～4级的马氏体级别高并不说明它们的奥氏体晶粒比较粗;3～2级的马氏体级别低,并不意味着它们的奥氏体晶粒比较细。况且,在标准中也未注明每个级别所对应的奥氏体晶粒度。总之,从标准图片上就能看出,5～2级的马氏体级别的高低与奥氏体晶粒度关系不大,反而与残留奥氏体含量的多少有关。

由上所述,既然马氏体级别与奥氏体晶粒度和残留奥氏体量的这种依赖关系已经用评级图片的形式被固定下来,所以实际检验中的马氏体评级结果,当然也不会脱离这种依赖关系。

    2.3 马氏体级别不宜作为一项独立的质量指标

在渗碳工件的热处理质量中,奥氏体晶粒度和残留奥氏体含量都是重要的质量指标[2],都有成熟的测量方法和检验标准。同时大量的试验结果表明,这些指标对工件的使用性能和服役寿命有重要影响。

由上可知,随奥氏体晶粒的变化,马氏体级别与奥氏体晶粒度和残留奥氏体量有着不同程度的依赖关系。即马氏体级别与这两个指标都有关联,将马氏体级别单独作为一项检验指标,有嫌重复。另外,如果对不同马氏体级别的工件进行性能或寿命考核试验,那

么,在试验结果中很难剔除奥氏体晶粒度或残留奥氏体量的影响。事实上,尚未见过有关马氏体级别对工件性能影响的专门报道,因此马氏体级别作为质量指标是缺乏试验依据的。

    2.4 在实际生产中进行马氏体级别检验的必要性

检验实例表明,当试块的马氏体级别较高(特别是马氏体级别单独超差)时,绝大多数情况下,试块的原奥氏体晶粒已经粗化。但往往同炉工件的马氏体级别并不高,即工件的奥氏体晶粒并未长大。工件和试块在奥氏体晶粒度上的不一致,说明渗碳工艺并不是造

成奥氏体晶粒粗化的主要原因。其实奥氏体晶粒的异常长大或混晶,与材料的成分(包括细化晶粒的微量元素)、冶金过程、预处理过程和渗碳前的组织状态以及渗碳温度有关。也就是说,如果由于原材料或预处理过程不合格而引起的马氏体粗大则与渗碳工艺无关。因此,试块马氏体级别超差时并不能代表工件的马氏体级别也超差。既然试块的马氏体级别的检验结果已经失去了代表意义,而且它对调整渗碳工艺也几乎没有指导作用,所以这些问题使大家对马氏体级别检验的必要性产生怀疑。

    2.5 国外情况

据了解,美国、德国、日本等科技先进国家的汽车行业的渗碳金相标准中,并没有将马氏体级别列入检查范围[3]。有的标准对渗碳前的原材料的化学成分、淬透性以及原始组织和硬度提出了一定的质量要求。我国进入WTO后,在国际行业标准方面必然要进行更多的交流。我国汽车行业中使用的马氏体级别可能会在国际产品质量的认同方面产生麻烦。

  3 建议

综上所述,鉴于马氏体级别在概念评级方法和评级结果等方面存在的问题和矛盾,不宜作为实用的有效的质量控制指标。建议新标准中取消马氏体级别的评级,在评定工件残留奥氏体级别的同时,如发现明显粗大的马氏体针,应通过直接腐蚀法检验工件表层的

奥氏体晶粒度。但是,对于允许的奥氏体晶粒度的界限等级或混晶程度,应有一个明确、合理的规定。