汽车齿轮用渗碳钢20MnCr5晶粒度的影响因素

供稿|李润霞，喻书赢，王宇

渗碳钢20MnCr5用作汽车齿轮等传动零件需要对齿轮表面要经过表面渗碳和淬火处理，以得到硬的表面和韧的心部，最终获得优异的耐磨性能和疲劳强度。传统的渗碳温度一般在870～980 ℃，提高渗碳温度可以增加渗碳层厚度，缩短渗碳时间，从而提高生产效率。本文研究的零件淬火处理温度高(930 ℃)且渗碳时间长(3～6 h或更长)，该条件下奥氏体晶粒长大的倾向明显，易出现晶粒粗大或混晶现象。若齿轮渗碳淬火后出现严重的混晶现象，会使得齿轮淬火变形和开裂倾向增大，同时结构强度显著降低，引起应力集中，容易造成齿轮脆性断裂。钢材的奥氏体晶粒出现混晶，可通过微合金工艺对钢材晶粒进行改善。通过添加微合金元素(如Nb、Al等)可以抑制晶粒长大，细化渗碳层组织，从而提高力学性能，尤其是抗疲劳性能。Nb具有很强的晶粒强化效果，目前已成为国际上在渗碳过程中防止晶粒粗化的主要元素。钢材的晶粒越细小钢材的性能越好，细晶钢可以有更高的强度与韧性，从而提高重载齿轮钢的疲劳性能[1-3]。

向20MnCr5齿轮钢中添加不同含量的铝、氮和铌元素，并对比在相同热处理工艺下不同炉次的晶粒粗大趋势，结果表明钢中的Al/N值和Nb元素的含量对奥氏体晶粒有重要影响，因而确定炼钢过程中控制Al/N值和Nb的添加量，可满足汽车齿轮钢在高温长时间渗碳后晶粒度的要求。

实验材料与方法

实验材料

实验用钢为20MnCr5，废钢和生铁采用60 t超高功率电弧炉冶炼，经LF钢包炉外精炼，然后经VD真空炉脱气，再经四机四流大方坯连铸机浇注成方坯，钢坯由步进式加热炉加热后经24架连轧机轧制成材，钢材规格φ70 mm。实验时不同炉次的化学元素含量见表1。

表1 不同炉次20MnCr5钢的化学成分(质量分数，%)

实验方法

分别在四炉次的钢材上切取晶粒度试样，在实验室将试样加热至930 ℃后进行不同时间的奥氏体化，然后将试样进行淬水、磨制、抛光，经饱和苦味酸溶液浸蚀后，利用金相显微镜观察奥氏体晶粒度，按照国家标准GB/T6394“金属平均晶粒度测定方法”进行晶粒度的级别评定。

结果与讨论

晶粒度分析

4个不同炉次的20MnCr5钢材试样在930 ℃下奥氏体化后经过不同的奥氏体化保温处理，在金相显微镜下分别观察试样的奥氏体晶粒度变化情况见表2。

表2 不同保温时间下20MnCr5钢材的奥氏体晶粒度

从表2可以看出，当晶粒度试样经930 ℃奥氏体化2 h后进行水淬处理，4个炉次试样的奥氏体晶粒度均未出现晶粒粗化的现象，这说明试样在930 ℃经短时间的奥氏体化，其晶粒度不会发生明显粗化的现象。但随着奥氏体化时间的延长(4、6和8 h)，试样的晶粒大小发生了不同的变化。

图1 是试样经930 ℃奥氏体化4 h时的晶粒度图。可见随着试样奥氏体化的时间延长至4 h，钢中Al、N含量较低的实验炉次1，其晶粒度试样在显微镜下出现了明显的晶粒粗化现象，其中晶粒度3.0级占20%，4～6级占80%，而其它炉次的试样因含Al、N量较高，此时未发生明显的晶粒粗化现象。

图1 试样经930 ℃奥氏体化4 h时的晶粒度图：(a)炉次1；(b)炉次2；(c)炉次3；(d)炉次4

试样经930 ℃奥氏体化时间延长至6 h时，钢中Al、N含量较低的炉次1的试样出现了明显混晶现象；炉次2含有较高的Al、N含量，但几乎不含有强细晶Nb元素，因而也出现了明显的晶粒粗化现象；而实验炉次3和炉次4因钢中含有适量的Al、N元素，并含有一定量的Nb元素，因而并未出现晶粒粗化现象，如图2所示。

图2 试样经930 ℃奥氏体化6 h时的晶粒度图：(a)炉次1；(b)炉次2；(c)炉次3；(d)炉次4

当奥氏体化时间延至8 h，实验炉次1、2的试样均出现了明显混晶现象，但Nb元素含量在0.025%的实验炉次3和4的试样未出现晶粒粗大趋势，如图3所示。

图3 试样经930 ℃奥氏体化8 h时的晶粒度图：(a)炉次1；(b)炉次2；(c)炉次3；(d)炉次4

分析讨论

Al作为一种基本、有效的细化晶粒元素，在钢中主要以AlN形式存在，并主要分布于晶界起着阻碍奥氏体晶界移动的作用。只有当温度超过某一温度值时，AlN小质点发生聚合，尺寸超过某一临界值，质点才失去了阻碍晶界移动的作用，晶粒开始粗化[4]。一般认为Al/N达到2.0以上时，就能起到钉扎晶界阻止晶粒长大的细晶作用，在一定的奥氏体化条件下可保证晶粒不长大。但随着奥氏体化的温度提高，时间延长，则需要增加细晶强化元素来阻止晶粒长大。而钢中元素Nb能C结合形成NbC，由于NbC对位错的钉扎及对亚晶界的迁移具有阻止作用，可大大提高奥氏体的再结晶温度，有效地阻止奥氏体晶粒长大。按照晶粒大小与第二相质点之间的Zener理论[5-6]，奥氏体晶粒与钢中第二相质点的数量、大小、分布也有关系[7]，即当钢中含有较多的第二相质点时，便可阻止奥氏体晶粒长大。

4个炉次的钢中Al元素的含量均在控制在0.02%以上，但氮、铌元素含量略有不同。当奥氏体化时间延长至4 h，由于炉次1钢中氮含量较低，在钢中不能形成足够数量的AlN使其分布在奥氏体晶界，从而没有起到钉扎作用；当奥氏体化时间延长时不能有效阻止晶粒长大，则出现了明显的晶粒粗化现象，而其它3炉有足够数量的AlN，在一定的奥氏体时间内可以有效地起到钉扎用，则没有出现晶粒粗化的现象。

随着奥氏体化时间延长至6 h， 钢中Nb元素含量较低的实验炉次2出现了晶粒粗化现象。这说明钢中AlN对晶粒能起到细化作用，但不如NbC作用明显。当奥氏体化时间延长至8 h，炉次1、2均出现了混晶现象，而炉次3、4中含有一定量的强细晶Nb元素，晶粒未出现粗化现象，更说明NbC的细晶作用。因此，当升高材料的奥氏体化温度、延长保温时间时，钢中不仅需要一定含量的Al、N元素，更要添加适量的强细晶元素形成碳化物来强化晶界，以阻止晶粒粗化。

结束语

(1)20MnCr5齿轮钢的奥氏体晶粒度受钢中Al含量影响，当Al含量在0.02%以上时可保证930 ℃奥氏体化2 h不发生晶粒粗化。

(2)当20MnCr5钢中Al/N≥2.0时，钢中含有一定量的AlN质点，可延长奥氏体化时间。

(3)当20MnCr5钢在930 ℃奥氏体化的时间达8 h时，AlN质点不能起到有效作用，需添加强细晶Nb元素来保证不出现晶粒粗化现象。