20钢晶粒超细化工艺研究

张桂福

(四川省工业环境监测研究院，四川 成都 610041)

1 引言

细化晶粒是一种非常重要的钢的强韧化手段，这是固溶强化、第二项强化、形变强化等手段不可比拟的。因为它们在提高钢的强度的同时总是以牺牲钢的塑性和韧性为代价。为了使钢的综合力学性能既提高钢的强度、硬度又提高钢的塑性、韧性。本实验依据细晶强韧化的原理，采用快速加热循环淬火的热处理方法达到细化晶粒的目的，从而提高钢的综合力学性能[1-2]。

2 实验工艺方案

2.1 实验材料、设备及预备热处理工艺

实验使用Φ20 mm×25 mm的20钢圆柱体为研究对象，表1为20钢的化学成分。加热设备采用SRJX—8—13型高温电阻炉，额定功率8 kW，额定加热温度1350 ℃，控温精度±1 ℃，实际温度波动±10 ℃。实验预备热处理采用正火，正火温度920 ℃，保温时间20 min，空冷。

表1 20钢的化学成分

2.2 淬火加热温度

实验采用空气电阻炉加热。为了研究不同加热温度对奥氏体晶粒大小的影响。选择了正常淬火温度里的低、中、高三个温度。20钢的AC3温度为845 ℃[3]，实验选定的加热淬火温度为890 ℃、900 ℃和910 ℃。

2.3 淬火加热保温时间

由于试样的尺寸小、形状简单，为了迅速加热，采用到温入炉的装炉方式。

加热时间由工件“有效厚度”乘以加热系数确定，即：

τ=αKD[4]

(1)

式中：τ——保温时间，min；

α——保温时间系数，min/mm；

K——工件装炉方式修正系数；

D——工件有效厚度，mm。

根据文献[5]，对于空气电阻炉取α=1；试样平放在炉低，没有重叠和相互接触且装炉量很小，取K=1；对于圆柱型20钢棒，其有效厚度就是其直径20 mm；所以此试样的保温时间τ=αKD =1×1×20=20 min。在保证热透的前提下，为了研究保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响，最终确定为两个保温时间：18 min和 20 min。

2.4 淬火介质及循环次数

20钢的淬透性很差，即20钢在淬火时能获得马氏体组织的倾向很小。对于20钢来说，文献[5]推荐为水淬。这也是最为方便和廉价的淬火介质。

循环淬火使钢多次经历奥氏体化，每一次奥氏体化晶粒就被细化一次。虽然淬火循环次数越多，晶粒细化的程度越好，但当到达一定次数后淬火细化晶粒的效果逐渐减小。文献[6]表明循环次数为3～5次晶粒细化的效果最佳，所以本实验所选取的淬火循环次数为3～5次，试样的热处理参数见表2。

表2 试样的热处理参数

3 实验结果及分析讨论

表3为所有试样的检查结果，从表3中可以看出，20钢循环淬火超细化晶粒的最佳工艺参数为：淬火加热温度890 ℃，保温时间18 min，淬火次数4次。其得到的奥氏体晶粒大小将近7.0 μm，比原始组织的晶粒有明显的细化(见图1)，硬度为49.5 HRC。

表3 试验结果

3.1 淬火工艺参数对奥氏体晶粒尺寸的影响

3.1.1 淬火加热温度对奥氏体晶粒尺寸的影响

奥氏体的晶粒大小是由奥氏体化形核率和长大速度决定的。由图2可以看出，当温度达到890 ℃时，为奥氏体化的最佳温度，其晶粒度级别最高。

(a)原始组织(正火)

(b)890 ℃、18min、4次淬火后组织图1 晶粒大小(饱和苦味酸100 ml加8 ml红玫瑰洗洁剂，400×)

图2 淬火温度对晶粒度的影响

3.1.2淬火加热保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响

不同保温时间，奥氏体晶粒大小也不一样，晶粒的平均直径的增加服从以下经验公式[7]：

D=ktn

(2)

式中：D——晶粒平均直径；

t——加热时间；

k及n——是与材料与温度有关的常数。

从图3可以看出，随着保温时间的延长，奥氏体的晶粒度级别有减小的趋势。保温时间越长，奥氏体化时其晶粒就越大。在890℃，保温18分钟时，奥氏体的晶粒达到了最小，晶粒度级别最高。

图3 不同保温时间对晶粒度的影响

3.1.3 循环淬火次数对奥氏体晶粒尺寸的影响

淬火次数的增加，奥氏体平均晶粒直径越来越小。这是因为每一次加热淬火都要经历奥氏体化，在快速加热，短时保温的工艺下，每次奥氏体化晶粒就被细化。但图4显示，循环次数不是越多越好，它还与淬火的温度，保温的时间等有关。

3.2 循环淬火后的室温组织和性能的变化

3.2.1 冷却速度和室温组织的变化

当钢加热奥氏体化后，在随后的连续冷却过程中，冷却速度决定了室温下的组织。根据20钢的CT图，冷却过程中可能出现珠光体、贝氏体和马氏体。根据文献[2]，20钢在0～20 ℃的水中淬火其临界淬透直径为8 mm，本实验所采用的试样直径为20 mm，试样未被淬透。淬火时，试样从表层到心部的冷却速度是逐渐减小的，因而从表层到心部的组织也从马氏体转变到珠光体类组织。当钢的化学成分一定时，热处理工艺决定了钢内在的组织结构和外在的力学性能。马氏体的强度、硬度最高，塑性韧性最差，而平衡组织铁素体加珠光体恰恰相反。淬透性差是制约20钢及其它低碳钢使用范围，特别是对于大型或形状复杂的零件的最重要因素，也是本热处理工艺细化20钢奥氏体晶粒后仍然制约其力学性能大幅提高最大因素。20钢的含碳量很低，淬火可得到板条状位错型亚结构的马氏体，所以具有比较好的塑性和韧性。在此前提下，为了最大限度的提高20钢的强度和硬度，希望淬火得到低碳马氏体，并辅以低温回火，使20钢在回火马氏体的室温下使用。提高20钢的淬透性可以从以下几个方面着手：(1)采用相同含碳量的合金钢，这就要从力学性能、工艺性能和经济性等方面综合考虑确定；(2)采用冷却能力更大的淬火介质，如NaOH水溶液。

图4 淬火次数对晶粒度的影响

3.2.2 奥氏体晶粒大小和室温下组织大小的关系

通常，奥氏体晶粒越细小，其室温下的组织也越细小。此外，奥氏体晶粒大小还会影响钢在冷却时的转变特点。以珠光体转变为例，奥氏体越细，珠光体转变进行得越快。这是因为珠光体的形核位置是在奥氏体的晶界或晶界处的先共析相。珠光体的长大是受C原子通过γ/α及γ/Fe3C的扩散速度控制的[2]。奥氏体晶粒越细，晶界越多，就为珠光体的形核和长大提供了有利条件。长大速度越大，珠光体的片层间距越小，其机械性能也越高。同样，奥氏体晶粒大小也影响马氏体束、块或板条的尺寸大小。马氏体转变的切变性和变温形成、极速长达的特性，使得原奥氏体晶界细化马氏体束、块或板条的效果最明显。

4 结论

(1)本实验采用快速循环加热淬火细化晶粒的工艺对20钢晶粒进行细化，实验结果达到了预期的目的。20钢的细化效果最好的淬火工艺是：淬火加热温度：890 ℃，保温时间：18 min，循环次数：4次。经过处理后，20钢奥氏体平均晶粒直径细化了将近一倍。硬度提高到44～50 HRC 。

(2)高温时奥氏体晶粒越细小，其室温的组织也越细小。