球化退火对热轧渗碳钢渗碳淬火晶粒度的影响

文／沐桂萍，张立平，董义，杜桂霞·江苏太平洋精锻科技股份有限公司

球化退火对热轧渗碳钢渗碳淬火晶粒度的影响

文／沐桂萍，张立平，董义，杜桂霞·江苏太平洋精锻科技股份有限公司

通过金相显微分析方法，研究了等温球化退火对几种热轧低合金渗碳钢后序渗碳淬火晶粒度的影响。结果表明，等温球化退火可导致热轧低合金渗碳钢产生组织遗传，后序渗碳直接淬火后晶粒长大，产生混晶现象。

在冷精锻齿轮制造中，冷挤压成形齿轮因具有技术先进、生产效率高、齿面不需加工等优势得到进一步推广应用。为了便于冷摆辗、冷挤压成形，成形前要经过球化退火预处理，要求球化体级别4～6级。冷成形齿轮渗碳直接淬火后，晶粒粗大，表层马氏体及心部板条马氏体粗大，降低齿轮使用性能。以前也有研究认为导致晶粒粗大的是冷挤压变形工序，本文通过一些试验研究，发现球化退火工序是造成渗碳淬火后晶粒粗大的原因之一。

试验材料及方案

用于冷挤压成形齿轮的材料一般为20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H、16MnCr5等。为了分析造成晶粒粗大的工序，试验从原材料及球化退火工序开始，避开冷成形工序，试验分成两组：第一组是原材料（状态是热轧圆钢），下料制坯好的试样进行渗碳直接淬火处理；第二组试样经等温球化退火后进行渗碳直接淬火处理，为了比较，试验时两组试样渗碳淬火采用同样工艺，然后分别检测它们的晶粒度。

试验过程及结果

先将第一组规格为φ28mm×40mm，材质分别为20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H、16MnCr5的试件（制坯件）随炉渗碳淬火，渗碳淬火工艺为920℃保温300min→840℃保温30min→淬火+低温回火。试样经渗碳淬火回火后制样，用苦味酸溶液浸蚀，根据GB/T 6394-2009评定，晶粒度6～7级，见图1。

第二组试样球化退火在保护气氛无氧化等温连续炉内进行，工艺为：工件以2～3℃/min的速度升温至780℃并保温3～4h→较快降温至（690±10）℃等温4～5h→随炉降温至200℃出炉，球化退火后的球化体级别为5～6级，如图2所示。

第二组试样经球化退火后再随炉渗碳淬火回火，工艺与第一组一样。渗碳淬火回火后制样，用苦味酸溶液浸蚀，根据GB/T 6394-2009评定，晶粒粗大，1～6级混晶，不合格。各试样晶相组织见图3。

图1 原材料渗碳淬火后晶粒度评级

图2 球化退火后组织

试验结果汇总如表1所示。

试验结果分析

20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H、16MnCr5、SAE4320H均属本质细晶粒钢，本质细晶粒钢随着奥氏体化温度升高，奥氏体晶粒长大缓慢；在930℃保温3～8h，得到的奥氏体晶粒未显著长大，奥氏体晶粒度为5～8级。通过以上试验可以看出，原材料奥氏体晶粒均为6级，渗碳直接淬火后晶粒未有显著长大，仍为5～6级；在经过球化退火后，在以后的不足以使晶粒长大的渗碳淬火过程中，晶粒发生了迅速长大，说明球化退火过程是后序渗碳淬火晶粒长大的影响因素。

为了找到晶粒长大的根本原因，需要引入组织遗传理论，即组织遗传首先与原始组织有关，同一钢种的贝氏体组织较马氏体组织更倾向于组织遗传，原始组织为魏氏组织的钢再次加热时也容易出现组织遗传。渗碳齿轮钢在锻造时变形不均匀及高温停留时间长，往往造成晶粒粗大且不均匀，热轧锻后冷却过程中产生大量针状贝氏体（魏氏体） （见图4） ，这类非平衡组织再度加热奥氏体转变时，新相既可生成针状奥氏体，亦可生成球状奥氏体，或混合奥氏体，如果生成针状奥氏体便会产生组织遗传，使今后再次加热转变时恢复原来粗大的奥氏体晶粒。有试验表明非平衡组织在≤2～3℃/min的速度加热到Ac1～Ac3区间时易形成针状奥氏体，造成组织遗传；组织遗传与原始组织有关，这类非平衡组织再度球化退火加热到Ac1～Ac3区间，未完全奥氏体转变时，新相保持了原针状铁素体位向，生成针状奥氏体，这些针状奥氏体与马氏体之间有严格的位向关系（K-S关系），很容易合并长大，如原来奥氏体是粗大的晶粒组织便会产生组织遗传。

生产中球化退火装炉量大，加热速度较慢，一般为2～3℃/min 。为了提高加热速度，又试验较快加热速度下球化退火，用12kW箱式炉单独试验20CrMnTiH及20CrMoH原材料，试样规格φ30mm×15mm，以8～10℃/min的加热速度升温到780℃并保温1h，然后降温至680℃等温4h，随炉降温到200℃出炉，球化体级别2级，球化退火后的试样再随炉渗碳淬火回火，工艺同前。检测渗碳淬火回火后试样，晶粒还是有长大，产生混晶现象，见图5。

表1 试验结果汇总

图3 球化退火后+随炉渗碳淬火回火后晶相组织

图4 20CrMoH热轧钢原始组织

综合以上试验，球化退火后，后序渗碳淬火回火晶粒长大产生混晶是因为在Ac1～Ac3区间加热时保持了原热轧原材料内贝氏体中针状铁素体位向，生成针状奥氏体产生组织遗传所致。

图5 快速球化退火+渗碳淬火后晶相组织

图6 球化退火+渗碳一次加热淬火后晶粒

图7 试样经球化退火后再正火组织

图8 试样经球化退火成形+正火+渗碳直淬后晶粒等级

问题解决方法

⑴改渗碳直接淬火为渗碳一次加热淬火。

将球化退火后晶粒粗大的20CrMoH、SAE8620H试样采用渗碳中间冷却再次加热奥氏体化淬火、回火的工艺，出炉后检测晶粒度7级合格，见图6。

⑵球化退火成形后的工件再进行一次正火处理。

将球化退火后的20CrMnTiH、SAE8620H试件，随等温正火线进行等温正火，正火工艺为：加热温度930℃，等温温度580～600℃，得到如图7所示的等轴珠光体与铁素体。然后将正火后的试件随炉渗碳直接淬火，工艺与第一组试验件一样，出炉后检测晶粒度等级为6级、7级，合格，见图8。

结论

通过球化退火与未球化退火的两组试件试验，可以得出，非平衡组织的热轧钢冷挤压成形前球化退火导致热轧钢产生组织遗传改变了本质细晶粒钢的特性，使其在后序渗碳直接淬火时晶粒长大粗化。

冷成形钢晶粒粗大的问题可以采取以下办法改善：⑴改渗碳直接淬火为渗碳后一次加热淬火；⑵冷成形后增加一次等温正火，或正常奥氏体化退火处理获得结晶学无序组织F+P，后序渗碳直接淬火。