锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大及力学性能的影响

2022-03-16，，，，，

金属热处理 2022年2期

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(1. 江麓机电集团有限公司，湖南湘潭 411100； 2. 湘潭大学材料科学与工程学院，湖南湘潭 411105)

20Cr2Ni4A钢是一种具有较高强度的合金钢，因其具有较好的综合力学性能，可作为高载荷、耐冲击齿轮钢应用于各种大型齿轮传动件[1]。而在现有的锻造及热处理加热过程中，20Cr2Ni4A钢奥氏体易于粗化且因为组织遗传等原因，造成钢件晶粒等级难以达到国外的水平(至少7级)[2]。合适的锻造加热温度可以保证锻造后的钢件具有细小且均匀的晶粒。在以往关于20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大规律的研究中，主要考虑保温温度及保温时间对晶粒度的影响，结果表明：保温阶段晶粒长大以扩散机制为主，不同阶段原子扩散方式不同，对应的经验模型常见的有Beck模型[3-4]、Hillert模型[5]及Sellars 模型[6]。锻造20Cr2Ni4A钢件时，保温结束后进行镦粗拉拔，钢件经变形后奥氏体晶粒度会发生明显变化，截止目前，其变化规律尚不清楚。因此在变形量相同的条件下，研究锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒的影响，探究锻造后20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒的长大规律具有重要意义。

本文系统地观测了相同变形条件下不同锻造加热温度、不同保温时间对应的20Cr2Ni4A 钢锻后奥氏体晶粒大小，在此基础上优选出最优锻造加热温度，并研究了不同锻造加热温度对20Cr2Ni4A 钢力学性能的影响，为20Cr2Ni4A 钢制造大型齿轮制定合理的锻造工艺提供了一定研究基础。

1 试验材料及方法

试验所用20Cr2Ni4A钢的原始成分检测结果如表1 所示，结果表明，试验所用材料满足GB/T 3077—2015《合金结构钢》对20Cr2Ni4A钢化学成分的要求，本质晶粒度为6级，如图1所示。锻造参数见表2，合金经不同加热工艺锻造后，进行相同的淬火处理。淬火工艺为900 ℃×60 min油冷，淬火油为MT355油，淬火前油温恒定为(60±2) ℃。淬火后的金相试样尺寸为15 mm×15 mm×15 mm，采用饱和苦味酸腐蚀晶界，利用OLYMPUS-GX71光学显微镜进行晶粒形貌观察，并依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》采用截点法对试样晶粒度进行评级。对不同状态样品的平均晶粒尺寸统计时发现，采用人工测量晶粒尺寸的方法误差较大。因此，在晶粒度评级后参照GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》，根据晶粒度级数与晶粒尺寸的关系表间接得到平均晶粒尺寸大小；参照GB/T 230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》，用华银洛氏硬度计测定洛氏硬度；参照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》加工拉伸试样，在万能拉伸试验机上测定不同锻造加热温度下试样的拉伸性能。

表1 20Cr2Ni4A钢的化学成分(质量分数，%)

图1 20Cr2Ni4A钢原材料晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of the 20Cr2Ni4A steel raw material

表2 锻造工艺参数

2 锻造加热温度及保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响

20Cr2Ni4A钢在不同锻造加热温度和保温时间下锻造后的奥氏体平均晶粒尺寸如表3 所示。根据图2可知，在保温时间相同，锻造加热温度不同的条件下，锻造后的奥氏体晶粒尺寸随锻造加热温度的升高呈指数规律长大。顾亚桃等[2]在研究渗碳温度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大规律的影响时发现，随温度升高和时间延长，晶粒呈长大趋势。当锻造温度低于1150 ℃时，锻造后的晶粒尺寸增长趋势较为缓慢，当温度超过1150 ℃时，锻造后的晶粒尺寸增长较快。然而根据图3中晶粒尺寸与保温时间的关系可知，并没有出现晶粒尺寸陡增的现象。不同锻造加热温度对应的晶粒形貌如图4所示，很明显1200 ℃下的晶粒粗化程度更大。其原因归结为：当锻造温度低于1150 ℃时，20Cr2Ni4A钢中的第二相粒子能够有效抑制奥氏体晶界的迁移从而阻碍晶粒长大，此时，第二相粒子对于温度的变化不敏感；当温度达到1200 ℃时，第二相粒子因温度过高而溶解于基体，奥氏体晶界迁移阻力减小，晶粒迅速增大。相同锻造加热温度、不同保温时间下，锻后20Cr2Ni4A钢的晶粒形貌如图5所示，随着保温时间延长，晶粒逐渐粗化。由此可以推断出，锻造加热温度(1050～1200 ℃)和锻造保温时间(40～120 min)均影响20Cr2Ni4A钢的晶粒度，但锻造加热温度对晶粒度的影响要大于保温时间。为了保证锻造后钢件能够获得足够细小的晶粒，在20Cr2Ni4A钢热锻加工时必须确定合适的锻造加热温度及保温时间。

表3 20Cr2Ni4A钢在不同锻造加热温度和保温时间下的平均奥氏体晶粒尺寸(μm)和等级

图2 锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒平均尺寸的影响Fig.2 Effect of forging temperature on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

图3 保温时间对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒平均尺寸的影响Fig.3 Effect of holding time on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

3 锻后奥氏体晶粒长大动力学模型

通常情况下奥氏体的晶粒粗化过程受原子扩散、晶界迁移等多种因素的影响。其中以奥氏体晶界迁移为主，而奥氏体化过程中温度又是主要影响因素之一，温度升高促进原子扩散，从而提高晶界迁移速率，促使奥氏体晶粒粗化[7]。因此，锻造加热温度和保温时间是影响奥氏体晶粒长大的关键因素。其次，锻造变形量也是影响奥氏体晶粒长大的关键因素之一。不同于传统只考虑温度、时间对奥氏体晶粒长大的影响，锻造过程中发生的变形对奥氏体晶粒的长大也是一个不可避免的因素。董芳[8]研究发现，钢件锻造时部分区域变形量大，会出现区域性的应力集中，使得第二相粒子的析出不均匀，从而对晶粒度产生影响。另外，大变形产生的织构会导致各晶粒的受力不均匀，也会使第二相粒子不均匀析出，从而影响晶粒长大。尝试通过Beck方程描述锻后奥氏体晶粒尺寸与保温时间、锻造加热温度间的关系，了解锻后奥氏体晶粒长大规律，如式(1)所示：

图4 锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒形貌的影响(保温40 min)Fig.4 Effect of forging temperature on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (held for 40 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

图5 保温时间对20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒形貌的影响(1150 ℃锻造加热)Fig.5 Effect of holding time on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (forged at 1150 ℃)(a) 40 min; (b) 60 min; (c) 80 min; (d) 120 min

(1)

式中：D为平均尺寸，μm；K为生长速率；t为时间，s；n为晶粒生长指数。对式(1)两边取对数得到式(2)：

lnD=lnK+nlnt

(2)

根据表3试验数据，利用式(2)经过线性回归处理得到lnD-lnt关系见图6。

图6 20Cr2Ni4A钢Beck方程lnD与lnt的关系曲线Fig.6 Relationship curves of lnD-lnt of Beck equation of the 20Cr2Ni4A steel

由图6可知，20Cr2Ni4A钢在变形量相同的条件下，不同锻造加热温度锻造后的奥氏体晶粒长大规律仍然与Beck方程吻合，图6中各直线的斜率对应晶粒生长指数，如表4所示。

表4 Beck模型分析结果

对式(2)变形后可得式(3)[9-11]：

(3)

式中：Q为激活能，J/mol；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为温度，K；K为晶粒生长速率；K0为常数。

将表4分析结果代入式(3)得到lnK-1000/T关系曲线，如图7所示。值得注意的是，在温度达到1200 ℃时，晶粒度生长指数n及lnK值与其它温度下的值相比波动较大，在图7中呈离散分布，而其他3个点呈线性分布，这不同于传统加热温度、时间对奥氏体晶粒度的影响。因为在锻造加热过程中还必须考虑到，锻造合金钢奥氏体晶粒度可能还和晶粒长大机制、溶质原子数量与尺寸、第二相粒子钉扎、锻造变形程度及温度梯度等相关。合金钢锻造时通常选择高温始锻，此时可锻性也许最好，但这个温度建立在奥氏体急剧长大之前[12]。在这里对上述结果出现离散点给出一种可能的解释，即锻造加热温度超过1150 ℃时，第二相粒子开始大规模溶解并造成奥氏体晶粒的普遍急速长大。因此在对上述曲线拟合时，只选择1150 ℃及以下温度的点，而超过1150 ℃可能不符合Beck模型描述的晶粒长大的规律。1150 ℃及以下的不同锻造加热温度下锻后20Cr2Ni4A钢奥氏体晶粒长大激活能为9345.77 J/mol，K0=14.97；根据计算数据可以确立锻后20Cr2Ni4A钢在锻造加热温度处于1050～1150 ℃之间的奥氏体晶粒长大Beck方程为：

(4)

根据式(4)对比20Cr2Ni4A钢在1050、1100、1150 ℃锻造加热温度下保温不同时间后平均奥氏体晶粒尺寸的计算值和实测值后发现，二者吻合度较好，偏差较小，而1200 ℃锻造加热温度下平均奥氏体晶粒尺寸实测值与计算值偏差较大，如图8所示。

图7 20Cr2Ni4A钢lnK与1000/T的关系曲线Fig.7 lnK-1000/T curve of the 20Cr2Ni4A steel

图8 20Cr2Ni4A钢在不同锻造加热温度下保温不同时间后平均奥氏体晶粒尺寸的计算值与实测值Fig.8 Effect of forging temperature and holding time on calculated and measured values of average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

由此可以得知，在相同变形量的条件下，锻后20Cr2Ni4A钢晶粒度与锻造加热温度(低于1150 ℃)及保温时间的关系仍能通过Beck模型来描述。根据试验结果分析可知，当锻造加热温度在1150 ℃以下时，锻后晶粒较为均匀，且1050、1100及1150 ℃锻后晶粒度等级差距较小，而当锻造加热温度超过1150 ℃时，晶粒粗化加快明显。不同于常规温度及保温时间对晶粒度的影响，当锻造加热温度高于1150 ℃，影响锻造20Cr2Ni4A钢晶粒度的因素还应考虑第二相粒子的大量溶解及钢件的变形。由图2、图3结果可知，当锻造加热温度处于1150～1200 ℃时，晶粒度等级出现较大波动。另外考虑到锻造时的可锻性问题，当温度过低时锻造不充分可能出现部分晶粒未破碎，造成锻造晶粒尺寸不均匀，如图4所示。因此在制定热锻工艺时，相同变形条件下，尽量将锻造加热温度控制在1150 ℃附近。

相较于锻造加热温度，保温时间对晶粒度的影响要稍小，图3给出的奥氏体晶粒尺寸随保温时间的变化显示并没有出现较大波动。根据图5晶粒形貌可知，保温60 min后锻后20Cr2Ni4A钢的晶粒尺寸更均匀。因此，在制定锻造工艺时锻造加热温度应尽量保持在1150 ℃左右，保温时间控制在60 min左右。在保持可锻性的条件下拥有较小的晶粒尺寸，可以得到优良的力学性能。

4 锻后20Cr2Ni4A钢的力学性能

将20Cr2Ni4A钢分别在1050、1100、1150及1200 ℃锻造加热温度下保温60 min后采用一镦一拔的工序进行锻造，尽量使其变形量相同。对锻造后的试样进行热处理并测试其力学性能。

图10 不同锻造加热温度下锻后淬火态20Cr2Ni4A钢的拉伸断口形貌(保温60 min)Fig.10 Effect of forging temperature on tensile fracture morphologies of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

4.1 锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢硬度的影响

图9为20Cr2Ni4A钢不同加热温度锻造淬火后的硬度对比，由图9可知，不同锻造加热温度下20Cr2Ni4A钢淬火后的硬度分别为43.5、42.5、42、37 HRC。其中1200 ℃对应的硬度值最小，而低于1200 ℃硬度变化则相差不大，这与Beck方程描述的结果相一致。这说明锻造加热温度对锻后20Cr2Ni4A钢晶粒度的影响使其硬度发生了变化，在制定锻造工艺时，锻造加热温度应该尽量小于1200 ℃。

图9 锻造加热温度对锻后淬火态20Cr2Ni4A钢硬度的影响(保温60 min)Fig.9 Effect of forging temperature on hardness of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)

4.2 锻造加热温度对20Cr2Ni4A钢拉伸性能的影响

图10为20Cr2Ni4A钢在不同锻造加热温度下锻后淬火态试样的断口形貌。由拉伸试验结果(见表5)可以发现，当锻造加热温度低于1150 ℃时，试样的断面收缩率变化不明显，韧窝大小相近，但在1050、1100 ℃锻造加热温度下，部分区域有大韧窝出现，这可能是由于较低锻造加热温度下锻造不均匀造成的。当锻造加热温度达到1200 ℃时，断面收缩率有明显的升高，韧窝尺寸明显变大，这可能是因为锻造加热温度升高至1200 ℃，晶粒迅速粗化引起的。考虑到可锻性问题，综合对比各项数据发现，锻造加热温度为1150 ℃时锻造性能更好。