连杆心部组织中上贝氏体的消除方法

2014-01-10颜培庆侯海山管其学

热处理技术与装备 2014年6期

颜培庆，单杰，侯海山，管其学

(江苏丰东热技术股份有限公司，江苏大丰 224100)

材料为20CrMo的连杆产品，壁厚8 mm。使用江苏丰东UBE-1000的多用炉生产线进行渗碳、缓冷及二次加热淬火、回火，检测发现产品心部组织有10% ～15%的上贝氏体和粒状贝氏体。上贝氏体脆性大，会降低产品的韧性和屈服强度，对产品的综合机械性能会产生不利影响［1］，因此要消除心部的上贝氏体。通过调整产品的热处理工艺，提高二次加热温度，并降温淬火能控制心部组织中不出现上贝氏体。

1 工艺流程及试验方法

20CrMo材料是比较常用的低合金结构钢和渗碳钢，化学成分见表1。

表1 20CrMo材料的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 20CrMo material(ω，%)

20CrMo材料的临界温度Ac1为755℃，Ac3为840℃，Ms为380℃。为了消除原材料及热锻缺陷对试验的影响，所用试验产品均进行扩散退火处理。

产品的热处理工艺如下:

1)渗碳、缓冷工艺见图1。采用江苏丰东UBE-1000带缓冷多用炉进行渗碳缓冷后，检测产品没有出现上贝氏体。

2)二次加热淬火工艺见图2。

图1 渗碳缓冷工艺Fig.1 Process of carburizing and slow cooling

图2 二次加热淬火工艺Fig.2 Process of second heating and quenching

3)淬火后的回火工艺见图3。检测发现产品心部出现10% ～15%的上贝氏体组织(如图4所示)。

图3 回火工艺Fig.3 Process of tempering

2 上贝氏体组织的形成原因及消除对策

由20CrMo的TTT图(见图5)可知，形成上贝氏体的温度在320～620℃之间。淬火冷却时在500～620℃保持1 s以上就会有上贝氏体组织出现［2］。

图4 心部组织为上贝氏体Fig.4 The core microstructure of upper bainite

图5 20CrMo钢的 TTT图［2］Fig.5 TTT picture of 20CrMo steel［2］

由此分析产品心部出现上贝氏体组织，是由于冷却时在上贝氏体转变温度区间停留时间较长，形成少量的上贝氏体组织。解决问题的方向就是尽可能缩短在上贝氏体转变区间的停留时间，即:增大冷却速度。但现有条件是油品确定，提高冷速的条件不满足。另外一个途径就是尽可能使C曲线右移，延长孕育期，推迟贝氏体转变。我们知道合金元素对TTT图的影响很大。当Mo、Cr元素溶入奥氏体的含量增加时，珠光体转变移向高温，而贝氏体转变则移向低温，推迟贝氏体的转变［3］。这要对二次加热淬火的工艺进行调整，可以适当提高奥氏体化温度。

3 调整后的热处理工艺

新一批产品调整二次加热淬火工艺，见图6，其它热处理工艺不变。检测产品心部组织无上贝氏体，有2% ～5%的粒状贝氏体(如图7)，符合产品的技术要求。

图6 调整后的加热淬火工艺Fig.6 Process of heating and quenching after adjustment

图7 心部组织为粒状贝氏体，无上贝氏体Fig.7 The core microstructure is of granular bainite，no upper bainite

4 试验结果及分析

两组试验对比发现:奥氏体化温度提高到880℃保温30 min，再降温到840℃淬火，心部组织中没有出现上贝氏体，只存在少量的粒状贝氏体。奥氏体化温度的高低对贝氏体的形成转变有重要影响。奥氏体化温度的升高，可以提高溶入奥氏体内的合金元素和碳的含量。溶入奥氏体内的合金元素Cr、Mo会使C曲线右移，提高孕育期;奥氏体化温度升高，会使奥氏体均匀化时间缩短，降低奥氏体内浓度涨落，可以推迟贝氏体的转变。

作为贝氏体新相的晶核是以起伏形成的。浓度起伏形成贫碳区，结构起伏形成体心核坯，能量起伏提供核坯和临界晶核所需的能量上涨。三种起伏的相互作用使微小的起伏迅速放大，致使奥氏体贫碳区的结构(fcc)失稳而瓦解，建构bcc结构的BF晶核。

奥氏体化温度的高低会影响到奥氏体化状态:包括奥氏体的晶粒度、成分的不均匀度、晶界偏聚、剩余碳化物的量等，这些因素均会对过冷奥氏体的贝氏体相变产生重要影响。随奥氏体化温度提高，稳定奥氏体化作用的溶质元素溶解更加充分，合金碳化物溶解量增多，分布更加均匀，从而过冷奥氏体更加稳定，贝氏体转变的C曲线右移，推迟贝氏体相变的发生［1］。

对于本试验的产品，淬火油冷速一定的情况下，产品心部冷却到500～600℃的保持时间为恒定值。这样，通过提高奥氏体化温度后，使得C曲线右移，贝氏体转变孕育期增加，贝氏体转变被延迟，从而不发生上贝氏体转变，消除了产品心部组织中的上贝氏体。