鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長大及力學性能的影響

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(1. 江麓機電集團有限公司， 湖南 湘潭 411100； 2. 湘潭大學 材料科學與工程學院， 湖南 湘潭 411105)

20Cr2Ni4A鋼是一種具有較高強度的合金鋼，因其具有較好的綜合力學性能，可作為高載荷、耐沖擊齒輪鋼應用于各種大型齒輪傳動件[1]。而在現(xiàn)有的鍛造及熱處理加熱過程中，20Cr2Ni4A鋼奧氏體易于粗化且因為組織遺傳等原因，造成鋼件晶粒等級難以達到國外的水平(至少7級)[2]。合適的鍛造加熱溫度可以保證鍛造后的鋼件具有細小且均勻的晶粒。在以往關于20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長大規(guī)律的研究中，主要考慮保溫溫度及保溫時間對晶粒度的影響，結果表明：保溫階段晶粒長大以擴散機制為主，不同階段原子擴散方式不同，對應的經驗模型常見的有Beck模型[3-4]、Hillert模型[5]及Sellars 模型[6]。鍛造20Cr2Ni4A鋼件時，保溫結束后進行鐓粗拉拔，鋼件經變形后奧氏體晶粒度會發(fā)生明顯變化，截止目前，其變化規(guī)律尚不清楚。因此在變形量相同的條件下，研究鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒的影響，探究鍛造后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒的長大規(guī)律具有重要意義。

本文系統(tǒng)地觀測了相同變形條件下不同鍛造加熱溫度、不同保溫時間對應的20Cr2Ni4A 鋼鍛后奧氏體晶粒大小，在此基礎上優(yōu)選出最優(yōu)鍛造加熱溫度，并研究了不同鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A 鋼力學性能的影響，為20Cr2Ni4A 鋼制造大型齒輪制定合理的鍛造工藝提供了一定研究基礎。

1 試驗材料及方法

試驗所用20Cr2Ni4A鋼的原始成分檢測結果如表1 所示，結果表明，試驗所用材料滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對20Cr2Ni4A鋼化學成分的要求，本質晶粒度為6級，如圖1所示。鍛造參數(shù)見表2，合金經不同加熱工藝鍛造后，進行相同的淬火處理。淬火工藝為900 ℃×60 min油冷，淬火油為MT355油，淬火前油溫恒定為(60±2) ℃。淬火后的金相試樣尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，采用飽和苦味酸腐蝕晶界，利用OLYMPUS-GX71光學顯微鏡進行晶粒形貌觀察，并依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》采用截點法對試樣晶粒度進行評級。對不同狀態(tài)樣品的平均晶粒尺寸統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)，采用人工測量晶粒尺寸的方法誤差較大。因此，在晶粒度評級后參照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，根據(jù)晶粒度級數(shù)與晶粒尺寸的關系表間接得到平均晶粒尺寸大小；參照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，用華銀洛氏硬度計測定洛氏硬度；參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工拉伸試樣，在萬能拉伸試驗機上測定不同鍛造加熱溫度下試樣的拉伸性能。

表1 20Cr2Ni4A鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)

圖1 20Cr2Ni4A鋼原材料晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of the 20Cr2Ni4A steel raw material

表2 鍛造工藝參數(shù)

2 鍛造加熱溫度及保溫時間對奧氏體晶粒尺寸的影響

20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度和保溫時間下鍛造后的奧氏體平均晶粒尺寸如表3 所示。根據(jù)圖2可知，在保溫時間相同，鍛造加熱溫度不同的條件下，鍛造后的奧氏體晶粒尺寸隨鍛造加熱溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律長大。顧亞桃等[2]在研究滲碳溫度對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長大規(guī)律的影響時發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高和時間延長，晶粒呈長大趨勢。當鍛造溫度低于1150 ℃時，鍛造后的晶粒尺寸增長趨勢較為緩慢，當溫度超過1150 ℃時，鍛造后的晶粒尺寸增長較快。然而根據(jù)圖3中晶粒尺寸與保溫時間的關系可知，并沒有出現(xiàn)晶粒尺寸陡增的現(xiàn)象。不同鍛造加熱溫度對應的晶粒形貌如圖4所示，很明顯1200 ℃下的晶粒粗化程度更大。其原因歸結為：當鍛造溫度低于1150 ℃時，20Cr2Ni4A鋼中的第二相粒子能夠有效抑制奧氏體晶界的遷移從而阻礙晶粒長大，此時，第二相粒子對于溫度的變化不敏感；當溫度達到1200 ℃時，第二相粒子因溫度過高而溶解于基體，奧氏體晶界遷移阻力減小，晶粒迅速增大。相同鍛造加熱溫度、不同保溫時間下，鍛后20Cr2Ni4A鋼的晶粒形貌如圖5所示，隨著保溫時間延長，晶粒逐漸粗化。由此可以推斷出，鍛造加熱溫度(1050～1200 ℃)和鍛造保溫時間(40～120 min)均影響20Cr2Ni4A鋼的晶粒度，但鍛造加熱溫度對晶粒度的影響要大于保溫時間。為了保證鍛造后鋼件能夠獲得足夠細小的晶粒，在20Cr2Ni4A鋼熱鍛加工時必須確定合適的鍛造加熱溫度及保溫時間。

表3 20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度和保溫時間下的平均奧氏體晶粒尺寸(μm)和等級

圖2 鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.2 Effect of forging temperature on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

圖3 保溫時間對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.3 Effect of holding time on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

3 鍛后奧氏體晶粒長大動力學模型

通常情況下奧氏體的晶粒粗化過程受原子擴散、晶界遷移等多種因素的影響。其中以奧氏體晶界遷移為主，而奧氏體化過程中溫度又是主要影響因素之一，溫度升高促進原子擴散，從而提高晶界遷移速率，促使奧氏體晶粒粗化[7]。因此，鍛造加熱溫度和保溫時間是影響奧氏體晶粒長大的關鍵因素。其次，鍛造變形量也是影響奧氏體晶粒長大的關鍵因素之一。不同于傳統(tǒng)只考慮溫度、時間對奧氏體晶粒長大的影響，鍛造過程中發(fā)生的變形對奧氏體晶粒的長大也是一個不可避免的因素。董芳[8]研究發(fā)現(xiàn)，鋼件鍛造時部分區(qū)域變形量大，會出現(xiàn)區(qū)域性的應力集中，使得第二相粒子的析出不均勻，從而對晶粒度產生影響。另外，大變形產生的織構會導致各晶粒的受力不均勻，也會使第二相粒子不均勻析出，從而影響晶粒長大。嘗試通過Beck方程描述鍛后奧氏體晶粒尺寸與保溫時間、鍛造加熱溫度間的關系，了解鍛后奧氏體晶粒長大規(guī)律，如式(1)所示：

圖4 鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒形貌的影響(保溫40 min)Fig.4 Effect of forging temperature on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (held for 40 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

圖5 保溫時間對20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒形貌的影響(1150 ℃鍛造加熱)Fig.5 Effect of holding time on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (forged at 1150 ℃)(a) 40 min; (b) 60 min; (c) 80 min; (d) 120 min

(1)

式中：D為平均尺寸，μm；K為生長速率；t為時間，s；n為晶粒生長指數(shù)。對式(1)兩邊取對數(shù)得到式(2)：

lnD=lnK+nlnt

(2)

根據(jù)表3試驗數(shù)據(jù)，利用式(2)經過線性回歸處理得到lnD-lnt關系見圖6。

圖6 20Cr2Ni4A鋼Beck方程lnD與lnt的關系曲線Fig.6 Relationship curves of lnD-lnt of Beck equation of the 20Cr2Ni4A steel

由圖6可知，20Cr2Ni4A鋼在變形量相同的條件下，不同鍛造加熱溫度鍛造后的奧氏體晶粒長大規(guī)律仍然與Beck方程吻合，圖6中各直線的斜率對應晶粒生長指數(shù)，如表4所示。

表4 Beck模型分析結果

對式(2)變形后可得式(3)[9-11]：

(3)

式中：Q為激活能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K；K為晶粒生長速率；K0為常數(shù)。

將表4分析結果代入式(3)得到lnK-1000/T關系曲線，如圖7所示。值得注意的是，在溫度達到1200 ℃時，晶粒度生長指數(shù)n及l(fā)nK值與其它溫度下的值相比波動較大，在圖7中呈離散分布，而其他3個點呈線性分布，這不同于傳統(tǒng)加熱溫度、時間對奧氏體晶粒度的影響。因為在鍛造加熱過程中還必須考慮到，鍛造合金鋼奧氏體晶粒度可能還和晶粒長大機制、溶質原子數(shù)量與尺寸、第二相粒子釘扎、鍛造變形程度及溫度梯度等相關。合金鋼鍛造時通常選擇高溫始鍛，此時可鍛性也許最好，但這個溫度建立在奧氏體急劇長大之前[12]。在這里對上述結果出現(xiàn)離散點給出一種可能的解釋，即鍛造加熱溫度超過1150 ℃時，第二相粒子開始大規(guī)模溶解并造成奧氏體晶粒的普遍急速長大。因此在對上述曲線擬合時，只選擇1150 ℃及以下溫度的點，而超過1150 ℃可能不符合Beck模型描述的晶粒長大的規(guī)律。1150 ℃及以下的不同鍛造加熱溫度下鍛后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長大激活能為9345.77 J/mol，K0=14.97；根據(jù)計算數(shù)據(jù)可以確立鍛后20Cr2Ni4A鋼在鍛造加熱溫度處于1050～1150 ℃之間的奧氏體晶粒長大Beck方程為：

(4)

根據(jù)式(4)對比20Cr2Ni4A鋼在1050、1100、1150 ℃鍛造加熱溫度下保溫不同時間后平均奧氏體晶粒尺寸的計算值和實測值后發(fā)現(xiàn)，二者吻合度較好，偏差較小，而1200 ℃鍛造加熱溫度下平均奧氏體晶粒尺寸實測值與計算值偏差較大，如圖8所示。

圖7 20Cr2Ni4A鋼lnK與1000/T的關系曲線Fig.7 lnK-1000/T curve of the 20Cr2Ni4A steel

圖8 20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度下保溫不同時間后平均奧氏體晶粒尺寸的計算值與實測值Fig.8 Effect of forging temperature and holding time on calculated and measured values of average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

由此可以得知，在相同變形量的條件下，鍛后20Cr2Ni4A鋼晶粒度與鍛造加熱溫度(低于1150 ℃)及保溫時間的關系仍能通過Beck模型來描述。根據(jù)試驗結果分析可知，當鍛造加熱溫度在1150 ℃以下時，鍛后晶粒較為均勻，且1050、1100及1150 ℃鍛后晶粒度等級差距較小，而當鍛造加熱溫度超過1150 ℃時，晶粒粗化加快明顯。不同于常規(guī)溫度及保溫時間對晶粒度的影響，當鍛造加熱溫度高于1150 ℃，影響鍛造20Cr2Ni4A鋼晶粒度的因素還應考慮第二相粒子的大量溶解及鋼件的變形。由圖2、圖3結果可知，當鍛造加熱溫度處于1150～1200 ℃時，晶粒度等級出現(xiàn)較大波動。另外考慮到鍛造時的可鍛性問題，當溫度過低時鍛造不充分可能出現(xiàn)部分晶粒未破碎，造成鍛造晶粒尺寸不均勻，如圖4所示。因此在制定熱鍛工藝時，相同變形條件下，盡量將鍛造加熱溫度控制在1150 ℃附近。

相較于鍛造加熱溫度，保溫時間對晶粒度的影響要稍小，圖3給出的奧氏體晶粒尺寸隨保溫時間的變化顯示并沒有出現(xiàn)較大波動。根據(jù)圖5晶粒形貌可知，保溫60 min后鍛后20Cr2Ni4A鋼的晶粒尺寸更均勻。因此，在制定鍛造工藝時鍛造加熱溫度應盡量保持在1150 ℃左右，保溫時間控制在60 min左右。在保持可鍛性的條件下?lián)碛休^小的晶粒尺寸，可以得到優(yōu)良的力學性能。

4 鍛后20Cr2Ni4A鋼的力學性能

將20Cr2Ni4A鋼分別在1050、1100、1150及1200 ℃鍛造加熱溫度下保溫60 min后采用一鐓一拔的工序進行鍛造，盡量使其變形量相同。對鍛造后的試樣進行熱處理并測試其力學性能。

圖10 不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼的拉伸斷口形貌(保溫60 min)Fig.10 Effect of forging temperature on tensile fracture morphologies of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

4.1 鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼硬度的影響

圖9為20Cr2Ni4A鋼不同加熱溫度鍛造淬火后的硬度對比，由圖9可知，不同鍛造加熱溫度下20Cr2Ni4A鋼淬火后的硬度分別為43.5、42.5、42、37 HRC。其中1200 ℃對應的硬度值最小，而低于1200 ℃硬度變化則相差不大，這與Beck方程描述的結果相一致。這說明鍛造加熱溫度對鍛后20Cr2Ni4A鋼晶粒度的影響使其硬度發(fā)生了變化，在制定鍛造工藝時，鍛造加熱溫度應該盡量小于1200 ℃。

圖9 鍛造加熱溫度對鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼硬度的影響(保溫60 min)Fig.9 Effect of forging temperature on hardness of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)

4.2 鍛造加熱溫度對20Cr2Ni4A鋼拉伸性能的影響

圖10為20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)試樣的斷口形貌。由拉伸試驗結果(見表5)可以發(fā)現(xiàn)，當鍛造加熱溫度低于1150 ℃時，試樣的斷面收縮率變化不明顯，韌窩大小相近，但在1050、1100 ℃鍛造加熱溫度下，部分區(qū)域有大韌窩出現(xiàn)，這可能是由于較低鍛造加熱溫度下鍛造不均勻造成的。當鍛造加熱溫度達到1200 ℃時，斷面收縮率有明顯的升高，韌窩尺寸明顯變大，這可能是因為鍛造加熱溫度升高至1200 ℃，晶粒迅速粗化引起的。考慮到可鍛性問題，綜合對比各項數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鍛造加熱溫度為1150 ℃時鍛造性能更好。

表5 不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼的拉伸性能(保溫60 min)

5 結論

1) 鍛造保溫時間為40～120 min時，鍛后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒尺寸及長大速率隨鍛造加熱溫度升高而增大，但在1150 ℃出現(xiàn)拐點，溫度高于1150 ℃時，第二相粒子的溶解導致對晶界的釘扎作用減弱，造成晶粒尺寸迅速增大。

3) 綜合考慮20Cr2Ni4A鋼鍛后奧氏體晶粒尺寸均勻性、熱處理后力學性能測試結果及可鍛性因素，確定了最優(yōu)鍛造加熱溫度為1150 ℃。