20鋼晶粒超細化工藝研究

張桂福

(四川省工業環境監測研究院，四川 成都 610041)

1 引言

細化晶粒是一種非常重要的鋼的強韌化手段，這是固溶強化、第二項強化、形變強化等手段不可比擬的。因為它們在提高鋼的強度的同時總是以犧牲鋼的塑性和韌性為代價。為了使鋼的綜合力學性能既提高鋼的強度、硬度又提高鋼的塑性、韌性。本實驗依據細晶強韌化的原理，采用快速加熱循環淬火的熱處理方法達到細化晶粒的目的，從而提高鋼的綜合力學性能[1-2]。

2 實驗工藝方案

2.1 實驗材料、設備及預備熱處理工藝

實驗使用Φ20 mm×25 mm的20鋼圓柱體為研究對象，表1為20鋼的化學成分。加熱設備采用SRJX—8—13型高溫電阻爐，額定功率8 kW，額定加熱溫度1350 ℃，控溫精度±1 ℃，實際溫度波動±10 ℃。實驗預備熱處理采用正火，正火溫度920 ℃，保溫時間20 min，空冷。

表1 20鋼的化學成分

2.2 淬火加熱溫度

實驗采用空氣電阻爐加熱。為了研究不同加熱溫度對奧氏體晶粒大小的影響。選擇了正常淬火溫度里的低、中、高三個溫度。20鋼的AC3溫度為845 ℃[3]，實驗選定的加熱淬火溫度為890 ℃、900 ℃和910 ℃。

2.3 淬火加熱保溫時間

由于試樣的尺寸小、形狀簡單，為了迅速加熱，采用到溫入爐的裝爐方式。

加熱時間由工件“有效厚度”乘以加熱系數確定，即：

τ=αKD[4]

(1)

式中：τ——保溫時間，min；

α——保溫時間系數，min/mm；

K——工件裝爐方式修正系數；

D——工件有效厚度，mm。

根據文獻[5]，對于空氣電阻爐取α=1；試樣平放在爐低，沒有重疊和相互接觸且裝爐量很小，取K=1；對于圓柱型20鋼棒，其有效厚度就是其直徑20 mm；所以此試樣的保溫時間τ=αKD =1×1×20=20 min。在保證熱透的前提下，為了研究保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響，最終確定為兩個保溫時間：18 min和 20 min。

2.4 淬火介質及循環次數

20鋼的淬透性很差，即20鋼在淬火時能獲得馬氏體組織的傾向很小。對于20鋼來說，文獻[5]推薦為水淬。這也是最為方便和廉價的淬火介質。

循環淬火使鋼多次經歷奧氏體化，每一次奧氏體化晶粒就被細化一次。雖然淬火循環次數越多，晶粒細化的程度越好，但當到達一定次數后淬火細化晶粒的效果逐漸減小。文獻[6]表明循環次數為3～5次晶粒細化的效果最佳，所以本實驗所選取的淬火循環次數為3～5次，試樣的熱處理參數見表2。

表2 試樣的熱處理參數

3 實驗結果及分析討論

表3為所有試樣的檢查結果，從表3中可以看出，20鋼循環淬火超細化晶粒的最佳工藝參數為：淬火加熱溫度890 ℃，保溫時間18 min，淬火次數4次。其得到的奧氏體晶粒大小將近7.0 μm，比原始組織的晶粒有明顯的細化(見圖1)，硬度為49.5 HRC。

表3 試驗結果

3.1 淬火工藝參數對奧氏體晶粒尺寸的影響

3.1.1 淬火加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸的影響

奧氏體的晶粒大小是由奧氏體化形核率和長大速度決定的。由圖2可以看出，當溫度達到890 ℃時，為奧氏體化的最佳溫度，其晶粒度級別最高。

(a)原始組織(正火)

(b)890 ℃、18min、4次淬火后組織圖1 晶粒大小(飽和苦味酸100 ml加8 ml紅玫瑰洗潔劑，400×)

圖2 淬火溫度對晶粒度的影響

3.1.2淬火加熱保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響

不同保溫時間，奧氏體晶粒大小也不一樣，晶粒的平均直徑的增加服從以下經驗公式[7]：

D=ktn

(2)

式中：D——晶粒平均直徑；

t——加熱時間；

k及n——是與材料與溫度有關的常數。

從圖3可以看出，隨著保溫時間的延長，奧氏體的晶粒度級別有減小的趨勢。保溫時間越長，奧氏體化時其晶粒就越大。在890℃，保溫18分鐘時，奧氏體的晶粒達到了最小，晶粒度級別最高。

圖3 不同保溫時間對晶粒度的影響

3.1.3 循環淬火次數對奧氏體晶粒尺寸的影響

淬火次數的增加，奧氏體平均晶粒直徑越來越小。這是因為每一次加熱淬火都要經歷奧氏體化，在快速加熱，短時保溫的工藝下，每次奧氏體化晶粒就被細化。但圖4顯示，循環次數不是越多越好，它還與淬火的溫度，保溫的時間等有關。

3.2 循環淬火后的室溫組織和性能的變化

3.2.1 冷卻速度和室溫組織的變化

當鋼加熱奧氏體化后，在隨后的連續冷卻過程中，冷卻速度決定了室溫下的組織。根據20鋼的CT圖，冷卻過程中可能出現珠光體、貝氏體和馬氏體。根據文獻[2]，20鋼在0～20 ℃的水中淬火其臨界淬透直徑為8 mm，本實驗所采用的試樣直徑為20 mm，試樣未被淬透。淬火時，試樣從表層到心部的冷卻速度是逐漸減小的，因而從表層到心部的組織也從馬氏體轉變到珠光體類組織。當鋼的化學成分一定時，熱處理工藝決定了鋼內在的組織結構和外在的力學性能。馬氏體的強度、硬度最高，塑性韌性最差，而平衡組織鐵素體加珠光體恰恰相反。淬透性差是制約20鋼及其它低碳鋼使用范圍，特別是對于大型或形狀復雜的零件的最重要因素，也是本熱處理工藝細化20鋼奧氏體晶粒后仍然制約其力學性能大幅提高最大因素。20鋼的含碳量很低，淬火可得到板條狀位錯型亞結構的馬氏體，所以具有比較好的塑性和韌性。在此前提下，為了最大限度的提高20鋼的強度和硬度，希望淬火得到低碳馬氏體，并輔以低溫回火，使20鋼在回火馬氏體的室溫下使用。提高20鋼的淬透性可以從以下幾個方面著手：(1)采用相同含碳量的合金鋼，這就要從力學性能、工藝性能和經濟性等方面綜合考慮確定；(2)采用冷卻能力更大的淬火介質，如NaOH水溶液。

圖4 淬火次數對晶粒度的影響

3.2.2 奧氏體晶粒大小和室溫下組織大小的關系

通常，奧氏體晶粒越細小，其室溫下的組織也越細小。此外，奧氏體晶粒大小還會影響鋼在冷卻時的轉變特點。以珠光體轉變為例，奧氏體越細，珠光體轉變進行得越快。這是因為珠光體的形核位置是在奧氏體的晶界或晶界處的先共析相。珠光體的長大是受C原子通過γ/α及γ/Fe3C的擴散速度控制的[2]。奧氏體晶粒越細，晶界越多，就為珠光體的形核和長大提供了有利條件。長大速度越大，珠光體的片層間距越小，其機械性能也越高。同樣，奧氏體晶粒大小也影響馬氏體束、塊或板條的尺寸大小。馬氏體轉變的切變性和變溫形成、極速長達的特性，使得原奧氏體晶界細化馬氏體束、塊或板條的效果最明顯。

4 結論

(1)本實驗采用快速循環加熱淬火細化晶粒的工藝對20鋼晶粒進行細化，實驗結果達到了預期的目的。20鋼的細化效果最好的淬火工藝是：淬火加熱溫度：890 ℃，保溫時間：18 min，循環次數：4次。經過處理后，20鋼奧氏體平均晶粒直徑細化了將近一倍。硬度提高到44～50 HRC 。

(2)高溫時奧氏體晶粒越細小，其室溫的組織也越細小。