釩對(duì)高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼組織和淬透性的影響

劉年富，胡 濤，田錢仁，王高峰，付建勛*

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，先進(jìn)凝固技術(shù)中心，省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444；2.寶武杰富意特殊鋼有限公司,廣東 韶關(guān) 512123）

0 引言

高溫滲碳技術(shù)能顯著提升滲碳效率、降低生產(chǎn)成本并廣泛應(yīng)用于齒輪鋼表面硬度強(qiáng)化[1?2]。國外在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開始了該技術(shù)的研究，而近年來國內(nèi)的特鋼生產(chǎn)企業(yè)也開展了相關(guān)鋼種的高溫滲碳技術(shù)研究。一般滲碳溫度每提高50 ℃，滲碳效率可提高近1 倍。研究表明[3]，將常規(guī)的滲碳溫度由920～930 ℃提高至950 ℃，滲碳周期可降低約30%；當(dāng)滲碳溫度提高至1 000 ℃時(shí)，該周期可降低約50%。

由于常用的齒輪鋼滲碳溫度達(dá)到950 ℃后會(huì)出現(xiàn)少量粗大的奧氏體晶粒，導(dǎo)致齒輪變形，極大地降低了齒輪疲勞性能[4]。而滲碳溫度在1 000 ℃時(shí)，鋼中會(huì)出現(xiàn)大量粗大奧氏體晶粒，導(dǎo)致齒輪零件報(bào)廢。為了使齒輪在高溫滲碳后奧氏體晶粒不出現(xiàn)異常粗大，可主要通過添加少量的Al、Ti、V、Nb、B等微合金[2,5?7]，形成 AlN、TiN、VN、Nb(C,N)、BN等夾雜物并釘扎晶界，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

盡管國內(nèi)開展了SCM420H 齒輪鋼相關(guān)的研制工作[8?9]，但是其討論的重點(diǎn)在于對(duì)冶煉工藝和組織調(diào)控的總結(jié)，對(duì)SCM420H 齒輪鋼高溫滲碳效果與微合金化的大生產(chǎn)應(yīng)用效果卻鮮有研究報(bào)道。因此，筆者采用釩微合金化細(xì)晶方法對(duì)高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼中的奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行了控制，通過調(diào)控特征成分含量范圍、連鑄工藝參數(shù)、加熱工藝參數(shù)，將高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼奧氏體晶粒尺寸控制在不低于6 級(jí)，碳偏析偏差值約為0.01%，淬透性帶寬（J10 mm）硬度值（HRC）在34～38 范圍內(nèi)。

1 生產(chǎn)工藝與檢測(cè)

1.1 生產(chǎn)工藝流程

釩微合金化SCM420H 齒輪鋼生產(chǎn)工藝流程采用長(zhǎng)流程工藝：高爐鐵水→130 t 轉(zhuǎn)爐→130 t LF 精煉→130 t RH 精煉→280 mm×280 mm 連鑄→步進(jìn)式加熱爐→連軋機(jī)軋制→自然冷卻→精整。SCM420H 齒輪鋼軋制的成品規(guī)格為直徑65 mm 的圓棒。

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

1.2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

根據(jù)SCM420H 齒輪鋼成分及釩微合金化細(xì)晶思路確定了鋼種的具體成分內(nèi)控范圍，在同一澆次的2 爐280 mm 方坯中分別取1 批連鑄坯進(jìn)行編號(hào)，分別為批號(hào)1 和批號(hào)2，取軋制后的兩個(gè)批號(hào)的圓鋼進(jìn)行化學(xué)成分取樣分析，采用QSN 750 直讀光譜儀、O-N-H 836 型氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀和C-S 844 型碳硫測(cè)定儀進(jìn)行成分檢測(cè)分析，相關(guān)成分范圍如表1 所示。其中，在成分內(nèi)控范圍內(nèi)，為滿足含釩第二相粒子的有效析出，采用熱力學(xué)分析確定了鋼中釩含量和氮含量范圍。為分析圓鋼中碳偏析情況，根據(jù)圖1 所示取點(diǎn)方式，在距邊部5 mm 左右均勻鉆點(diǎn)，取鋼屑分析碳含量及其偏析程度。

圖1 碳偏析取樣示意Fig.1 Sampling points for carbon segregation determination

表1 SCM420H 齒輪鋼化學(xué)成分要求及設(shè)計(jì)范圍Table 1 Chemical compositions requirements and design range for SCM420H gear steel %

1.2.2 顯微組織與夾雜物觀察

對(duì)?65 mm 規(guī)格圓鋼按GB/T 13298?2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》[10]取樣及試樣制備要求，在半徑位置取15 mm×15 mm 毛坯樣，磨制平行于軋制方向作為觀察面分析圓鋼的帶狀組織。按GB/T 6394?2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》[11]取樣及試樣制備要求，在半徑位置取10 mm×10 mm毛坯樣，試樣經(jīng)940、960 ℃及980 ℃內(nèi)保溫6 h 進(jìn)行滲碳，確保獲得1 mm 以上的滲碳層。采用ZEISS Axio Lab.A1 正置金相顯微鏡對(duì)這2 個(gè)軋制批次進(jìn)行帶狀組織分析和奧氏體晶粒度分析。

采用Zeiss Sigma 500 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)釩微合金化的SCM420H 齒輪鋼中夾雜物和納米級(jí)析出物進(jìn)行了觀察能譜分析，討論了夾雜物和納米級(jí)析出物成分與形態(tài)大小之間的關(guān)系。

1.2.3 淬透性測(cè)試

對(duì)兩個(gè)軋制批次按920 ℃±10 ℃進(jìn)行正火、925 ℃±5 ℃淬火工藝進(jìn)行熱處理，并按GB/T225?2006《鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法（Jominy 試驗(yàn)）》[12]的要求進(jìn)行末端淬透性試驗(yàn)，制成?25 mm 標(biāo)準(zhǔn)端淬試樣，每個(gè)批次各取3 個(gè)試樣進(jìn)行淬透性硬度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼的化學(xué)成分及組織控制

2.1.1 鋼中化學(xué)成分與物相的關(guān)系

本研究采用含釩夾雜物發(fā)揮釘扎晶界、阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，調(diào)控鋼的化學(xué)成分、加熱工藝對(duì)夾雜物尺寸和奧氏體晶粒尺寸及其穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用。

鋼中加入少量的Al 主要是用于脫氧，而加入的釩是強(qiáng)氮化物形成元素，為確定鋼中V、N 合適的量，形成足夠的VN 析出相釘扎晶界。根據(jù)夾雜物析出熱力學(xué)計(jì)算的平衡濃度積公式，lg([V]·[N])=3.63?8 700/T[13]，計(jì)算了VN 夾雜物在1 100 ℃（1 373 K）到800 ℃（1 073 K）之間的平衡曲線，如圖2 所示。在V∶N 理想化學(xué)計(jì)量關(guān)系（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為2∶1 到3∶1）內(nèi)，VN 在900 ℃(1 173 K)時(shí)能析出，因此將V、N 內(nèi)控成分百分含量分別控制在0.03%～0.05%、0.012%～0.018% 范圍內(nèi)，如圖2 中黑色方框所示。

圖2 V-N 相平衡濃度曲線Fig.2 Equilibrium concentration curve of V-N phase

采用J MatPro 計(jì)算軟件根據(jù)批次2 的化學(xué)成分計(jì)算了SCM420H 鋼主要組分的相圖，如圖3 所示。隨著溫度的降低，鋼的基體組織轉(zhuǎn)變路徑為：液相→高溫鐵素體（δ-Fe）→奧氏體（γ-Fe）→鐵素體（α-Fe），鋼中第二相粒子主要是碳化物（M23C6和M7C3）、氮化物夾雜（MN，M 主要為V 和Ti）和MnS 夾雜物。其中，MN 在966 ℃時(shí)析出，并在559 ℃時(shí)向M(C,N)發(fā)生轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過程所需的溫差是較小的。在20 ℃時(shí)的鋼中，M(C,N)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為0.049%。

圖3 SCM420H 鋼主要物相相圖Fig.3 Phase diagram of main components of SCM420H steel

由于SCM420H 鋼淬透性帶寬硬度值（HRC）需≤4 及高溫奧氏體晶粒度≥6 級(jí)，需對(duì)鋼中成分范圍進(jìn)行窄帶化精確控制。在冶煉生產(chǎn)時(shí)需對(duì)合金，如Mn、Cr、Mo、V 等進(jìn)行高位料倉自動(dòng)加入，并確保加入量精確到10 kg 級(jí)。精煉過程中，可在RH 工序根據(jù)LF 精煉出站檢測(cè)情況適當(dāng)補(bǔ)加增碳劑，從而確保碳含量在內(nèi)控范圍內(nèi)；另外，為了確保氮穩(wěn)定可控，真空處理采用全程吹氮?dú)庠龅婵仗幚斫Y(jié)束后補(bǔ)喂氮鉻線增氮。根據(jù)筆者對(duì)CrMnTi、CrMo 系及MnCr 系齒輪鋼產(chǎn)品淬透性檢測(cè)分析經(jīng)驗(yàn)，每提升質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.017%C、0.06% Mn、0.067%Cr或0.02%Mo 可使齒輪鋼中硬度值（HRC）提升1，而殘余B 元素需保持在0.000 3 %以下，從而確保淬透穩(wěn)定性[14]。

2.1.2 軋材中的顯微組織控制

為了控制加熱工藝對(duì)奧氏體晶粒度的影響，本研究根據(jù)試驗(yàn)生產(chǎn)的鑄坯尺寸情況及加熱工藝條件，將加熱溫度控制在1 200 ℃±20 ℃，在預(yù)熱段（室溫升至850 ℃左右）加熱時(shí)間控制在120 min 以內(nèi)。

經(jīng)過上述成分窄帶化控制和加熱工藝控制，將釩微合金化SCM420H 齒輪鋼兩個(gè)批次樣品在940、960 ℃和980 ℃溫度下保溫6 h 進(jìn)行滲碳處理。兩個(gè)批次樣品中的帶狀組織及保溫后的奧氏體晶粒度大致相同，如表2 所示。

表2 圓鋼顯微組織情況Table 2 Microstructures rating of steels

以960 ℃為例，兩個(gè)批次樣品中的帶狀組織和奧氏體晶粒度分別如圖4、5 所示。圖4 的帶狀組織檢測(cè)表明，兩個(gè)批次樣品中帶狀組織均可控制在1.5～2.0 級(jí)。

圖4 960 ℃滲碳處理后釩微合金化SCM420H 齒輪鋼帶狀組織Fig.4 Banded structures of V microalloyed SCM420H gear steel after carburization at 960 ℃

圖5 的奧氏體晶粒檢測(cè)表明，在960 ℃保溫經(jīng)過6 h 滲碳處理后，奧氏體晶粒度達(dá)到7.5～8.0 級(jí)，且未出現(xiàn)混晶，說明在該溫度內(nèi)保溫滲碳處理，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)不明顯。

圖5 960 ℃滲碳處理后釩微合金化SCM420H 齒輪鋼奧氏體晶粒度Fig.5 Austenite grain size of V microalloyed SCM420H gear steel after carburization at 960 ℃

通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)釩微合金化SCM420H鋼中的M(C,N)分布于晶粒內(nèi)部和晶界附近，且數(shù)量較多，如圖6(a)所示。該類M(C,N)主要是以V、C、N 元素為主的納米級(jí)球形V(C,N)析出物，等效直徑約為50～100 nm，白色箭頭所指析出物成分及含量如圖6(b)～(d)所示。結(jié)合金相試驗(yàn)的觀察分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，這些納米級(jí)V(C,N)析出物能夠起到釘扎晶界和抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的效用。

圖6 釩微合金化SCM420H 鋼中的V(C,N)析出物Fig.6 V(C,N)precipitation in vanadium microalloyed SCM420H steel

與未加入釩的SCM420H 圓鋼（其余化學(xué)成分完全按照內(nèi)控成分設(shè)計(jì)生產(chǎn)的圓鋼）相比，按照相同制樣和檢測(cè)方法分析了其在940 ℃和960 ℃保溫6 h 的奧氏體晶粒度，實(shí)際檢測(cè)的晶粒度情況如圖7所示。

圖7 的檢測(cè)結(jié)果表明，不加釩的SCM420H 圓鋼在940 ℃保溫滲碳時(shí)出現(xiàn)了少量奧氏體晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象；而隨著保溫溫度的提高，在960 ℃時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大非常顯著，出現(xiàn)了大量的粗大奧氏體晶粒。也有文獻(xiàn)認(rèn)為奧氏體晶粒的尺寸和帶狀組織帶寬是受熱變形過程的終了溫度影響的，終了溫度越高得到的晶粒越粗大[15]。

圖7 不加V 的SCM420H 齒輪鋼中奧氏體晶粒度Fig.7 Austenite grain size of SCM420H gear steel without V addition

上述檢測(cè)結(jié)果說明釩微合金化高溫滲碳SCM420H 鋼中，添加適量的釩與鋼中的氮在加熱、軋制過程中會(huì)析出VN，并起到穩(wěn)定的釘扎作用。在后續(xù)960 ℃、甚至980 ℃的高溫滲碳時(shí)，V(C,N)不會(huì)產(chǎn)生重溶引起奧氏體晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象，從而起到了細(xì)化奧氏體晶粒的作用。而不加釩的SCM420H鋼依靠少量的AlN 夾雜物釘扎晶界、細(xì)化奧氏體晶粒，在后續(xù)960 ℃高溫的長(zhǎng)時(shí)間的保溫過程中，晶界中的AlN 出現(xiàn)了部分重溶，導(dǎo)致部分晶粒長(zhǎng)大，從而出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象。

2.2 碳偏析及淬透性分析

2.2.1 碳偏析控制水平

對(duì)批次1 和批次2 中碳偏析檢測(cè)的結(jié)果表明，碳含量在試樣邊部和中心處都較小，在3、7 號(hào)取樣點(diǎn)位較大，但整個(gè)試樣橫截面不同位置碳的含量波動(dòng)值均在0.19%～0.21% 范圍內(nèi)，爐批次間成分偏差較小，偏差值約為0.01%，如圖8 所示。

2.2.2 碳偏析與淬透性的關(guān)系

連鑄工藝的穩(wěn)定性既影響著產(chǎn)品化學(xué)成分的均勻性，也影響著齒輪鋼淬透性的穩(wěn)定程度，而碳元素的均勻性對(duì)齒輪鋼淬透性穩(wěn)定性影響最大。對(duì)不同合金系列低碳齒輪鋼中影響成分均勻性的連鑄工藝開展了大量試驗(yàn)研究，分析了碳偏析與淬透性之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，圓棒試樣全截面的碳波動(dòng)在0.025%～0.045% 范圍內(nèi)，碳偏析對(duì)淬透性帶寬硬度值（HRC）影響可達(dá)到2～3。

優(yōu)化連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度是減小鑄坯碳偏析、提高端淬檢測(cè)值穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)齒輪鋼淬透性窄帶化控制的有效途徑之一[16]。因此，為了降低碳偏析對(duì)淬透性穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工藝能力，將280 mm×280 mm 斷面試驗(yàn)鋼的連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度參數(shù)由300 A，2.5 Hz調(diào)整為150 A，2.5 Hz；相應(yīng)地，將拉速由0.90 m/min 調(diào)整為0.85 m/min，過熱度控制在15～30 ℃。

對(duì)釩微合金化高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼淬透性采取窄帶化控制，J10 mm 的硬度值（HRC）要求在34～38。圖9 為上述兩個(gè)批次共計(jì)6 個(gè)樣品的淬透性檢測(cè)結(jié)果，1～3 號(hào)為批次1 的試樣，4～6 號(hào)為批次2 的試樣。結(jié)果表明，在較好的成分控制和組織控制條件下，同一爐批號(hào)及不同爐批號(hào)的試樣淬透性硬度值（HRC）最高為37，最低為35，淬透性帶寬硬度值（HRC）可控制在3 以內(nèi)。

圖9 不同試樣端淬硬度值分布情況Fig.9 Distribution of end-quenching harnesses of different samples

3 結(jié)論

對(duì)高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼進(jìn)行釩微合金化處理，并對(duì)釩微合金化的齒輪鋼中組織及淬透性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）在釩微合金化SCM420H 齒輪鋼成分內(nèi)控范圍內(nèi)， 對(duì)VN 的析出熱力學(xué)研究表明，將V 和N 的含量范圍分別控制在0.03%～0.05% 和0.012%～0.018%，而對(duì)該鋼種的相圖計(jì)算表明固溶型夾雜物MN 在966 ℃時(shí)析出，在559 ℃時(shí)向M(C,N)發(fā)生轉(zhuǎn)化，鋼中M(C,N)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為0.049%，采用成分范圍窄帶化控制可實(shí)現(xiàn)成分均勻分布，并滿足奧氏體晶粒尺寸和淬透性要求。

2）為實(shí)現(xiàn)該齒輪鋼在高溫滲碳過程中奧氏體晶粒不低于6 級(jí)，需將加熱溫度控制在1 200 ℃±20℃，在預(yù)熱段（室溫升至850 ℃左右）加熱時(shí)間控制在120 min 內(nèi)，在940～980 ℃高溫滲碳保溫6 h 后，帶狀組織控制在1.5～2 級(jí)，奧氏體晶?？煞€(wěn)定在7.5～8 級(jí)，M(C,N)主要為納米級(jí)球狀V(C,N)，其在鋼中能起到良好的釘扎晶界、細(xì)化奧氏體晶粒的作用。

3）除成分窄帶化控制外，將連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度參數(shù)調(diào)整為150 A，2.5 Hz，鑄坯拉速為0.85 m/min，澆鑄時(shí)過熱度為15～30 ℃，可將碳含量偏差值控制在約為0.01%，良好的碳含量均勻性有利于淬透性的窄帶化控制，淬透性檢測(cè)結(jié)果表明，同一爐批號(hào)及不同爐批號(hào)試樣的淬透性硬度值（HRC）最高為37，最低為35，淬透性帶寬硬度值（HRC）≤3。