含高濃度緩蝕劑苦味酸溶液在奧氏體晶粒度直接腐蝕法中的應用

緩蝕劑的主要成分是什麼

奧氏體晶粒度是結構鋼重要的組織效能指標之一，同時也是判斷結構鋼熱處理過程是否存在缺陷或遺漏的重要過程證據。例如，透過測定奧氏體晶粒度可以區分熱鍛件是否經過正火處理。

苦味酸溶液是直接腐蝕法最常用的晶界腐蝕劑之一，一般包含3種成分：①浸蝕劑（苦味酸或苦味酸+鹽酸等）；②稀釋劑（乙醇），用於減少電離作用；③緩蝕劑，用於減少晶內腐蝕，提高晶粒度腐蝕的襯度。苦味酸的腐蝕效果取決於對腐蝕條件的掌握，不同的組織狀態和比例、晶界成分偏析、腐蝕劑的配比、浸蝕溫度以及時間等都會對腐蝕效果產生影響。

由於苦味酸的腐蝕條件不易掌握，對操作人員的試驗技術要求較高，因此雖然這種腐蝕技術早在1964年就已列入我國YB 27-1964«鋼的晶粒度測定法»標準中，但是在實際運用中，該項技術沒有氧化法、滲碳法和直接淬硬法操作簡便、使用廣泛。

筆者設計了45鋼和42CrMo鋼兩種典型材料的不完全淬火+高溫回火、完全淬火+高溫回火以及熱鍛空冷狀態的奧氏體晶粒度檢測試驗。選用十二烷基苯磺酸納作為緩蝕劑，測試高低兩種緩蝕劑濃度配方在典型熱處理狀態下的奧氏體晶粒度腐蝕情況。

試驗材料及方法

試驗採用45鋼和42CrMo鋼兩種典型材料，其實際化學成分見表1。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）

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試樣的熱處理工藝見表2。

表2 試樣的熱處理工藝

試驗採用兩種腐蝕劑，編號為1號和2號，配方如下：

1號腐蝕劑配方：4g苦味酸+1mL鹽酸+96mL乙醇+1g十二烷基苯磺酸納。2號腐蝕劑配方：4g苦味酸+1mL鹽酸+96mL乙醇+5~8g十二烷基苯磺酸納。

採用室溫浸蝕，檢測方法見表3，檢測奧氏體晶粒度採用的儀器為蔡司AxioVertA1型顯微鏡。

表3 奧氏體晶粒度檢測方法

試驗結果與討論

按表3檢測的1~5號試樣奧氏體晶粒形貌如圖1~5所示。

圖1 不同腐蝕

劑下不完全淬火組織的奧氏體晶粒形貌

圖2 不同腐蝕劑下不完全淬火+高溫回火組織的奧氏體晶粒形貌

圖3 不同腐蝕劑下完全淬火組織的奧氏體晶粒形貌

圖4 不同腐蝕劑下完全淬火+高溫回火組織的奧氏體晶粒形貌

圖5 不同腐蝕劑下粒狀貝氏體組織的奧氏體晶粒形貌

緩蝕劑濃度的影響

十二烷基苯磺酸是一種陰離子型表面活性劑，在溶液中能吸附於試樣的陽極表面，或在金屬與液麵間產生遮蔽性薄膜抑制陽極溶解過程。

對比1號和2號腐蝕劑的試驗結果可以看出，當緩蝕劑的濃度較低時，抑制晶內組織腐蝕的效果較差，只有不完全淬火狀態下的奧氏體晶粒形貌較清楚，其他狀態下的晶粒腐蝕效果均較差。當緩蝕劑濃度較高時，除不完全淬火+高溫回火狀態下的晶粒腐蝕效果較差外，其他狀態的都非常好，說明緩蝕劑對抑制晶內組織腐蝕速率的能力，主要取決於緩腐劑的濃度以及顯微組織狀態。濃度高，抑制效果好；顯微組織組分越多，晶內組織腐蝕速率越快，晶粒腐蝕效果越差。

偏析的影響

苦味酸腐蝕液更容易顯示鋼中的帶狀及枝晶偏析區域的晶粒，如圖4b）和圖5b）所示，利用偏析區容易腐蝕以及晶界優先腐蝕的原理，使用緩蝕劑濃度較高的2號配方，腐蝕時間較短時，偏析區優先腐蝕而其他區域腐蝕不明顯。腐蝕後顏色較深的偏析區域，存在碳和硫的正偏析，以及鉻、鎳和鉬等合金元素的正偏析，其中以碳和硫的偏析為主。根據文獻中的微區成分分析顯示，碳偏析相差0。03%左右。

偏析區碳含量高，腐蝕速率相對較快，同時大量的雜質原子和合金元素富集於偏析區，並且其又容易分佈在晶界處，因此偏析區晶界腐蝕速率更快，更容易顯示出清晰的奧氏體晶粒。

對比圖2b）和圖4b）可知，相比不完全淬火+高溫回火的試樣，完全淬火+高溫回火的試樣利用帶狀偏析檢測奧氏體晶粒度更為清晰。完全淬火+高溫回火試樣的顯微組織為回火索氏體+極少量鐵素體，組織較為單一，腐蝕速率的差別主要體現在晶內和晶界的差異，以及偏析區域的差異，偏析區晶界腐蝕速率更快，奧氏體晶粒更容易被顯現。不完全淬火+高溫回火試樣的顯微組織為多相組織，其中回火屈氏體組織耐腐蝕性最差，晶界腐蝕時其他組織也會連帶被腐蝕，檢測結果較差。

高溫回火的影響

從圖2b）和圖4b）可以看出，回火後組織的耐腐蝕效能變差，晶粒度檢測時伴隨晶界腐蝕，顯微組織也會顯示出來，使晶粒度檢測的難度加大。

對比圖2b）和圖4b）可以看出，回火後的晶粒度相比淬火的晶粒度評級細1級左右。高溫回火後顯示晶粒度變小，主要原因是600℃回火後α相發生再結晶，透過多邊化形成亞晶粒。鋼淬火後在400℃以下回火，基體仍保持原馬氏體形態。高於600℃回火，α相晶粒長大，馬氏體針狀逐漸消失，形成多邊化的鐵素體。化學腐蝕時，奧氏體晶粒和多邊化的α相晶界同時顯示出來，使高溫回火的晶粒顯示更細小。

結論

（1）苦味酸溶液中的緩蝕劑濃度對奧氏體晶粒度檢測影響很大，緩蝕劑濃度高的配方腐蝕效果更好。

（2）由於偏析區域容易被腐蝕，利用帶狀偏析檢測縱向面晶粒度，可以更容易快速地檢測出準確的奧氏體晶粒度。

選自：《理化檢驗-物理分冊》 Vol。55 2019。8

作者：鄭俊濤，工程師，江蘇龍城精鍛有限公司