20CrMnTi钢和20钢奥氏体晶粒长大行为对比

2023-10-23张立文丁浩晨宋康杰

金属热处理 2023年10期

薛莉, 张立文, 丁浩晨, 张驰, 宋康杰

(大连理工大学材料科学与工程学院, 辽宁大连 116024)

低碳低合金钢在经过渗碳等热处理后具有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性,是制造汽车传动齿轮的重要材料之一[1]。渗碳钢通常在930 ℃左右进行渗碳处理,将渗碳温度升高到1000 ℃以上会大幅减少渗碳时间[2]。但是在高温加热过程中,奥氏体晶粒易发生晶粒异常长大的现象。目前控制晶粒尺寸的有效方法之一是向钢中添加Ti、Nb、V等元素,利用这些合金元素的析出相来细化晶粒[3-7]。20CrMnTi钢是我国制造汽车齿轮以及齿轮轴的常用钢种[1],它是在低碳钢的基础上添加合金元素Cr、Mn、Ti等,利用这些合金元素的特性来提高淬透性和降低晶粒度[8]。因此研究20CrMnTi钢和20钢高温加热保温过程中的晶粒长大规律对于保证产品质量有着重要的意义。

本文通过试验对比研究了20CrMnTi钢和20碳素钢在加热保温过程中的晶粒长大行为,研究了不同保温温度和不同保温时间下两种钢的晶粒尺寸大小,分析了合金元素的添加对晶粒长大的影响,并建立了奥氏体晶粒长大模型,以期望解析添加合金元素后20CrMnTi钢相较于20钢组织稳定性和晶粒尺寸优势,对20CrMnTi钢生产过程的晶粒尺寸控制提供指导。

1 试验材料与方法

本文采用某钢厂提供的热连轧后高温退火状态的棒材作为初始母材,其化学成分如表1所示。将材料加工成φ10 mm×15 mm的圆柱形试样,在Gleeble-1500热模拟试验机中以20 ℃/s的加热速度加热到设定的保温温度,分别为1000、1100、1200 ℃,在每个温度下分别保温0、30、60、180、300 s后迅速水淬至室温,以保留高温下的原始奥氏体组织形貌。将淬火后的试样沿中线剖开,经镶样、打磨、抛光后,用加入一定比例的浓盐酸和活性剂的饱和苦味酸溶液进行腐蚀处理,之后用Leica MEF4光学显微镜观察试样的原奥氏体晶界,并采用截点法统计平均晶粒尺寸[7]。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

2 试验结果与分析

2.1 保温温度对晶粒长大行为的影响

图1为20CrMnTi钢和20钢在不同温度下保温180 s的奥氏体晶粒组织形貌。可以看出,随着温度的升高,两种钢的晶粒尺寸都增大,但20钢的晶粒尺寸要明显大于20CrMnTi钢。这是由于20CrMnTi钢中加入了微合金元素,在钢中形成弥散分布的析出相粒子(如TiC,TiN等)起到了钉扎奥氏体晶界的作用,阻碍了晶界的迁移,从而起到了抑制晶粒长大的作用[9-10]。随着温度的升高,Ti元素在钢中的固溶度增加,使得第二相粒子的数量减少,晶界迁移的阻力减小,晶粒逐渐长大。而20钢中没有这样的合金元素来阻碍晶界的迁移,随着温度的升高,平均晶粒尺寸从50.8 μm增加到99.6 μm,奥氏体晶粒的粗化程度明显。可见Ti元素在加热过程中对奥氏体晶粒长大起到明显的抑制作用。

2.2 保温时间对晶粒长大行为的影响

图2为20CrMnTi钢和20钢在1200 ℃保温不同时间下的奥氏体晶粒形貌,图3为对应的平均晶粒尺寸变化曲线。从图2可以看出,20CrMnTi钢的晶粒都呈现均匀的等轴状,20钢的晶粒已经出现异常长大的晶粒。从图3可知,在保温过程的前60 s晶粒尺寸增加明显,60 s之后增长速度明显放缓。20钢的晶粒尺寸从63.5 μm增加到101.1 μm,晶粒粗化明显。与之相比,20CrMnTi钢的晶粒尺寸则由46.5 μm增加到67.8 μm,增加的幅度并不大。根据文献[10]可知,在1000～1200 ℃时,20CrMnTi钢中Ti元素在钢中固溶度并不高,主要以析出相的形式存在,能够起到抑制晶界的作用,使得20CrMnTi钢在保温后并没有出现异常长大的晶粒。

2.3 奥氏体晶粒长大模型

在上述的研究中,分别讨论了保温温度和保温时间对晶粒长大的影响。为了能够准确地描述出20CrMnTi钢和20钢的晶粒长大模型,就要同时考虑保温温度(T)、保温时间(t)和初始奥氏体晶粒尺寸(D0)的影响。本文采用同时考虑了加热温度和保温时间对晶粒长大影响的Sellars模型[11]:

(1)

式中:t为保温时间(s);T为保温温度(K);Dt为保温后晶粒尺寸(μm);D0为初始晶粒尺寸(μm);Q为晶粒长大激活能(J·mol-1);R为气体常数(8.314 J/(mol·K));n、A都是材料参数。

研究发现,不同的钢种以及组织状态的不同,材料的n、A、Q值都不相同。为了确定公式中的参数,先对公式(1)进行移项后两边取对数,得到公式(2):

(2)

由于公式(2)中有3个未知量A、n、Q,所以不能直接通过对变量进行线性拟合的方法求出这些变量的值。可以先假定n的值,再对试验值进行拟合得到相对应n值下的A和Q的值,并求出在此n值下的晶粒长大尺寸模型,将得到的晶粒尺寸计算值与试验得到的平均晶粒尺寸进行平均误差绝对值(AARE)计算,结果如图4所示,则AARE最小时对应的n值则为该模型的最佳n值。由图4可知,当n20CrMnTi=7.486,n20=5.628时,建立的晶粒长大模型与试验值误差最小。分别对20CrMnTi钢和20钢的ln(Dtn-D0n)和(-1/RT)进行拟合计算,得到对应的A和Q,进而得出晶粒长大模型,分别为:

图4 不同n值下试验钢的晶粒尺寸平均误差绝对值(AARE)拟合曲线(a)20CrMnTi钢;(b)20钢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钢的模型相关系数R=0.997,AARE=3.22%,20钢的相关系数R=0.987,AARE=6.88%。将该模型计算值同试验测量的奥氏体平均晶粒尺寸作比较,如图5所示,可见根据这两个模型得到的计算值都与试验值有着很好的吻合性,表明所建的模型可以很好地描述20CrMnTi钢和20钢的奥氏体晶粒长大行为。