檢測方法對20CrNiMoH鋼奧氏體晶粒度的影響

董鳳奎,黃 山,劉年富,鐘芳華

(1.寶武杰富意特殊鋼有限公司,廣東 韶關 512123; 2.桂林福達齒輪有限公司,廣西 桂林 541199)

標準GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中常用的奧氏體晶粒度檢測方法有相關法、滲碳法、模擬滲碳法、鐵素體網法、氧化法、直接淬硬法、滲碳體網法和細珠光體網法等。針對滲碳齒輪鋼而言,通常采用氧化法、直接淬硬法、滲碳法和模擬滲碳法檢測奧氏體晶粒度。部分研究人員認為不同檢測方法不會對晶粒度檢測結果造成較大影響[1-3],也有部分研究人員認為不同檢測方法會導致晶粒度檢測結果存在較大差異[4-5]。為了確認檢測方法差異對滲碳齒輪20CrNiMoH奧氏體晶粒度的影響,選用氧化法、直接淬硬法、滲碳法和模擬滲碳法檢測20CrNiMoH鋼奧氏體晶粒度。對比4種檢測方法下20CrNiMoH鋼奧氏體晶粒度情況,找出了不同檢測方法的差異。通過優化材料成分,改善了20CrNiMoH鋼奧氏體晶粒度的穩定性,避免了混晶現象的發生。

1 試驗材料及設備

試驗材料選用某廠生產φ22 mm的20CrNiMoH圓鋼,其化學成分見表1。所用試樣均取自該爐號圓鋼,試樣為厚度20 mm的圓柱。采用SXW-16-13箱式電阻爐對試樣進行熱處理;采用德國萊卡DMILM型倒置數字顯微鏡對試樣晶粒度進行觀察和檢測。

表1 20CrNiMoH鋼的化學成分(質量分數,%)

2 試驗方法

2.1 晶粒度形成和顯示方法

氧化法:將試樣的一個面磨制拋光,然后將試樣拋光面朝上置于熱處理爐中,經890 ℃保溫1 h后快速放入冷水中淬火,再重新拋光試樣并置于鹽酸水溶液中浸蝕,顯示出氧化表面上的奧氏體晶粒度,如圖1(a)所示。

(a)氧化法;(b)直接淬硬法;(c)滲碳法;(d)模擬滲碳法

直接淬硬法:試樣經890 ℃保溫1 h后快速放入冷水中淬火,然后切取試樣面,經磨制、拋光后使用晶粒度專用腐蝕劑浸蝕,顯示出奧氏體晶粒度,如圖1(b)所示。

滲碳法:將試樣放入滲碳罐中經930 ℃滲碳保溫6 h后,爐冷至600 ℃后出爐空冷到室溫,待試樣完全冷卻后切取新切面,經磨制拋光后使用硝酸酒精溶液腐蝕,顯示出過共析區是由網狀滲碳體勾勒出的奧氏體晶粒度,如圖1(c)所示。

模擬滲碳法:試樣經930 ℃保溫6 h后快速放入冷水中淬火,然后切取試樣面,經過磨制拋光后使用晶粒度專用腐蝕劑浸蝕,顯示出奧氏體晶粒度,如圖1(d)所示。

2.2 晶粒度顯示結果對比

按照標準GB/T 6394中的截點法測定不同檢測方法得到的奧氏體晶粒度情況,結果如表2所示。

表2 奧氏體晶粒度檢測結果

由表2檢測結果可知:氧化法和直接淬硬法的晶粒度檢測結果相差0.1級;滲碳法較氧化法和直接淬硬法晶粒度檢測結果低0.2～0.3級;模擬滲碳法檢測時出現局部混晶現象。

3 分析與討論

影響奧氏體晶粒長大的因素主要有加熱溫度、保溫時間、加熱速度、碳含量、合金含量、冶煉方法及原始組織[6-9]。加熱溫度越高,保溫時間越長,越有助于原子的擴散,利于晶界遷移,所以相應的奧氏體晶粒越粗大。加熱速度越快,過熱度就越大,奧氏體實際形成溫度就越高,由于隨著形成溫度升高,奧氏體形核率與長大速度之比也增大,所以快速加熱可以獲得細小的奧氏體起始晶粒。但是需要注意,由于起始晶粒細小,而加熱溫度又較高,奧氏體晶粒很容易長大。因此,不宜長時間保溫,否則導致晶粒更加粗大。在鋼中碳含量不足以形成過剩碳化物的情況下,隨著碳含量的增加,碳原子在奧氏體中的擴散速度增大,奧氏體晶粒長大的傾向增大。然而當碳含量高到形成未溶解的二次滲碳體時,隨著碳含量的持續增加,二次滲碳體數量增加,阻止奧氏體晶粒繼續長大,奧氏體晶粒度反而細化。鋼中加入適量可形成難溶化合物的合金元素如Nb、Ti、V和Al等,可在鋼中形成熔點高、穩定性強、不宜聚集長大的納米級碳化物或碳氮化物等第二相粒子,彌散分布于奧氏體基體中,阻礙晶界遷移,起釘扎晶界的作用,從而阻止晶粒的長大,使鋼材保持細小的奧氏體晶粒。但是當鋼中第二相粒子尺寸達到微米級以上或溶解消失時,對晶界的釘扎作用減弱,從而使奧氏體晶粒容易長大。另外,當沉淀析出的第二相粒子分布并不均勻時,晶粒長大的阻力也不均勻,使得在局部區域晶界推移阻力很小,晶粒異常長大,往往可能出現晶粒大小極不均勻的混晶現象。原始組織主要影響奧氏體起始晶粒度,一般來說,原始組織越細小,相界面也就越多,有利于奧氏體形核產生,所得到的奧氏體起始晶粒就越細小。

試驗材料20CrNiMoH鋼中含有0.030% Al和0.0048% N,主要依靠鋼中Al和N元素形成第二相粒子AlN來阻礙奧氏體晶粒長大。氧化法和直接淬硬法均是在890 ℃保溫1 h后快冷檢測奧氏體晶粒度,兩種方法加熱溫度和保溫時間一致且均較低,因此奧氏體晶粒度檢測結果基本一致且相對細小。模擬滲碳法在930 ℃保溫6 h,由于加熱溫度較高和保溫時間延長,部分區域AlN第二相粒子在高溫下溶解較多,導致AlN 分布較多的位置釘扎晶界作用明顯,奧氏體晶粒保持細小狀態,而AlN分布較少的位置則不能有效釘扎晶界導致奧氏體晶粒異常長大[10-11]。滲碳法雖然也是在930 ℃保溫6 h,但是其檢測的是滲碳層處的奧氏體晶粒度,滲碳層由于碳含量較高,阻礙了奧氏體晶粒的長大,奧氏體晶粒保持細小狀態;但是滲碳后緩冷析出先共析碳化物網時,由于碳含量不足或冷速較快等因素導致部分晶界處先共析碳化物網的析出不連續,從而導致檢測結果稍低。

4 改進措施

由于20CrNiMoH鋼沒有規定具體使用哪種方法檢測奧氏體晶粒度,存在使用模擬滲碳法檢測奧氏體晶粒度出現混晶,致使材料奧氏體晶粒度檢測不合格的風險,因此有必要改善材料模擬滲碳法檢測情況下的奧氏體晶粒度穩定性。使用模擬滲碳法檢測奧氏體晶粒度出現混晶主要是部分區域AlN不足以釘扎晶界的原因,為了形成足夠多的AlN釘扎晶界,在煉鋼RH工序中通過喂入適當數量的氮化鉻絲線,提升鋼中的含氮量,使氮含量穩定控制在80～140 ppm。改善后,使用模擬滲碳法對20CrNiMoH奧氏體晶粒度進行檢測,未見混晶現象,如圖2所示。

圖2 改進后20CrNiMoH鋼的奧氏體晶粒度Fig.2 Austenite grain size of 20CrNiMoH steel after improvement

5 結論

1)不同檢測方法下20CrNiMoH鋼的奧氏體晶粒度結果存在差異。

2)模擬滲碳法由于加熱溫度較高且保溫時間較長容易出現混晶現象。

3)通過提高20CrNiMoH中的氮含量,形成足夠多的AlN釘扎晶界,使用模擬滲碳法檢測奧氏體晶粒度未出現混晶現象。