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(guān) 512123; 2.桂林福達齒輪有限公司,廣西 桂林 541199)

標(biāo)準(zhǔn)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(guān)法、滲碳法、模擬滲碳法、鐵素體網(wǎng)法、氧化法、直接淬硬法、滲碳體網(wǎng)法和細(xì)珠光體網(wǎng)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(rèn)為不同檢測方法不會對晶粒度檢測結(jié)果造成較大影響[1-3],也有部分研究人員認(rèn)為不同檢測方法會導(dǎo)致晶粒度檢測結(jié)果存在較大差異[4-5]。為了確認(rèn)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(yōu)化材料成分,改善了20CrNiMoH鋼奧氏體晶粒度的穩(wěn)定性,避免了混晶現(xiàn)象的發(fā)生。

1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料選用某廠生產(chǎn)φ22 mm的20CrNiMoH圓鋼,其化學(xué)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(shù)字顯微鏡對試樣晶粒度進行觀察和檢測。

表1 20CrNiMoH鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

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(jīng)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(jīng)890 ℃保溫1 h后快速放入冷水中淬火,然后切取試樣面,經(jīng)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(jīng)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(jīng)磨制拋光后使用硝酸酒精溶液腐蝕,顯示出過共析區(qū)是由網(wǎng)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(jīng)930 ℃保溫6 h后快速放入冷水中淬火,然后切取試樣面,經(jīng)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(jié)果對比

按照標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果如表2所示。

表2 奧氏體晶粒度檢測結(jié)果

由表2檢測結(jié)果可知:氧化法和直接淬硬法的晶粒度檢測結(jié)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(jié)果低0.2～0.3級;模擬滲碳法檢測時出現(xiàn)局部混晶現(xiàn)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(yīng)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(xì)小的奧氏體起始晶粒。但是需要注意,由于起始晶粒細(xì)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(dǎo)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(dāng)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(xù)增加,二次滲碳體數(shù)量增加,阻止奧氏體晶粒繼續(xù)長大,奧氏體晶粒度反而細(xì)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(wěn)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(xì)小的奧氏體晶粒。但是當(dāng)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(dāng)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(qū)域晶界推移阻力很小,晶粒異常長大,往往可能出現(xiàn)晶粒大小極不均勻的混晶現(xiàn)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(xì)小,相界面也就越多,有利于奧氏體形核產(chǎn)生,所得到的奧氏體起始晶粒就越細(xì)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(jié)果基本一致且相對細(xì)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(qū)域AlN第二相粒子在高溫下溶解較多,導(dǎo)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(xì)小狀態(tài),而AlN分布較少的位置則不能有效釘扎晶界導(dǎo)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(xì)小狀態(tài);但是滲碳后緩冷析出先共析碳化物網(wǎng)時,由于碳含量不足或冷速較快等因素導(dǎo)致部分晶界處先共析碳化物網(wǎng)的析出不連續(xù),從而導(dǎo)致檢測結(jié)果稍低。

4 改進措施

由于20CrNiMoH鋼沒有規(guī)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(xiàn)混晶,致使材料奧氏體晶粒度檢測不合格的風(fēng)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(wěn)定性。使用模擬滲碳法檢測奧氏體晶粒度出現(xiàn)混晶主要是部分區(qū)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(dāng)數(shù)量的氮化鉻絲線,提升鋼中的含氮量,使氮含量穩(wěn)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(xiàn)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(jié)論

1)不同檢測方法下20CrNiMoH鋼的奧氏體晶粒度結(jié)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(xiàn)混晶現(xiàn)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(xiàn)混晶現(xiàn)象。