热处理工艺对20SiMn钢晶粒细化作用的机理研究

孙海明

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究，哈尔滨 150030)

热处理工艺对20SiMn钢晶粒细化作用的机理研究

孙海明

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究，哈尔滨 150030)

为了研究热处理工艺对20SiMn钢晶粒细化过程中的作用，选取了9个试样进行不同工艺的热处理和化学试剂热浸蚀试验，分析了热处理试验结果。试验结果表明，热处理过程中NbC的析出可以起到钉扎位错的作用，不但使组织得到强化，而且使原奥氏体晶粒得到了一定的细化，避免了混晶现象的出现。通过热浸蚀试验可以较好地显示出原奥氏体晶界，观察原奥氏体晶粒细化程度。

化学热浸蚀；原奥氏体晶界；仿晶界型铁素体

钢通过加入各种合金元素使原始组织晶粒得到细化，即形成细化强化，从而增加晶界面积缺陷，提高钢在使用状态下的强韧性能[1]。一般情况下，钢中加入各种合金元素的作用是很复杂的，对于珠光体钢而言，钢的静强度取决于钢中的珠光体总量及其层片间距，而钢的塑性则随着铁素体量的增加而增加，即共析转变形成的铁素体增加了钢中的铁素体总量，使钢的塑性得到了明显提高，通过控扎控冷、微合金化工艺以获得较小的奥氏体晶粒尺寸[2]。因此，本文通过不同的热处理方法来观察相变过程中NbC的析出对原始组织细化的影响，研究20SiMn钢在热处理过程中Nb元素的作用，用化学热浸蚀方法显示钢的原奥氏体晶界，提高了原奥氏体晶界的显示效果，达到了组织细化的目的。

1 热处理试验材料和方法

1.1 试验材料

本文试验采用的是20SiMn钢，其化学成分如表1所示。

表1 试验用钢的化学成分Table 1 Chemical constitution of test steel

1.2 试验方法

此次试验一共有9个试样，试样编号从1号到9号，对9个试样第一次热处理工艺为1200 ℃固溶淬火、700 ℃回火，保温时间依次为0.5、5、15、30、45、60、90、120、180 min。

第一次热处理后进行了显微组织观察和原奥氏体晶界热浸蚀实验，发现1号和2号这两个试样的原奥氏体晶界可以较好地显示出来。若700 ℃回火不超过5min可以用化学热浸蚀方法来显示原奥氏体晶界，则进行第二次热处理，对于全部试样热处理工艺均为880 ℃奥氏体化30min，700 ℃回火保温2～3 min、回火后油淬处理。

第三次热处理得到仿晶界型铁素体，全部试样热处理工艺均为880 ℃奥氏体化1h，600 ℃保温1h、淬火处理。

2 热处理试验结果分析

2.1 高温回火组织观察

本文试验用钢经过高温过热，再经过高温回火(9个试样的回火保温时间不同)后进行洛氏硬度值标定，标定结果如表2所示。

表2 金属试样洛氏硬度值Table 2 Rockwell hardness values of metal samples

下面进行金相制样，制样完成后用4%硝酸酒精进行浸蚀，在光学显微镜下观察，显微组织放大400倍，观察结果如图1所示。

用4%硝酸酒精浸蚀的显微组织，可以清楚地看到板条状马氏体组织(位相关系很明显)和层片状较细的回火索氏体组织。随着回火保温时间的延长，金属试样的硬度值逐渐降低，说明马氏体量有一定的减少，同时回火索氏体量有一定的增加。随着回火保温时间的延长，在原奥氏体晶界处、马氏体基体内都会有碳化物的析出，但析出量并不是很多，这种碳化物很可能就是NbC颗粒或者NbC和其它碳化物复合[3]。

2.2 原奥氏体晶界化学热浸蚀观察

为了更加直观地观察原奥氏体晶粒的大小和数量级，试验过程中采用了化学热浸蚀的方法，化学试剂配方：10mL饱和苦味酸+10mL饱和十二烷基苯磺酸钠，浸蚀时间为50s，温度为50～55℃，具体的浸蚀结果如图2所示。

在试样浸蚀过程中，1号和9号试样的浸蚀效果达不到拍照的要求， 没有得到这两个试样的显微

图1 显微组织放大400倍Fig.1 Microstructures with enlargement of 400 times

照片， 在两个试样的边界区域可以模糊地看到原奥氏体晶界。对比观察，1号与2号试样浸蚀结果相同，9号与8号试样浸蚀结果相同，都表现出一定的混晶现象，但不是很严重，晶粒大小在几十个微米到几百个微米不等。第一次试验已经将1号和2号试样的原奥氏体晶界较明显地浸蚀出来，具体浸蚀结果如图3所示。

通过图2对比观察，发现3号和7号试样的原奥氏体晶粒比较均匀，没有明显的混晶现象存在，但7号试样的晶粒更小，可以得到一个初步的结论：在实验结果可以重复的条件下，7号试样的原奥氏体晶粒得到了细化， 并且晶粒的均匀化程度得到

图2 金属试样原奥氏体晶界显示Fig.2 Original austenite grain boundaries manifestation of metal samples

图3 金属试样原奥氏体晶界显示Fig.3 Original austenite grain boundaries manifestation of metal samples

了很大的改善。

1)NbC在700 ℃回火保温15 min存在一定的析出量，但析出量很少，即使析出量很多也会出现碳化物偏聚的现象，不能起到有效钉扎位错的作用，导致原始组织晶粒大小不能得到有效控制，出现晶粒过度长大、混晶现象[4]。

2)当试样的回火保温时间延长到90 min时，虽然试样的浸蚀效果不是很明显，但可以判断出原奥氏体晶粒较均匀且较小，没有明显的混晶现象存在，说明Nb的碳化物出现了一定量的析出且较好地形成了弥散分布，初步形成对相变过程中位错的钉扎作用，从而达到一定的晶粒细化作用。NbC析出量和弥散程度的限制，晶粒明显地长大，最大的达到了100～200 μm。

3)试样的回火保温时间小于15 min时，NbC没有足够的时间析出而表现出粗大晶粒和较明显的混晶现象，如图3所示；保温时间在15～90 min时，由于NbC的析出量很少，且存在偏聚现象，如图2 (c)、(d)、(e)所示，因此达不到钉扎位错的作用，形成原奥氏体晶粒粗大，同时也出现混晶现象；保温时间大于90 min后，由于保温时间过长，Nb的碳化物有足够的时间迁移和元素扩散，如图2(g)所示，因此也会出现元素和碳化物的偏聚，同时存在碳化物一定的回溶现象，达不到有效钉扎位错、细化晶粒的目的，导致原始晶粒过度长大，存在较明显的混晶现象[5]。

2.3 仿晶界型铁素体显微组织观察

实践证明，本文试验用钢通过一次等温处理可以得到仿晶界型铁素体，热处理完再经过金相制样，最后使用4%硝酸酒精进行浸蚀观察显微组织[6]，得到的结果如图4所示。

从图4中可以明显地看出，1号、8号和9号试样有显著的仿晶界型铁素体特征，其他6个试样表现的并不是很明显，只是局部区域中两个或几个晶粒的边界上存在铁素体组织，是因为这几个试样存在较严重的脱碳现象，等温处理过程中管式炉炉膛内不同位置温度之间的差别及热处理操作过程中先后顺序问题，导致这6个试样的实验结果不理想，所以得不到构成网络所需的铁素体转变量和网络特征。对试样采用等温处理，能够控制相变过程中铁素体的转变量，使铁素体沿原奥氏体晶界转变并构成网络状[7]。在实验的过程中，如果铁素体转变过多，虽然大部分也在原奥氏体晶界处形核并发生转变，但是得到的并不是网络状的铁素体，而是块状。反之，如果铁素体的转变量很少，也连接不成网络，很难表征原奥氏体晶粒的大小[8]。

另外，用仿晶界型铁素体表征原奥氏体晶粒大小和用化学热浸蚀表征原奥氏体晶粒大小进行对比观察，前者表征的晶粒度略小于后者，这是因为在高温回火NbC析出后又采用了等温处理，使NbC的析出钉扎晶界的作用得到进一步强化，有效地阻碍了晶粒的过分长大。此次试验达到了组织细化目的，若要进一步实现晶粒细化效果，可以尝试循环等温处理，即2次或3次或更多次等温处理，处理完后再重新奥氏体化，分级淬火，在高温段避免形成铁素体，在中低温段形成较多的贝氏体和少量的马氏体组织，使钢的综合力学性能得到大幅度的提高[9]。

3 结 论

1)20SiMn钢过热后700 ℃回火保温90 min时，一定量NbC的析出起到了较好的钉扎位错作用，达到了一定的弥散强化效果，使原奥氏体晶粒较细小且均匀，不存在明显的混晶现象。

2)在原奥氏体晶界热浸蚀过程中，采用10 mL饱和苦味酸+10 mL饱和十二烷基苯磺酸钠试剂，热浸蚀温度在50～55 ℃，时间为50 s，可以显示出原奥氏体晶界，达到表征的目的。

3)对20SiMn钢采用一次等温处理，可以得到仿晶界型铁素体，同时组织得到一定的细化。

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(编辑 侯世春)

Study on the mechanism of heat treatment process effect on 20SiMn steel grain refinement

SUN Haiming

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

In order to study the effect of heat treatment process on the grain refinement of 20SiMn steel, 9 samples are selected for different types of heat treatment processes and thermal etching test on chemical reagent and test results for heat treatment are analyzed. The results show that the precipitation of NbC during the heat treatment can play a role in pinning dislocation As a result, not only the structure is strengthened, but also the original austenite grain is refined. Also, the precipitation avoids the emergence of mixed crystal phenomenon. The thermal etching test can be a good show of the original austenite grain boundary, so as to observe the original austenite grain refinement .

chemical thermal etching; original austenite grain boundary; grain boundary allotriomorphic ferrite

2017-03-26。

孙海明(1984—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事电网材料技术监督与检测工作。

TG115.21+3

A

2095-6843(2017)03-0279-04