20CrMnTi鋼和20鋼奧氏體晶粒長大行為對比

薛 莉, 張立文, 丁浩晨, 張 馳, 宋康杰

(大連理工大學 材料科學與工程學院, 遼寧 大連 116024)

低碳低合金鋼在經過滲碳等熱處理后具有較高的強韌性、疲勞強度和耐磨性,是制造汽車傳動齒輪的重要材料之一[1]。滲碳鋼通常在930 ℃左右進行滲碳處理,將滲碳溫度升高到1000 ℃以上會大幅減少滲碳時間[2]。但是在高溫加熱過程中,奧氏體晶粒易發生晶粒異常長大的現象。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細化晶粒[3-7]。20CrMnTi鋼是我國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上添加合金元素Cr、Mn、Ti等,利用這些合金元素的特性來提高淬透性和降低晶粒度[8]。因此研究20CrMnTi鋼和20鋼高溫加熱保溫過程中的晶粒長大規律對于保證產品質量有著重要的意義。

本文通過試驗對比研究了20CrMnTi鋼和20碳素鋼在加熱保溫過程中的晶粒長大行為,研究了不同保溫溫度和不同保溫時間下兩種鋼的晶粒尺寸大小,分析了合金元素的添加對晶粒長大的影響,并建立了奧氏體晶粒長大模型,以期望解析添加合金元素后20CrMnTi鋼相較于20鋼組織穩定性和晶粒尺寸優勢,對20CrMnTi鋼生產過程的晶粒尺寸控制提供指導。

1 試驗材料與方法

本文采用某鋼廠提供的熱連軋后高溫退火狀態的棒材作為初始母材,其化學成分如表1所示。將材料加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣,在Gleeble-1500熱模擬試驗機中以20 ℃/s的加熱速度加熱到設定的保溫溫度,分別為1000、1100、1200 ℃,在每個溫度下分別保溫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行腐蝕處理,之后用Leica MEF4光學顯微鏡觀察試樣的原奧氏體晶界,并采用截點法統計平均晶粒尺寸[7]。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)

2 試驗結果與分析

2.1 保溫溫度對晶粒長大行為的影響

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?？梢钥闯?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量減少,晶界遷移的阻力減小,晶粒逐漸長大。而20鋼中沒有這樣的合金元素來阻礙晶界的遷移,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?？梢奣i元素在加熱過程中對奧氏體晶粒長大起到明顯的抑制作用。

2.2 保溫時間對晶粒長大行為的影響

圖2為20CrMnTi鋼和20鋼在1200 ℃保溫不同時間下的奧氏體晶粒形貌,圖3為對應的平均晶粒尺寸變化曲線。從圖2可以看出,20CrMnTi鋼的晶粒都呈現均勻的等軸狀,20鋼的晶粒已經出現異常長大的晶粒。從圖3可知,在保溫過程的前60 s晶粒尺寸增加明顯,60 s之后增長速度明顯放緩。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。根據文獻[10]可知,在1000～1200 ℃時,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鋼在保溫后并沒有出現異常長大的晶粒。

2.3 奧氏體晶粒長大模型

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

(1)

式中:t為保溫時間(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為晶粒長大激活能(J·mol-1);R為氣體常數(8.314 J/(mol·K));n、A都是材料參數。

研究發現,不同的鋼種以及組織狀態的不同,材料的n、A、Q值都不相同。為了確定公式中的參數,先對公式(1)進行移項后兩邊取對數,得到公式(2):

(2)

由于公式(2)中有3個未知量A、n、Q,所以不能直接通過對變量進行線性擬合的方法求出這些變量的值?？梢韵燃俣╪的值,再對試驗值進行擬合得到相對應n值下的A和Q的值,并求出在此n值下的晶粒長大尺寸模型,將得到的晶粒尺寸計算值與試驗得到的平均晶粒尺寸進行平均誤差絕對值(AARE)計算,結果如圖4所示,則AARE最小時對應的n值則為該模型的最佳n值。由圖4可知,當n20CrMnTi=7.486,n20=5.628時,建立的晶粒長大模型與試驗值誤差最小。分別對20CrMnTi鋼和20鋼的ln(Dtn-D0n)和(-1/RT)進行擬合計算,得到對應的A和Q,進而得出晶粒長大模型,分別為:

圖4 不同n值下試驗鋼的晶粒尺寸平均誤差絕對值(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鋼的模型相關系數R=0.997,AARE=3.22%,20鋼的相關系數R=0.987,AARE=6.88%。將該模型計算值同試驗測量的奧氏體平均晶粒尺寸作比較,如圖5所示,可見根據這兩個模型得到的計算值都與試驗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鋼的奧氏體晶粒長大行為。

3 結論

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間的延長而增加。在相同條件下,20鋼的晶粒長大速度都大于20CrMnTi鋼,表明Ti元素的添加能夠明顯抑制奧氏體晶粒長大。

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