连杆心部组织中上贝氏体的消除方法

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。

5 结论

1)对于20CrMo材料，奥氏体化温度的高低会影响贝氏体的形态。

2)溶入奥氏体中的合金元素以及碳元素的含量是影响贝氏体转变的根本原因。

［1］ 刘宗昌，王海燕，任慧平，等.贝氏体铁素体形核长大的热激活迁移机制［J］.金属热处理2007，32(11):1－5.

［2］ 崔忠圻，刘北兴.金属学与热处理原理［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007:209.

［3］ 刘宗昌，任慧平 .贝氏体与贝氏体相变［M］.北京:冶金工业出版社，2009:75，273－275.