汽車齒輪用滲碳鋼20MnCr5晶粒度的影響因素

供稿|李潤(rùn)霞，喻書贏，王宇

滲碳鋼20MnCr5用作汽車齒輪等傳動(dòng)零件需要對(duì)齒輪表面要經(jīng)過表面滲碳和淬火處理，以得到硬的表面和韌的心部，最終獲得優(yōu)異的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度。傳統(tǒng)的滲碳溫度一般在870～980 ℃，提高滲碳溫度可以增加滲碳層厚度，縮短滲碳時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率。本文研究的零件淬火處理溫度高(930 ℃)且滲碳時(shí)間長(zhǎng)(3～6 h或更長(zhǎng))，該條件下奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向明顯，易出現(xiàn)晶粒粗大或混晶現(xiàn)象。若齒輪滲碳淬火后出現(xiàn)嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，會(huì)使得齒輪淬火變形和開裂傾向增大，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著降低，引起應(yīng)力集中，容易造成齒輪脆性斷裂。鋼材的奧氏體晶粒出現(xiàn)混晶，可通過微合金工藝對(duì)鋼材晶粒進(jìn)行改善。通過添加微合金元素(如Nb、Al等)可以抑制晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化滲碳層組織，從而提高力學(xué)性能，尤其是抗疲勞性能。Nb具有很強(qiáng)的晶粒強(qiáng)化效果，目前已成為國(guó)際上在滲碳過程中防止晶粒粗化的主要元素。鋼材的晶粒越細(xì)小鋼材的性能越好，細(xì)晶鋼可以有更高的強(qiáng)度與韌性，從而提高重載齒輪鋼的疲勞性能[1-3]。

向20MnCr5齒輪鋼中添加不同含量的鋁、氮和鈮元素，并對(duì)比在相同熱處理工藝下不同爐次的晶粒粗大趨勢(shì)，結(jié)果表明鋼中的Al/N值和Nb元素的含量對(duì)奧氏體晶粒有重要影響，因而確定煉鋼過程中控制Al/N值和Nb的添加量，可滿足汽車齒輪鋼在高溫長(zhǎng)時(shí)間滲碳后晶粒度的要求。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼為20MnCr5，廢鋼和生鐵采用60 t超高功率電弧爐冶煉，經(jīng)LF鋼包爐外精煉，然后經(jīng)VD真空爐脫氣，再經(jīng)四機(jī)四流大方坯連鑄機(jī)澆注成方坯，鋼坯由步進(jìn)式加熱爐加熱后經(jīng)24架連軋機(jī)軋制成材，鋼材規(guī)格φ70 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)不同爐次的化學(xué)元素含量見表1。

表1 不同爐次20MnCr5鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)方法

分別在四爐次的鋼材上切取晶粒度試樣，在實(shí)驗(yàn)室將試樣加熱至930 ℃后進(jìn)行不同時(shí)間的奧氏體化，然后將試樣進(jìn)行淬水、磨制、拋光，經(jīng)飽和苦味酸溶液浸蝕后，利用金相顯微鏡觀察奧氏體晶粒度，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6394“金屬平均晶粒度測(cè)定方法”進(jìn)行晶粒度的級(jí)別評(píng)定。

結(jié)果與討論

晶粒度分析

4個(gè)不同爐次的20MnCr5鋼材試樣在930 ℃下奧氏體化后經(jīng)過不同的奧氏體化保溫處理，在金相顯微鏡下分別觀察試樣的奧氏體晶粒度變化情況見表2。

表2 不同保溫時(shí)間下20MnCr5鋼材的奧氏體晶粒度

從表2可以看出，當(dāng)晶粒度試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化2 h后進(jìn)行水淬處理，4個(gè)爐次試樣的奧氏體晶粒度均未出現(xiàn)晶粒粗化的現(xiàn)象，這說明試樣在930 ℃經(jīng)短時(shí)間的奧氏體化，其晶粒度不會(huì)發(fā)生明顯粗化的現(xiàn)象。但隨著奧氏體化時(shí)間的延長(zhǎng)(4、6和8 h)，試樣的晶粒大小發(fā)生了不同的變化。

圖1 是試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化4 h時(shí)的晶粒度圖?？梢婋S著試樣奧氏體化的時(shí)間延長(zhǎng)至4 h，鋼中Al、N含量較低的實(shí)驗(yàn)爐次1，其晶粒度試樣在顯微鏡下出現(xiàn)了明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，其中晶粒度3.0級(jí)占20%，4～6級(jí)占80%，而其它爐次的試樣因含Al、N量較高，此時(shí)未發(fā)生明顯的晶粒粗化現(xiàn)象。

圖1 試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化4 h時(shí)的晶粒度圖：(a)爐次1；(b)爐次2；(c)爐次3；(d)爐次4

試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)至6 h時(shí)，鋼中Al、N含量較低的爐次1的試樣出現(xiàn)了明顯混晶現(xiàn)象；爐次2含有較高的Al、N含量，但幾乎不含有強(qiáng)細(xì)晶Nb元素，因而也出現(xiàn)了明顯的晶粒粗化現(xiàn)象；而實(shí)驗(yàn)爐次3和爐次4因鋼中含有適量的Al、N元素，并含有一定量的Nb元素，因而并未出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化6 h時(shí)的晶粒度圖：(a)爐次1；(b)爐次2；(c)爐次3；(d)爐次4

當(dāng)奧氏體化時(shí)間延至8 h，實(shí)驗(yàn)爐次1、2的試樣均出現(xiàn)了明顯混晶現(xiàn)象，但Nb元素含量在0.025%的實(shí)驗(yàn)爐次3和4的試樣未出現(xiàn)晶粒粗大趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 試樣經(jīng)930 ℃奧氏體化8 h時(shí)的晶粒度圖：(a)爐次1；(b)爐次2；(c)爐次3；(d)爐次4

分析討論

Al作為一種基本、有效的細(xì)化晶粒元素，在鋼中主要以AlN形式存在，并主要分布于晶界起著阻礙奧氏體晶界移動(dòng)的作用。只有當(dāng)溫度超過某一溫度值時(shí)，AlN小質(zhì)點(diǎn)發(fā)生聚合，尺寸超過某一臨界值，質(zhì)點(diǎn)才失去了阻礙晶界移動(dòng)的作用，晶粒開始粗化[4]。一般認(rèn)為Al/N達(dá)到2.0以上時(shí)，就能起到釘扎晶界阻止晶粒長(zhǎng)大的細(xì)晶作用，在一定的奧氏體化條件下可保證晶粒不長(zhǎng)大。但隨著奧氏體化的溫度提高，時(shí)間延長(zhǎng)，則需要增加細(xì)晶強(qiáng)化元素來阻止晶粒長(zhǎng)大。而鋼中元素Nb能C結(jié)合形成NbC，由于NbC對(duì)位錯(cuò)的釘扎及對(duì)亞晶界的遷移具有阻止作用，可大大提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。按照晶粒大小與第二相質(zhì)點(diǎn)之間的Zener理論[5-6]，奧氏體晶粒與鋼中第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量、大小、分布也有關(guān)系[7]，即當(dāng)鋼中含有較多的第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，便可阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

4個(gè)爐次的鋼中Al元素的含量均在控制在0.02%以上，但氮、鈮元素含量略有不同。當(dāng)奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)至4 h，由于爐次1鋼中氮含量較低，在鋼中不能形成足夠數(shù)量的AlN使其分布在奧氏體晶界，從而沒有起到釘扎作用；當(dāng)奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)不能有效阻止晶粒長(zhǎng)大，則出現(xiàn)了明顯的晶粒粗化現(xiàn)象，而其它3爐有足夠數(shù)量的AlN，在一定的奧氏體時(shí)間內(nèi)可以有效地起到釘扎用，則沒有出現(xiàn)晶粒粗化的現(xiàn)象。

隨著奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)至6 h， 鋼中Nb元素含量較低的實(shí)驗(yàn)爐次2出現(xiàn)了晶粒粗化現(xiàn)象。這說明鋼中AlN對(duì)晶粒能起到細(xì)化作用，但不如NbC作用明顯。當(dāng)奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)至8 h，爐次1、2均出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，而爐次3、4中含有一定量的強(qiáng)細(xì)晶Nb元素，晶粒未出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，更說明NbC的細(xì)晶作用。因此，當(dāng)升高材料的奧氏體化溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間時(shí)，鋼中不僅需要一定含量的Al、N元素，更要添加適量的強(qiáng)細(xì)晶元素形成碳化物來強(qiáng)化晶界，以阻止晶粒粗化。

結(jié)束語(yǔ)

(1)20MnCr5齒輪鋼的奧氏體晶粒度受鋼中Al含量影響，當(dāng)Al含量在0.02%以上時(shí)可保證930 ℃奧氏體化2 h不發(fā)生晶粒粗化。

(2)當(dāng)20MnCr5鋼中Al/N≥2.0時(shí)，鋼中含有一定量的AlN質(zhì)點(diǎn)，可延長(zhǎng)奧氏體化時(shí)間。

(3)當(dāng)20MnCr5鋼在930 ℃奧氏體化的時(shí)間達(dá)8 h時(shí)，AlN質(zhì)點(diǎn)不能起到有效作用，需添加強(qiáng)細(xì)晶Nb元素來保證不出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象。