20CrMo钢不同速率分段加热奥氏体化

王志明 韩维雪 江 雁 杨 凯 代孟强 黄贞益

（1.南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 211500；2.安徽工业大学冶金学院，安徽 马鞍山 243000）

近年来，我国汽车行业发展迅速，对齿轮钢的需求量增大，主要为20CrMnTi钢。但该钢质量不稳定，热处理畸变较大［1］。20CrMo等CrMo系钢的应用也较广泛，主要用于中型汽车的变速齿轮和轻型汽车的后桥主、被动齿轮等［2］，其力学性能和淬透性较好，热处理畸变较小，脆断抗力较高［2-4］，生产中确保20CrMo钢的淬透性、纯净度和晶粒度非常重要。钢的淬透性主要取决于化学成分，此外晶粒度主要通过热处理控制［5］。在渗碳过程中，20CrMo钢晶粒小于或等于6级才能确保齿轮的疲劳寿命达到要求［4-5］。可通过模拟加热炉分段加热来分析20CrMo钢的晶粒长大倾向，研究以不同速率加热的钢的晶粒尺寸和均匀性。郭吉惠等［5］的研究表明，20CrMo钢在950℃以下温度渗碳时，奥氏体晶粒较细。本文研究了20CrMo钢中铁素体和珠光体转变为奥氏体的过程，分析了以不同速率加热时奥氏体的形成温度，并结合J-M-A方程预测了奥氏体形成温度。

1 试验材料及方法

试验材料为20CrMo钢连铸坯，其化学成分如表1所示。

表1 试验用20CrMo钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the 20CrMo steel for testing （mass fraction） %

采用DIL 805A热膨胀仪测定20CrMo钢在连续加热奥氏体化过程中的膨胀量。试样尺寸为φ4 mm×10 mm，表面粗糙度为0.8，两端面平行。首先以100℃/s的速率将试样加热到600℃，然后以60℃/min的速率加热到700℃，再分别以20、30、40、50、100、180 ℃ /min 的速率加热至1 200℃（1 473 K），使钢奥氏体化。随后以50℃/s的速率冷却至室温，自动记录试验的时间、温度、试样膨胀量。采用激光共聚焦显微镜原位观察组织，试样尺寸为φ7 mm×4 mm，上下表面抛光且平行。分段加热工艺为：以30℃/s的速率将试样从室温加热至600℃，然后以3℃/min的速率加热至700℃，再以15℃/min的速率加热至940℃，最后以9℃/min的速率加热至1 200℃，保温3 min后冷却至室温。

2 试验结果与分析

图1为20CrMo钢连铸坯的显微组织，为铁素体和珠光体。因连铸坯截面较大，为非平衡结晶，因此组织不均匀，部分珠光体较粗大。如图1（b）所示，高倍下能明显看到黑色铁素体和白色珠光体边界，且珠光体片层细密。

图1 铸态20CrMo钢的光学（a）和扫描电子显微（b）图像Fig.1 Optical（a）and scanning electron （b）micrographs of the as-cast 20CrMo steel

2.1 连续加热过程中钢的热膨胀特性

加热过程中20CrMo钢的珠光体和铁素体将转变为奥氏体，可通过试样的热膨胀量来进一步说明组织转变过程。

图2（a）为采用热膨胀仪测定的20CrMo钢的热膨胀量随加热温度的变化，加热速率为180℃/min。图2（b）为图2（a）的微分曲线，通过该微分曲线可准确界定钢在连续加热过程中可能发生的组织转变及其所对应的温度和相变速率。

由图2可以看出，20CrMo钢在连续加热过程中的组织转变大致可以分为三个阶段：第一阶段为珠光体转变为奥氏体，温度约为730～770℃；第二阶段为珠光体和铁素体完全转变为奥氏体，温度约为860～890℃；第三阶段为奥氏体成分均匀化，温度约为890℃以上。如图2（b）所示，钢在600～700℃的膨胀率变化很大，这是由于热模拟试验为分段加热，在600～700℃的加热速率变化较大。由图2（a）可知，加热速率变化较大的区域有明显阶梯，对斜率影响较大，但不影响试验结果。

图2 以180℃/min速率加热的过程中20CrMo钢的膨胀量（a）和膨胀率（b）的变化Fig.2 Variations in expansion amount（a）and expansion rate（b）of the 20CrMo steel during heating at rate of 180℃/min

由图2（a）可知，以180℃/min的速率加热至700～1 000℃，钢的热膨胀曲线出现明显的拐点，说明有相变发生。20CrMo钢在连续加热转变的第一阶段（TB至TC段），随着温度的升高，膨胀量曲线下降。由文献［6］可知，与珠光体（P）、铁素体（F）、马氏体（M）和贝氏体（B）相比，奥氏体的比体积最小，因此上述任何组织转变为奥氏体均会发生体积收缩，表现为膨胀量显著减小。由图2（b）可知，770℃左右为珠光体转变为奥氏体的开始温度，因珠光体转变为奥氏体为扩散型相变，为减小相变阻力，奥氏体为非均匀形核。在奥氏体形成的开始阶段，非均匀形核点多，膨胀率下降明显。随着温度的升高，已形成的奥氏体长大且成分均匀化，因而形核率降低。当温度升高体积膨胀量与奥氏体形成体积缩小量相等时，到达最低点TC；随后奥氏体的形成速率减小，膨胀率递增，达到最大值时到达TD点，珠光体和铁素体完全转变为奥氏体，第二阶段结束，温度为889℃，钢已完全奥氏体化；其后进入第三阶段即奥氏体成分均匀化阶段。

如上所述，20CrMo钢在连续加热过程中，随着温度的升高，依次发生了珠光体转变为奥氏体、铁素体转变为奥氏体及奥氏体成分均匀化。随着温度的升高，奥氏体形成量增加，某一温度下奥氏体形成量可用杠杆定律求得，如图3（a）所示。图3中c点为从某一温度作垂线与膨胀量变化曲线的交点，a点为奥氏体转变开始点的切线与c点垂线的交点，b点为连续加热奥氏体转变结束点的切线与c点垂线的交点，ac段表示已形成奥氏体，bc段表示未转变为奥氏体的部分。

根据杠杆定律，奥氏体形成量（体积分数/%，下同）可由以下公式求得［6］：

由此得到图3（b）所示的奥氏体形成量与温度的关系曲线。从763℃开始形成奥氏体，奥氏体形成量随温度提高而增加；当达到884℃左右时，组织几乎完全为奥氏体。图3（b）表明，奥氏体转变速率的变化不大，平均约为1%/℃。随着温度的升高，奥氏体较变速率先增大，达到一定值后趋于稳定，当温度达到850℃左右时，又随着温度的提高而减小至0，奥氏体化结束。

图3 20CrMo钢奥氏体膨胀率变化的图解（a）和以50℃/min速率连续加热时奥氏体形成量及转变速率随温度的变化（b）Fig.3 Illustration of change in austenite expansion rate（a）and variation of amount and transformation rate of austenite with temperature during continuous heating at rate of 50℃/min for the 20CrMo steel

图4为20CrMo钢以20、40、50和180℃/min的速率分段加热至1 200℃时的膨胀量、膨胀率、奥氏体形成量和较变速率随温度的变化曲线。由图4可知，随着加热速率的增大，膨胀量曲线向上平移，奥氏体转变的开始和结束点均向高温区移动，且在600～700℃的膨胀率变化很大。

图4 以不同速率连续加热过程中20CrMo钢的膨胀量（a）、膨胀率（b）、奥氏体形成量（c）和转变速率（d）随温度的变化Fig.4 Variation of expansion amount（a），expansion rate （b），amount（c）and transformation rate（d）of austenite in the 20CrMo steel during continuous heating at different rates

图4（c）所示的奥氏体形成量随温度的变化进一步表明：连续加热速率提高，奥氏体形成的过热度提高，奥氏体转变的开始和结束温度均提高；连续加热速率提高，曲线向右移动，结合图4（d）中曲线可进一步说明，奥氏体转变速率大致为0～2%/℃，且以不同速率加热的钢的奥氏体转变速率均有如图3（b）所示的变化规律。

20CrMo钢加热过程中的组织转变属于扩散型相变，奥氏体的形核和长大主要依靠原子的长程扩散。随着连续加热速率的提高，原子不能充分扩散，相变被推迟到更高温度。温度的提高将导致奥氏体的形核点减少、形核率减小，因而以较低速率缓慢加热时奥氏体的转变速度明显较快，较高温度下奥氏体的转变速率比在较低温度下的小。

2.2 等温奥氏体化动力学曲线

根据2.1节的分析结果可得到以不同速率加热的20CrMo钢的奥氏体膨胀曲线，基于连续变温相变动力学得到等温奥氏体化动力学曲线，并与试验结果对比，分析其准确性。等温固态相变过程通常可采用Johnson-Mehl-Avrami（J-M-A）方程描述［7-8］：

式中：Q为相变激活能；n为J-M-A指数；k0为指前因子，是决定于材料及相变类型的常数；R为气体常数；T为热力学温度；t为相变时间；f为新相体积分数。

对于非等温相变过程，式（3）中β可通过积分或对离散的微小时间步求和获得：

式中：Δt表示时间步长；Ti表示第i步的温度；m表示增量步的数量。

先确定奥氏体化的相变激活能，再计算出奥氏体化动力学参数n和k0。相变激活能可用Kissinger方法计算：

根据相关文献，采用固定相变量的温度Tf代替Tm。根据转变量曲线的特点可用T50%代替Tm。

表2是以不同速率加热的20CrMo钢中形成50%奥氏体所对应的温度。根据式（6），以为y轴，1/T50%为x轴作图，两者存在线性关系，斜率为Q/R。用Origin软件拟合得到的直线斜率为7.233 78×104，如图6所示。已知气体常数R ＝8.314 J/（mol·K），因此20CrMo钢的相变激活能Q为6.014×105J/mol。

表2 以不同速率加热的20CrMo钢中形成50%奥氏体所对应的温度Table 2 Temperatures corresponding to the time of 50% austenite forming in the 20CrMo steel heated at different rates

图6 与1/T50%的线性拟合Fig.6 Linear fitting of －lnand 1/T50%

将式（1）移项取对数得：

以ln［ln （1/（1 －f））］为y 轴，ln（β/k0）为x轴作图，如图7所示，通过Origin线性拟合得到斜率和截距，即n和nlnk0。具体数值如表3所示。

表3 拟合的以不同速率加热的20CrMo钢的J-M-A相变动力学参数Table 3 Fitted kinetic parameters of J-M-A phase transition for the 20CrMo steel heated at different rates

图7 ln［ln（1/（1 －f））］与ln（β/k0）关系的拟合曲线Fig.7 Fitted charts relating ln［ln（1/（1 －f））］and ln（β/k0）

通过积分来计算未知参数β，过程较为繁琐，因对精度要求不高，可用近似方法求得，忽略高阶无穷小项，得：

已知Q、n和k0后，采用J-M-A方程计算出不同温度下钢的等温奥氏体化动力学曲线，如图8所示。根据图8计算的完全奥氏体化的时间如表4所示。由等温奥氏体化动力学曲线可知，加热至1 133 K以上温度时，奥氏体形成较快，在100 s内可完全奥氏体化；在低于1 093 K的温度，奥氏体形成时间显著增加。在低于1 053 K的温度下，10 000 s内未完全奥氏体化，根据上述等温奥氏体化动力学曲线和奥氏体体积分数随温度的变化曲线，可较准确地预测20CrMo钢加热过程中的组织形成，并通过高温显微组织的实时观察来验证。

图8 20CrMo钢的等温奥氏体化动力学曲线Fig.8 Isothermal austenitizing kinetic curves for the 20CrMo steel

表4 20CrMo钢在不同等温温度完全奥氏体化所需的时间Table 4 Durations required for completely austenitizing at different isothermal temperatures for the 20CrMo steel

2.3 连续加热过程组织转变特征

如上所述，20CrMo钢在从室温加热到1 200℃过程中，珠光体、铁素体将转变为奥氏体和奥氏体成分均匀化，可通过观察加热态组织来验证。本文采用激光共聚焦显微镜［9-10］检测了20CrMo钢加热过程中的组织变化，以验证采用热膨胀分析法对以一定速率连续加热过程中金属材料组织转变的动力学分析的正确性。

图9为φ7 mm×4 mm的20CrMo钢试样先以较快速率加热至600℃，再以9℃/min的速率加热至1 200℃的过程中的组织。当加热至约71℃时，红外集光成像加热的热蚀作用较小，不能显示出试样的组织特征，相当于室温未腐蚀的组织。当加热到约630℃时，热蚀作用增大，晶界逐渐显现。由2.1节的分析可知，该热蚀组织为铁素体和珠光体，晶界为铁素体与珠光体晶界。高温下20CrMo钢的铸态组织粗细不均匀，有细晶区和粗晶区，大多不是等轴状。当加热到700℃后，晶界清晰，有明显的大晶粒，还有一些黑点和短棒状黑斑，这主要是真空度较低而产生的热蚀。

图9 20CrMo钢在连续加热至低于相变温度的过程中的显微组织特征Fig.9 Microstructure characteristics of 20CrMo steel during continuous heating to temperatures below transformation temperature

由图4（c）所示的奥氏体体积分数随温度的变化可知，9℃/min加热速率下的奥氏体形成动力学曲线，应位于图4（c）所示的20℃/min加热速率的黑色曲线左边，又因加热较慢，其奥氏体开始形成温度接近但低于730℃，且完全奥氏体化的温度接近但低于870℃。由图10可知，在接近803℃才能观察到晶内的白色奥氏体晶界，且多数为大晶粒，因此可以断定大晶粒可能是珠光体。对比图4（b）和图10还可以看出，采用热膨胀仪测定的等温奥氏体化动力学曲线各阶段对应的时间与采用激光共聚焦显微镜观察到的组织形成时间有差异，这主要与宏观观察不够准确有关。

图10 20CrMo钢在连续加热至不同温度时的奥氏体晶粒Fig.10 Austenite grains in the 20CrMo steel continuously heated to different temperatures

当加热到831℃时，大晶粒内有奥氏体形成。当温度达到860℃时，部分原晶界消失，新形成的奥氏体晶粒均匀细小，呈等轴状。加热至910℃时，奥氏体化完成，比图4（c）所示的870℃约高50℃。加热至1 000℃时，晶粒最细小。

图11为成分均匀化阶段的奥氏体形貌。当加热到1 000℃时，奥氏体成分均匀化的同时晶粒也长大。从1 000℃升高到1 168℃，晶粒明显长大，在1 200℃仅有隐约可见的残留晶界，奥氏体晶粒长大了10倍以上。20CrMo钢在1 150℃左右晶粒最细小，超过1 170℃，晶粒迅速长大。因此，加热温度低于1 170℃并适当提高加热速率，可有效改善奥氏体晶粒的不均匀性。实际生产中，在奥氏体均匀化前应降低加热速率。

图11 连续加热过程中20CrMo钢的均匀化奥氏体Fig.11 Homogenized austenite in the 20CrMo steel during continuous heating

3 结论

（1）20CrMo钢珠光体开始转变为奥氏体的温度约为730～770℃；珠光体和铁素体完全转变为奥氏体的温度约为860～890℃；奥氏体成分均匀化的温度约在890℃以上。随着加热速率的增大，奥氏体开始形成和完全奥氏体化的温度提高。温度的提高将导致奥氏体的形核点减少、形核率降低。

（2）根据J-M-A方程，由连续加热奥氏体数据计算的激活能Q＝6.014×105J/mol，相变参数n＝0.607 477，ln k0＝62.442 15。根据这些参数获得钢的奥氏体等温形成动力学曲线，得出温度高于1 073 K需1 000 s才能完全奥氏体化。

（3）20CrMo钢的铸态组织为铁素体和珠光体；加热到约631℃时仍可以看到常温组织晶界；温度提高到约831℃时，热蚀作用明显，可看出白色奥氏体晶界；之后奥氏体晶粒长大形成等轴状；高于1 100℃，晶粒迅速长大。