不銹鋼鍋爐管內(nèi)表面噴丸強化層硬度檢測方法

羅有心， 楊利杰， 裴敏男， 沈澤豪， 裴敏婕， 鐘高武

（1. 浙江久立特材科技股份有限公司， 浙江湖州 313028；2. 湖州市南潯區(qū)政務服務管理辦公室， 浙江湖州 313009；3. 湖州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測研究院， 浙江湖州 313028）

1 概 述

奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁噴丸強化是將金屬彈丸高速撞擊鋼管內(nèi)表面， 內(nèi)表層在彈丸的沖擊下發(fā)生多次疊加塑性變形， 最終形成噴丸強化層。 強化層是具有一定深度的塑性變形硬化層， 包括碎化晶層、 單滑移層和多滑移層。 碎化晶層位于噴丸層的最表層， 其組織是高畸變的亞結(jié)構(gòu)（亞晶）組織， 奧氏體晶界和滑移帶消失； 單滑移層位于噴丸層靠基體側(cè)， 其組織大部分奧氏體晶粒發(fā)生單系滑移， 越接近基體組織發(fā)生單系滑移的晶粒比例越低； 多滑移層位于單滑移層和碎化晶層之間，其組織特征是奧氏體晶粒內(nèi)發(fā)生多系滑移。 奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁噴丸強化層典型組織如圖1 所示。

圖1 不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁噴丸強化層典型組織形貌

2 強化層硬度檢測

2.1 檢測設備

噴丸強化層硬度檢測設備包括AXIO Imager A2m ZEISS 金相顯微鏡、 HB-3000 布氏硬度計以及401MVD 數(shù)顯顯微維氏硬度計， 檢測設備應滿足GB/T 4340.2 規(guī)定， 設備標尺在HV0.01～HV1.0， 硬度計壓頭應當是具有正方形基面的金剛石錐體。

2.2 試樣制備

取樣位置如圖2 所示， 取被強化鋼管管頭、管尾兩端段及中間段、 長度不大于30 mm 的3 個管環(huán)試樣， 采用機械切割截段， 兩端平頭。 對于不能滿足試驗設備的試樣， 允許按0°、 90°、180°、 270°切割為4 塊20 mm×30 mm 的小樣（或適宜的若干塊小樣）， 在整個加工過程中確保樣品不受熱影響和變形。

強化層硬度取樣后， 選取一個截面與熱加工軸線平行的檢測面進行研磨拋光， 盡量避免產(chǎn)生夾角。 為了使檢驗面平整， 試樣可用夾具或鑲嵌的方法加以固定。 試樣在拋光時， 應使其檢測面盡可能干凈平整， 檢測面粗糙度應滿足標準要求。

圖2 硬度檢測取樣位置及尺寸

2.3 強化層深度及硬度檢測方法

2.3.1 強化層深度

采用金相分析法， 將試樣檢測面用水60 mL、硫酸銅10 g、 氯化鈉20 g、 硝酸40 mL 的混合溶液或其他適宜的腐蝕劑腐蝕以顯示試樣顯微組織。將試樣檢測面在50～100 倍顯微鏡下觀察噴丸層的組織變化， 選擇噴丸層較均勻且相對最深的噴丸層深度， 推薦200 倍或以上顯微鏡下選測3～5 個相隔有規(guī)律的點進行測量， 取測定數(shù)據(jù)的平均值作為總硬化層深度。 圖3 所示為奧氏體不銹鋼10Cr18Ni9NbCu3BN 正常噴丸層典型顯微組織形貌， 圖4 所示為漏噴區(qū)和欠噴區(qū)組織形貌。

圖3 正常噴丸層典型顯微組織形貌

圖4 非正常噴丸層典型顯微組織形貌

2.3.2 顯微硬度測定

用與試樣硬度相近的標準硬度塊對設備進行驗證。 將試樣檢測面朝上， 平穩(wěn)置于顯微硬度計載物臺上， 選擇合適的試驗力加載（優(yōu)先采用較大試驗力）。 在顯微鏡下分別（隨機） 在0°、 90°、180°、 270°找出距邊緣60 μm （或按技術(shù)要求位置和深度） 深度處及基體各3 個試驗點進行檢測，加載完畢后按標準測量壓痕對角線長度， 讀取硬度值， 取3 個測試點硬度平均值為最終硬度值。

3 強化層硬度檢測結(jié)果判定

通過對基體硬度的測定及噴丸強化層硬度的測定， 對基體與強化層硬度差值進行比較， 得出是否達到產(chǎn)品要求指標。 例如： S30432 和347HFG 不銹鋼鋼管一般控制橫截面噴丸強化層硬度≥280HV0.5， 基體硬度值≥200 HV0.5且與母體位置測定的硬度差值＞100HV0.5； 按金相分析法檢測鋼管橫截面噴丸強化層的有效深度≥60 μm。

當零件有特定目標區(qū)域/部位需要強化時， 設計使用的丸料為不銹鋼丸。 根據(jù)丸粒大小， 利用壓縮空氣的噴丸強化是較理想的選擇。 同時噴嘴角度、 規(guī)格、 移動速度、 空壓氣體壓力等都是重要的技術(shù)參數(shù)。 不同直徑丸粒的殘余應力分布如圖5 所示， SUP9 鋼工件表面硬度600HV0.5， 噴丸投射速度73 m/s， 噴丸硬度700HV0.5， 覆蓋率300%。 噴丸強度與殘余應力、 衍射半高寬、 顯微硬度、 疲勞強度的關(guān)系如圖6 所示。

圖5 不同直徑丸粒的殘余應力分布狀況

圖6 噴丸層強度與殘余應力、衍射半高度、顯微硬度和疲勞強度的關(guān)系

通過缺陷圖譜觀察缺陷晶粒的相位關(guān)系， 確定缺陷類型（漏噴、 欠噴）。 分析應根據(jù)合理的程序進行， 保證原始數(shù)據(jù)采集清晰、 完整。 表1 為強化層維氏硬度值。 由表1 檢測結(jié)果可以看出， 所測試的S30432 不銹鋼鍋爐管橫截面噴丸層硬度≥280HV0.5， 基體硬度值接近200HV0.5， 與母體位置硬度差大于100HV0.5， 噴丸層有效深度≥60 μm。所測強化層試樣硬度值符合設計要求。

表1 不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁強化層硬度檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本研究顯微硬度測定法適用于小直徑管材內(nèi)表面噴丸強化層的檢測和評價， 如內(nèi)徑20～57 mm、 外徑38～76 mm、 長度12.5 m 的S30432 和347HFG 鍋爐管， 方法實用、 可靠。 另外， 對于強化層的檢測與評定， 除了顯微硬度測定法， 目前比較先進的檢測方法是X 射線衍射， 主要是檢測材料的殘余應力， 是以二維X 射線探測器技術(shù)為基礎， 針對超大晶粒材料進行衍射， 對得到的衍射圖像進行分析處理后得到衍射數(shù)據(jù)， 再根據(jù)衍射數(shù)據(jù)繪制晶粒圖， 得到材料的真實晶界位置。 X 光衍射法區(qū)別于傳統(tǒng)檢測得到的平均晶粒尺寸， 準確性更高。