連桿心部組織中上貝氏體的消除方法

顏培慶，單 杰，侯海山，管其學

(江蘇豐東熱技術股份有限公司，江蘇大豐 224100)

材料為20CrMo的連桿產品，壁厚8 mm。使用江蘇豐東UBE-1000的多用爐生產線進行滲碳、緩冷及二次加熱淬火、回火，檢測發現產品心部組織有10% ～15%的上貝氏體和粒狀貝氏體。上貝氏體脆性大，會降低產品的韌性和屈服強度，對產品的綜合機械性能會產生不利影響［1］，因此要消除心部的上貝氏體。通過調整產品的熱處理工藝，提高二次加熱溫度，并降溫淬火能控制心部組織中不出現上貝氏體。

1 工藝流程及試驗方法

20CrMo材料是比較常用的低合金結構鋼和滲碳鋼，化學成分見表1。

表1 20CrMo材料的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 20CrMo material(ω，%)

20CrMo材料的臨界溫度Ac1為755℃，Ac3為840℃，Ms為380℃。為了消除原材料及熱鍛缺陷對試驗的影響，所用試驗產品均進行擴散退火處理。

產品的熱處理工藝如下:

1)滲碳、緩冷工藝見圖1。采用江蘇豐東UBE-1000帶緩冷多用爐進行滲碳緩冷后，檢測產品沒有出現上貝氏體。

2)二次加熱淬火工藝見圖2。

圖1 滲碳緩冷工藝Fig.1 Process of carburizing and slow cooling

圖2 二次加熱淬火工藝Fig.2 Process of second heating and quenching

3)淬火后的回火工藝見圖3。檢測發現產品心部出現10% ～15%的上貝氏體組織(如圖4所示)。

圖3 回火工藝Fig.3 Process of tempering

2 上貝氏體組織的形成原因及消除對策

由20CrMo的TTT圖(見圖5)可知，形成上貝氏體的溫度在320～620℃之間。淬火冷卻時在500～620℃保持1 s以上就會有上貝氏體組織出現［2］。

圖4 心部組織為上貝氏體Fig.4 The core microstructure of upper bainite

圖5 20CrMo鋼的 TTT圖［2］Fig.5 TTT picture of 20CrMo steel［2］

由此分析產品心部出現上貝氏體組織，是由于冷卻時在上貝氏體轉變溫度區間停留時間較長，形成少量的上貝氏體組織。解決問題的方向就是盡可能縮短在上貝氏體轉變區間的停留時間，即:增大冷卻速度。但現有條件是油品確定，提高冷速的條件不滿足。另外一個途徑就是盡可能使C曲線右移，延長孕育期，推遲貝氏體轉變。我們知道合金元素對TTT圖的影響很大。當Mo、Cr元素溶入奧氏體的含量增加時，珠光體轉變移向高溫，而貝氏體轉變則移向低溫，推遲貝氏體的轉變［3］。這要對二次加熱淬火的工藝進行調整，可以適當提高奧氏體化溫度。

3 調整后的熱處理工藝

新一批產品調整二次加熱淬火工藝，見圖6，其它熱處理工藝不變。檢測產品心部組織無上貝氏體，有2% ～5%的粒狀貝氏體(如圖7)，符合產品的技術要求。

圖6 調整后的加熱淬火工藝Fig.6 Process of heating and quenching after adjustment

圖7 心部組織為粒狀貝氏體，無上貝氏體Fig.7 The core microstructure is of granular bainite，no upper bainite

4 試驗結果及分析

兩組試驗對比發現:奧氏體化溫度提高到880℃保溫30 min，再降溫到840℃淬火，心部組織中沒有出現上貝氏體，只存在少量的粒狀貝氏體。奧氏體化溫度的高低對貝氏體的形成轉變有重要影響。奧氏體化溫度的升高，可以提高溶入奧氏體內的合金元素和碳的含量。溶入奧氏體內的合金元素Cr、Mo會使C曲線右移，提高孕育期;奧氏體化溫度升高，會使奧氏體均勻化時間縮短，降低奧氏體內濃度漲落，可以推遲貝氏體的轉變。

作為貝氏體新相的晶核是以起伏形成的。濃度起伏形成貧碳區，結構起伏形成體心核坯，能量起伏提供核坯和臨界晶核所需的能量上漲。三種起伏的相互作用使微小的起伏迅速放大，致使奧氏體貧碳區的結構(fcc)失穩而瓦解，建構bcc結構的BF晶核。

奧氏體化溫度的高低會影響到奧氏體化狀態:包括奧氏體的晶粒度、成分的不均勻度、晶界偏聚、剩余碳化物的量等，這些因素均會對過冷奧氏體的貝氏體相變產生重要影響。隨奧氏體化溫度提高，穩定奧氏體化作用的溶質元素溶解更加充分，合金碳化物溶解量增多，分布更加均勻，從而過冷奧氏體更加穩定，貝氏體轉變的C曲線右移，推遲貝氏體相變的發生［1］。

對于本試驗的產品，淬火油冷速一定的情況下，產品心部冷卻到500～600℃的保持時間為恒定值。這樣，通過提高奧氏體化溫度后，使得C曲線右移，貝氏體轉變孕育期增加，貝氏體轉變被延遲，從而不發生上貝氏體轉變，消除了產品心部組織中的上貝氏體。

5 結論

1)對于20CrMo材料，奧氏體化溫度的高低會影響貝氏體的形態。

2)溶入奧氏體中的合金元素以及碳元素的含量是影響貝氏體轉變的根本原因。

［1］ 劉宗昌，王海燕，任慧平，等.貝氏體鐵素體形核長大的熱激活遷移機制［J］.金屬熱處理2007，32(11):1－5.

［2］ 崔忠圻，劉北興.金屬學與熱處理原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2007:209.

［3］ 劉宗昌，任慧平 .貝氏體與貝氏體相變［M］.北京:冶金工業出版社，2009:75，273－275.