熱處理工藝對20SiMn鋼晶粒細(xì)化作用的機(jī)理研究

孫海明

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究，哈爾濱 150030)

熱處理工藝對20SiMn鋼晶粒細(xì)化作用的機(jī)理研究

孫海明

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究，哈爾濱 150030)

為了研究熱處理工藝對20SiMn鋼晶粒細(xì)化過程中的作用，選取了9個試樣進(jìn)行不同工藝的熱處理和化學(xué)試劑熱浸蝕試驗，分析了熱處理試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，熱處理過程中NbC的析出可以起到釘扎位錯的作用，不但使組織得到強(qiáng)化，而且使原奧氏體晶粒得到了一定的細(xì)化，避免了混晶現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過熱浸蝕試驗可以較好地顯示出原奧氏體晶界，觀察原奧氏體晶粒細(xì)化程度。

化學(xué)熱浸蝕；原奧氏體晶界；仿晶界型鐵素體

鋼通過加入各種合金元素使原始組織晶粒得到細(xì)化，即形成細(xì)化強(qiáng)化，從而增加晶界面積缺陷，提高鋼在使用狀態(tài)下的強(qiáng)韌性能[1]。一般情況下，鋼中加入各種合金元素的作用是很復(fù)雜的，對于珠光體鋼而言，鋼的靜強(qiáng)度取決于鋼中的珠光體總量及其層片間距，而鋼的塑性則隨著鐵素體量的增加而增加，即共析轉(zhuǎn)變形成的鐵素體增加了鋼中的鐵素體總量，使鋼的塑性得到了明顯提高，通過控扎控冷、微合金化工藝以獲得較小的奧氏體晶粒尺寸[2]。因此，本文通過不同的熱處理方法來觀察相變過程中NbC的析出對原始組織細(xì)化的影響，研究20SiMn鋼在熱處理過程中Nb元素的作用，用化學(xué)熱浸蝕方法顯示鋼的原奧氏體晶界，提高了原奧氏體晶界的顯示效果，達(dá)到了組織細(xì)化的目的。

1 熱處理試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本文試驗采用的是20SiMn鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical constitution of test steel

1.2 試驗方法

此次試驗一共有9個試樣，試樣編號從1號到9號，對9個試樣第一次熱處理工藝為1200 ℃固溶淬火、700 ℃回火，保溫時間依次為0.5、5、15、30、45、60、90、120、180 min。

第一次熱處理后進(jìn)行了顯微組織觀察和原奧氏體晶界熱浸蝕實驗，發(fā)現(xiàn)1號和2號這兩個試樣的原奧氏體晶界可以較好地顯示出來。若700 ℃回火不超過5min可以用化學(xué)熱浸蝕方法來顯示原奧氏體晶界，則進(jìn)行第二次熱處理，對于全部試樣熱處理工藝均為880 ℃奧氏體化30min，700 ℃回火保溫2～3 min、回火后油淬處理。

第三次熱處理得到仿晶界型鐵素體，全部試樣熱處理工藝均為880 ℃奧氏體化1h，600 ℃保溫1h、淬火處理。

2 熱處理試驗結(jié)果分析

2.1 高溫回火組織觀察

本文試驗用鋼經(jīng)過高溫過熱，再經(jīng)過高溫回火(9個試樣的回火保溫時間不同)后進(jìn)行洛氏硬度值標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 金屬試樣洛氏硬度值Table 2 Rockwell hardness values of metal samples

下面進(jìn)行金相制樣，制樣完成后用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察，顯微組織放大400倍，觀察結(jié)果如圖1所示。

用4%硝酸酒精浸蝕的顯微組織，可以清楚地看到板條狀馬氏體組織(位相關(guān)系很明顯)和層片狀較細(xì)的回火索氏體組織。隨著回火保溫時間的延長，金屬試樣的硬度值逐漸降低，說明馬氏體量有一定的減少，同時回火索氏體量有一定的增加。隨著回火保溫時間的延長，在原奧氏體晶界處、馬氏體基體內(nèi)都會有碳化物的析出，但析出量并不是很多，這種碳化物很可能就是NbC顆?；蛘逳bC和其它碳化物復(fù)合[3]。

2.2 原奧氏體晶界化學(xué)熱浸蝕觀察

為了更加直觀地觀察原奧氏體晶粒的大小和數(shù)量級，試驗過程中采用了化學(xué)熱浸蝕的方法，化學(xué)試劑配方：10mL飽和苦味酸+10mL飽和十二烷基苯磺酸鈉，浸蝕時間為50s，溫度為50～55℃，具體的浸蝕結(jié)果如圖2所示。

在試樣浸蝕過程中，1號和9號試樣的浸蝕效果達(dá)不到拍照的要求， 沒有得到這兩個試樣的顯微

圖1 顯微組織放大400倍Fig.1 Microstructures with enlargement of 400 times

照片， 在兩個試樣的邊界區(qū)域可以模糊地看到原奧氏體晶界。對比觀察，1號與2號試樣浸蝕結(jié)果相同，9號與8號試樣浸蝕結(jié)果相同，都表現(xiàn)出一定的混晶現(xiàn)象，但不是很嚴(yán)重，晶粒大小在幾十個微米到幾百個微米不等。第一次試驗已經(jīng)將1號和2號試樣的原奧氏體晶界較明顯地浸蝕出來，具體浸蝕結(jié)果如圖3所示。

通過圖2對比觀察，發(fā)現(xiàn)3號和7號試樣的原奧氏體晶粒比較均勻，沒有明顯的混晶現(xiàn)象存在，但7號試樣的晶粒更小，可以得到一個初步的結(jié)論：在實驗結(jié)果可以重復(fù)的條件下，7號試樣的原奧氏體晶粒得到了細(xì)化， 并且晶粒的均勻化程度得到

圖2 金屬試樣原奧氏體晶界顯示Fig.2 Original austenite grain boundaries manifestation of metal samples

圖3 金屬試樣原奧氏體晶界顯示Fig.3 Original austenite grain boundaries manifestation of metal samples

了很大的改善。

1)NbC在700 ℃回火保溫15 min存在一定的析出量，但析出量很少，即使析出量很多也會出現(xiàn)碳化物偏聚的現(xiàn)象，不能起到有效釘扎位錯的作用，導(dǎo)致原始組織晶粒大小不能得到有效控制，出現(xiàn)晶粒過度長大、混晶現(xiàn)象[4]。

2)當(dāng)試樣的回火保溫時間延長到90 min時，雖然試樣的浸蝕效果不是很明顯，但可以判斷出原奧氏體晶粒較均勻且較小，沒有明顯的混晶現(xiàn)象存在，說明Nb的碳化物出現(xiàn)了一定量的析出且較好地形成了彌散分布，初步形成對相變過程中位錯的釘扎作用，從而達(dá)到一定的晶粒細(xì)化作用。NbC析出量和彌散程度的限制，晶粒明顯地長大，最大的達(dá)到了100～200 μm。

3)試樣的回火保溫時間小于15 min時，NbC沒有足夠的時間析出而表現(xiàn)出粗大晶粒和較明顯的混晶現(xiàn)象，如圖3所示；保溫時間在15～90 min時，由于NbC的析出量很少，且存在偏聚現(xiàn)象，如圖2 (c)、(d)、(e)所示，因此達(dá)不到釘扎位錯的作用，形成原奧氏體晶粒粗大，同時也出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；保溫時間大于90 min后，由于保溫時間過長，Nb的碳化物有足夠的時間遷移和元素擴(kuò)散，如圖2(g)所示，因此也會出現(xiàn)元素和碳化物的偏聚，同時存在碳化物一定的回溶現(xiàn)象，達(dá)不到有效釘扎位錯、細(xì)化晶粒的目的，導(dǎo)致原始晶粒過度長大，存在較明顯的混晶現(xiàn)象[5]。

2.3 仿晶界型鐵素體顯微組織觀察

實踐證明，本文試驗用鋼通過一次等溫處理可以得到仿晶界型鐵素體，熱處理完再經(jīng)過金相制樣，最后使用4%硝酸酒精進(jìn)行浸蝕觀察顯微組織[6]，得到的結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以明顯地看出，1號、8號和9號試樣有顯著的仿晶界型鐵素體特征，其他6個試樣表現(xiàn)的并不是很明顯，只是局部區(qū)域中兩個或幾個晶粒的邊界上存在鐵素體組織，是因為這幾個試樣存在較嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，等溫處理過程中管式爐爐膛內(nèi)不同位置溫度之間的差別及熱處理操作過程中先后順序問題，導(dǎo)致這6個試樣的實驗結(jié)果不理想，所以得不到構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)所需的鐵素體轉(zhuǎn)變量和網(wǎng)絡(luò)特征。對試樣采用等溫處理，能夠控制相變過程中鐵素體的轉(zhuǎn)變量，使鐵素體沿原奧氏體晶界轉(zhuǎn)變并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀[7]。在實驗的過程中，如果鐵素體轉(zhuǎn)變過多，雖然大部分也在原奧氏體晶界處形核并發(fā)生轉(zhuǎn)變，但是得到的并不是網(wǎng)絡(luò)狀的鐵素體，而是塊狀。反之，如果鐵素體的轉(zhuǎn)變量很少，也連接不成網(wǎng)絡(luò)，很難表征原奧氏體晶粒的大小[8]。

另外，用仿晶界型鐵素體表征原奧氏體晶粒大小和用化學(xué)熱浸蝕表征原奧氏體晶粒大小進(jìn)行對比觀察，前者表征的晶粒度略小于后者，這是因為在高溫回火NbC析出后又采用了等溫處理，使NbC的析出釘扎晶界的作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化，有效地阻礙了晶粒的過分長大。此次試驗達(dá)到了組織細(xì)化目的，若要進(jìn)一步實現(xiàn)晶粒細(xì)化效果，可以嘗試循環(huán)等溫處理，即2次或3次或更多次等溫處理，處理完后再重新奧氏體化，分級淬火，在高溫段避免形成鐵素體，在中低溫段形成較多的貝氏體和少量的馬氏體組織，使鋼的綜合力學(xué)性能得到大幅度的提高[9]。

3 結(jié) 論

1)20SiMn鋼過熱后700 ℃回火保溫90 min時，一定量NbC的析出起到了較好的釘扎位錯作用，達(dá)到了一定的彌散強(qiáng)化效果，使原奧氏體晶粒較細(xì)小且均勻，不存在明顯的混晶現(xiàn)象。

2)在原奧氏體晶界熱浸蝕過程中，采用10 mL飽和苦味酸+10 mL飽和十二烷基苯磺酸鈉試劑，熱浸蝕溫度在50～55 ℃，時間為50 s，可以顯示出原奧氏體晶界，達(dá)到表征的目的。

3)對20SiMn鋼采用一次等溫處理，可以得到仿晶界型鐵素體，同時組織得到一定的細(xì)化。

[1] 戴起勛. 金屬材料學(xué)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006. DAI Qixun. Metal materials science[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006.

[2] 徐洲，趙連城. 金屬固態(tài)相變原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004. XU Zhou, ZHAO Liancheng. Metal solid phase transformation principle[M]. Beijing: Science Press, 2004.

[3] 方鴻生，徐平光，白秉哲，等. 一種新的復(fù)相組織-仿晶界型鐵素體/粒狀貝氏體[J]. 金屬熱處理，2000,22(11)：1-5. FANG Hongsheng, XU Pingguang, BAI Bingzhe, et al. A new multiphase tissue-imitation boundary Ferrite/granular Bainite[J]. Heat treatment of metal , 2000,22(11): 1-5.

[4] 劉東雨，徐鴻，方鴻生，等. 我國低碳貝氏體鋼的發(fā)展[J]. 熱處理，2005，20(2)：12-19. LIU Dongyu, XU Hong, FANG Hongsheng, et al. The development of low carbon Bainitic steel in China[J]. Heat Treatment, 2005, 20(2): 12-19.

[5] 王建平，楊志剛，白秉哲，等. 奧氏體形變對仿晶界型鐵素體/粒狀貝氏體復(fù)相鋼組織和強(qiáng)韌性能的影響[J]. 金屬學(xué)報，2004，40(3)：263-269. WANG Jianping, YANG Zhigang, BAI Bingzhe, et al. Effect of austenite deformation on imitation boundary Ferrite/granular Bainite multiphase steel in imitation boundary[J]. Journal of Metals, 2004, 40(3): 263-269.

[6] 楊福寶，徐平光，王建平，等. 具有仿晶界型鐵素體/粒狀貝氏體復(fù)相組織的大截面鋼筋[J]. 鋼鐵研究學(xué)報，2005，17(4)：68-71. YANG Fubao, XU pingguang, WANG Jianping, et al. Large cross-imitation boundary ferrite /granular Bainite multiphase structure[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2005, 17(4): 68-71.

[7] 黃海冰，白秉哲，馮勇，等. 鈮、鈦微合金化仿晶界型鐵素體/粒狀貝氏體復(fù)相鋼的形變誘導(dǎo)鐵素體相變的研究[J]. 金屬熱處理，2006，31(S1)：124-129. HUANG Haibing, BAI Bingzhe, FENG Yong, et al. Study on deformation induced Ferrite phase change under niobium, titanium microalloying imitation boundary Ferrite/granular Bainite Multiphase Steel Transformation[J]. Metal Heat Treatment, 2006, 31(S1): 124-129.

[8] 李龍，丁樺，溫景林，等. 鐵素體和貝氏體復(fù)相組織低碳鋼的力學(xué)特性[J]. 材料研究學(xué)報，2007，21(5)：517-521. LI Long, DING Ye, WEN Jinglin, et al. Mechanical properties of Ferrite and Bainite multiphase microstructure steel[J]. Journal of Materials Research, 2007, 21(5): 517-521.

[9] 方鴻生，馮春，鄭燕康，等. 新型Mn系空冷貝氏體鋼的創(chuàng)制與發(fā)展[J]. 熱處理，2008，23(3)：1-18. FANG Hongsheng, FENG Chun, ZHENG Yankang, et al. Creation and development of new Mn series Bainitic steel[J]. Heat Treatment, 2008, 23(3): 1-18.

(編輯 侯世春)

Study on the mechanism of heat treatment process effect on 20SiMn steel grain refinement

SUN Haiming

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

In order to study the effect of heat treatment process on the grain refinement of 20SiMn steel, 9 samples are selected for different types of heat treatment processes and thermal etching test on chemical reagent and test results for heat treatment are analyzed. The results show that the precipitation of NbC during the heat treatment can play a role in pinning dislocation As a result, not only the structure is strengthened, but also the original austenite grain is refined. Also, the precipitation avoids the emergence of mixed crystal phenomenon. The thermal etching test can be a good show of the original austenite grain boundary, so as to observe the original austenite grain refinement .

chemical thermal etching; original austenite grain boundary; grain boundary allotriomorphic ferrite

2017-03-26。

孫海明(1984—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事電網(wǎng)材料技術(shù)監(jiān)督與檢測工作。

TG115.21+3

A

2095-6843(2017)03-0279-04