20CrMnTi鋼和20鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為對(duì)比

薛 莉, 張立文, 丁浩晨, 張 馳, 宋康杰

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

低碳低合金鋼在經(jīng)過(guò)滲碳等熱處理后具有較高的強(qiáng)韌性、疲勞強(qiáng)度和耐磨性,是制造汽車傳動(dòng)齒輪的重要材料之一[1]。滲碳鋼通常在930 ℃左右進(jìn)行滲碳處理,將滲碳溫度升高到1000 ℃以上會(huì)大幅減少滲碳時(shí)間[2]。但是在高溫加熱過(guò)程中,奧氏體晶粒易發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。目前控制晶粒尺寸的有效方法之一是向鋼中添加Ti、Nb、V等元素,利用這些合金元素的析出相來(lái)細(xì)化晶粒[3-7]。20CrMnTi鋼是我國(guó)制造汽車齒輪以及齒輪軸的常用鋼種[1],它是在低碳鋼的基礎(chǔ)上添加合金元素Cr、Mn、Ti等,利用這些合金元素的特性來(lái)提高淬透性和降低晶粒度[8]。因此研究20CrMnTi鋼和20鋼高溫加熱保溫過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大規(guī)律對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。

本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了20CrMnTi鋼和20碳素鋼在加熱保溫過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大行為,研究了不同保溫溫度和不同保溫時(shí)間下兩種鋼的晶粒尺寸大小,分析了合金元素的添加對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響,并建立了奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型,以期望解析添加合金元素后20CrMnTi鋼相較于20鋼組織穩(wěn)定性和晶粒尺寸優(yōu)勢(shì),對(duì)20CrMnTi鋼生產(chǎn)過(guò)程的晶粒尺寸控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文采用某鋼廠提供的熱連軋后高溫退火狀態(tài)的棒材作為初始母材,其化學(xué)成分如表1所示。將材料加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣,在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)中以20 ℃/s的加熱速度加熱到設(shè)定的保溫溫度,分別為1000、1100、1200 ℃,在每個(gè)溫度下分別保溫0、30、60、180、300 s后迅速水淬至室溫,以保留高溫下的原始奧氏體組織形貌。將淬火后的試樣沿中線剖開,經(jīng)鑲樣、打磨、拋光后,用加入一定比例的濃鹽酸和活性劑的飽和苦味酸溶液進(jìn)行腐蝕處理,之后用Leica MEF4光學(xué)顯微鏡觀察試樣的原奧氏體晶界,并采用截點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)平均晶粒尺寸[7]。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保溫溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)大行為的影響

圖1為20CrMnTi鋼和20鋼在不同溫度下保溫180 s的奧氏體晶粒組織形貌。可以看出,隨著溫度的升高,兩種鋼的晶粒尺寸都增大,但20鋼的晶粒尺寸要明顯大于20CrMnTi鋼。這是由于20CrMnTi鋼中加入了微合金元素,在鋼中形成彌散分布的析出相粒子(如TiC,TiN等)起到了釘扎奧氏體晶界的作用,阻礙了晶界的遷移,從而起到了抑制晶粒長(zhǎng)大的作用[9-10]。隨著溫度的升高,Ti元素在鋼中的固溶度增加,使得第二相粒子的數(shù)量減少,晶界遷移的阻力減小,晶粒逐漸長(zhǎng)大。而20鋼中沒(méi)有這樣的合金元素來(lái)阻礙晶界的遷移,隨著溫度的升高,平均晶粒尺寸從50.8 μm增加到99.6 μm,奧氏體晶粒的粗化程度明顯。可見Ti元素在加熱過(guò)程中對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大起到明顯的抑制作用。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)晶粒長(zhǎng)大行為的影響

圖2為20CrMnTi鋼和20鋼在1200 ℃保溫不同時(shí)間下的奧氏體晶粒形貌,圖3為對(duì)應(yīng)的平均晶粒尺寸變化曲線。從圖2可以看出,20CrMnTi鋼的晶粒都呈現(xiàn)均勻的等軸狀,20鋼的晶粒已經(jīng)出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的晶粒。從圖3可知,在保溫過(guò)程的前60 s晶粒尺寸增加明顯,60 s之后增長(zhǎng)速度明顯放緩。20鋼的晶粒尺寸從63.5 μm增加到101.1 μm,晶粒粗化明顯。與之相比,20CrMnTi鋼的晶粒尺寸則由46.5 μm增加到67.8 μm,增加的幅度并不大。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知,在1000～1200 ℃時(shí),20CrMnTi鋼中Ti元素在鋼中固溶度并不高,主要以析出相的形式存在,能夠起到抑制晶界的作用,使得20CrMnTi鋼在保溫后并沒(méi)有出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的晶粒。

2.3 奧氏體晶粒長(zhǎng)大模型

在上述的研究中,分別討論了保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響。為了能夠準(zhǔn)確地描述出20CrMnTi鋼和20鋼的晶粒長(zhǎng)大模型,就要同時(shí)考慮保溫溫度(T)、保溫時(shí)間(t)和初始奧氏體晶粒尺寸(D0)的影響。本文采用同時(shí)考慮了加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響的Sellars模型[11]:

(1)

式中:t為保溫時(shí)間(s);T為保溫溫度(K);Dt為保溫后晶粒尺寸(μm);D0為初始晶粒尺寸(μm);Q為晶粒長(zhǎng)大激活能(J·mol-1);R為氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K));n、A都是材料參數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn),不同的鋼種以及組織狀態(tài)的不同,材料的n、A、Q值都不相同。為了確定公式中的參數(shù),先對(duì)公式(1)進(jìn)行移項(xiàng)后兩邊取對(duì)數(shù),得到公式(2):

(2)

由于公式(2)中有3個(gè)未知量A、n、Q,所以不能直接通過(guò)對(duì)變量進(jìn)行線性擬合的方法求出這些變量的值。可以先假定n的值,再對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行擬合得到相對(duì)應(yīng)n值下的A和Q的值,并求出在此n值下的晶粒長(zhǎng)大尺寸模型,將得到的晶粒尺寸計(jì)算值與試驗(yàn)得到的平均晶粒尺寸進(jìn)行平均誤差絕對(duì)值(AARE)計(jì)算,結(jié)果如圖4所示,則AARE最小時(shí)對(duì)應(yīng)的n值則為該模型的最佳n值。由圖4可知,當(dāng)n20CrMnTi=7.486,n20=5.628時(shí),建立的晶粒長(zhǎng)大模型與試驗(yàn)值誤差最小。分別對(duì)20CrMnTi鋼和20鋼的ln(Dtn-D0n)和(-1/RT)進(jìn)行擬合計(jì)算,得到對(duì)應(yīng)的A和Q,進(jìn)而得出晶粒長(zhǎng)大模型,分別為:

圖4 不同n值下試驗(yàn)鋼的晶粒尺寸平均誤差絕對(duì)值(AARE)擬合曲線(a)20CrMnTi鋼;(b)20鋼Fig.4 Fitting curves of AARE of grain size of the tested steel under different n values(a) 20CrMnTi steel; (b) 20 steel

(3)

(4)

式中:20CrMnTi鋼的模型相關(guān)系數(shù)R=0.997,AARE=3.22%,20鋼的相關(guān)系數(shù)R=0.987,AARE=6.88%。將該模型計(jì)算值同試驗(yàn)測(cè)量的奧氏體平均晶粒尺寸作比較,如圖5所示,可見根據(jù)這兩個(gè)模型得到的計(jì)算值都與試驗(yàn)值有著很好的吻合性,表明所建的模型可以很好地描述20CrMnTi鋼和20鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大行為。

3 結(jié)論

1) 20CrMnTi鋼和20鋼的奧氏體晶粒尺寸都隨著保溫溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在相同條件下,20鋼的晶粒長(zhǎng)大速度都大于20CrMnTi鋼,表明Ti元素的添加能夠明顯抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

2) 基于兩種鋼的試驗(yàn)值,分別建立了保溫溫度在1000～1200 ℃和保溫時(shí)間在0～300 s的奧氏體晶粒長(zhǎng)大Sellars模型,采用該模型得出的計(jì)算值都與試驗(yàn)值具有較高的吻合度。