摘 要:為了研究磨面位置對(duì)20CrMnTiH 鋼末端淬透性的影響,對(duì)20CrMnTiH 鋼試樣不同磨 面的硬度進(jìn)行測(cè)試,采用光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡觀察其顯微組織,并用紅外碳硫分析儀及直讀光譜 儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明:20CrMnTiH 鋼試樣外圍磨面的硬度有較大差異,精確標(biāo)識(shí) 磨面位置對(duì)鋼的末端淬透性測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵;顯微組織的不同是導(dǎo)致試樣硬度差異大 的直接原因,而化學(xué)成分的不均勻性是硬度差異大的根本原因。

關(guān)鍵詞:20CrMnTiH 鋼;淬透性;硬度;顯微組織

中圖分類(lèi)號(hào):TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)04-0033-04

20CrMnTiH 鋼具有良好的可鍛性、切削加工 性以及焊接性能,主要用于制造各種重型汽車(chē)、挖掘 機(jī)、吊車(chē)等機(jī)械的傳動(dòng)齒輪。淬透性是衡量齒輪鋼 質(zhì)量的重要參數(shù),影響著齒輪熱處理后變形量的大 小[1-2]。在一定的奧氏體化條件下,淬透性取決于鋼 的碳含量和合金化程度[3]。通常依據(jù) GB/T225— 2006《鋼 淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法(Jominy 試 驗(yàn))》檢 驗(yàn) 鋼 的 未 端 淬 透 性。 筆 者 對(duì) 影 響 20CrMnTiH 鋼末端淬透性的主要因素進(jìn)行研究, 分析磨面位置對(duì) 20CrMnTiH 鋼末端淬透 性 的 影 響,采用光學(xué)顯微鏡(OM)及掃描電鏡(SEM)觀察 其顯微組織,并用紅外碳硫分析儀及直讀光譜儀對(duì) 其化學(xué)成分進(jìn)行分析。

1 末端淬透性測(cè)定的影響因素分析

影響鋼材淬透性的主要因素包括鋼材的化學(xué)成 分、晶粒度、原始組織、取樣部位、熱處理、磨面位置等。

化學(xué) 成 分 對(duì) 鋼 的 淬 透 性 起 著 決 定 性 作 用。 20CrMnTiH 鋼的主要成分為碳、硅、鉻、錳、鈦等元 素,這些元素都能影響其淬透性,其中碳元素的影響 最大,合金元素是次要影響因素,大多數(shù)合金元素溶 入奧氏體后,增大了奧氏體的穩(wěn)定性,降低了臨界冷 卻速率,提高了鋼的淬透性。

熱處理工藝的規(guī)范性對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果有著較大的影 響[4-5],要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)馬弗爐進(jìn)行定期校準(zhǔn),在 熱處理過(guò)程中用套筒對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。楊順虎等[6]對(duì) 40MnBH 鋼的末端淬透性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)試樣的直徑和長(zhǎng)度、淬火裝置的噴水高度、淬火的水溫都對(duì)檢 驗(yàn)結(jié)果造成(1~2)HRC的偏差。李堯等[7]研究發(fā) 現(xiàn)奧氏體的晶粒度對(duì)淬透性有明顯影響,晶粒越大 則組織中馬氏體的含量越高,因而硬度越高。

GB/T225—2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)坯料的制取有明確規(guī) 定,磨面的位置應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確標(biāo)識(shí),并采用機(jī)械方 法進(jìn)行標(biāo)記,以確保在加工及熱處理過(guò)程中標(biāo)識(shí)始 終存在,否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果差異性較大,測(cè)試結(jié)果不具 有代表性。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為20CrMnTiH 鋼,其生產(chǎn)工藝為:鐵 水及廢鋼→120t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF(鋼包精煉爐)爐外 精煉→RH(真空循環(huán)脫氣精煉爐)真空脫氣→連鑄 → 軋 制。 選 取 3 種 中 等 規(guī) 格 的 軋 材 (?90~?115mm),每種規(guī)格的軋材都從冶煉、軋制 工藝相同的同一批次中取7個(gè)試樣,并在保持其他 試驗(yàn)條件一致的情況下,研究磨面位置對(duì)末端淬透 性的影響。取樣位置及磨面位置如圖1所示,在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 的 磨 面 位 置 (A,B)處 加 工 測(cè) 試 面,采 用 ERNSTTWIN-X 型全自動(dòng)硬度計(jì)測(cè)試其硬度,將 與(A,B)磨面成90°的兩個(gè)面(C,D)以及成45°的 兩個(gè)面(E,F)加工測(cè)試面并測(cè)試其硬度。硬度測(cè) 試完成后,采用 ZEISSAxioLab.A1型光學(xué)顯微鏡 及ZEISSEVO10型掃描電鏡對(duì)各檢測(cè)面進(jìn)行顯微 組織觀察,采用直讀光譜儀及紅外碳硫分析儀對(duì)軋 材的成分進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同磨面的硬度

對(duì)20CrMnTiH 鋼進(jìn)行端淬試驗(yàn)后,對(duì)6個(gè)磨 面部位 進(jìn) 行 硬 度 測(cè) 試。20CrMnTiH 鋼 試 樣 的 硬 度、均值及硬度差分布如圖2所示。由圖2a)可知, 不同批次試樣的硬度均值略有不同,J9和J15的硬 度變化規(guī)律一致,不同批次試樣的硬度波動(dòng)較大。 由圖2b)可知,(A,B)磨面的J9硬度平均值最高, 其次是(E,F)磨面的,而(C,D)磨面的硬度平均值 最低。由圖2c)可知,(A,B)磨面的硬度比較接近, (C,D)磨面的硬度相差最大,外圍6個(gè)磨面的硬度 差普遍偏大,說(shuō)明試樣的外圍硬度均勻性較差。以 ?100mm 的棒材為例具體說(shuō)明,(A,B)兩個(gè)磨面的 J9硬度差值平均為1.4 HRC,最大相差3.8 HRC, 而(C,D)磨面的硬度差值平均為3.7HRC,最大相 差},磨面(E,F)的硬度差值平均為2.8HRC,最大 相差4.8HRC。從磨面位置看,磨面(A,B)接近鋼 的2/5半徑處,且與中心的距離基本一致,磨面(C, D)相當(dāng)于鋼的1/5及3/5半徑處,一側(cè)靠近表面, 另一側(cè)靠近中心,因此準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)磨面位置對(duì)于鋼的 末端淬透性測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。

3.2 化學(xué)成分分析

以?100 mm 的棒材為試驗(yàn)對(duì)象,在熱軋材橫 截面徑向每10mm 鉆取鋼屑,用紅外碳硫儀進(jìn)行碳 成分分析。結(jié)果顯示碳元素含量在徑向的極差為 0.037%,在2/5半徑處存在最高點(diǎn),這與(A,B)面 所在的位置基本一致,其硬度平均值也最高。(C,D)磨面的一面位于鋼材的1/5處,一面位于試樣的 3/5半徑處,碳元素含量差別最大達(dá)到0.023%,這 與(C,D)磨面兩個(gè)面的硬度差較大的規(guī)律一致,說(shuō) 明碳元素分布的均勻性是影響淬透性的重要因素。

采用 ARL4460型直讀光譜儀對(duì)多個(gè)試樣的成分 進(jìn)行分析,碳元素的分布規(guī)律與碳儀分析結(jié)果一致, 錳元素和鉻元素的含量在試樣1/2半徑處也有明顯 升高。20CrMnTiH 鋼試樣的化學(xué)成分如表1所示。

3.3 顯微組織

用線切割機(jī)對(duì)(C,D)磨面硬度差異大的試樣 從距離末端約10mm 處橫切,用砂紙磨到距離末端 約9mm 的位置,經(jīng)拋光后采用體積分?jǐn)?shù)為4%的 硝酸乙醇溶液侵蝕后,在光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡下 觀察 硬 度 相 差 較 大 的 兩 個(gè) 磨 面 的 顯 微 組 織。 20CrMnTiH 鋼試樣不同檢測(cè)面的顯微組織如圖3 所示,由圖3可知,硬度低的一側(cè)的顯微組織為貝氏 體+馬氏體+少量鐵素體的混合組織,硬度高的一 側(cè)的顯微組織為馬氏體+貝氏體+少量的鐵素體的 混合組織,接近兩個(gè)磨面的晶粒度相差不大。將磨 面所在縱截面輕磨并拋光,光學(xué)顯微鏡下顯示不同 側(cè)面的組織有一定差異:一側(cè)J9位置處有明顯的條 帶,另一側(cè)則無(wú)明顯的條帶。偏析帶內(nèi)的組織為馬 氏體+少量的貝氏體,條帶兩側(cè)主要為貝氏體組織, 磨面的顯微組織形貌如圖4所示。采用顯微硬度計(jì) 對(duì)條帶區(qū)及條帶周?chē)娘@微硬度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如 表2所示。由表2可知,條帶區(qū)域與其兩側(cè)的非條 帶區(qū)域的顯微硬度平均值相差60HV1。

在軋制及末端淬透性試驗(yàn)過(guò)程中,合金元素在奧 氏體中很難均勻化,成分的偏析必然導(dǎo)致組織的偏 析,從而在偏析區(qū)和非偏析區(qū)形成了明暗不同的條帶 組織形貌。各檢測(cè)面中顯微組織的不同是導(dǎo)致試樣 硬度差異的直接原因,即各檢測(cè)面中顯微組織的均勻 性是決定端淬試樣硬度均勻性的主要原因,而碳元素 及合金元素的均勻性較差是硬度有差異的根本原因。

4 結(jié)語(yǔ)及建議

(1)精確標(biāo)識(shí)磨面位置對(duì)于20CrMnTiH 鋼的 末端淬透性測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。建議當(dāng)兩 個(gè)磨面的硬度差超過(guò)5HRC時(shí),應(yīng)在與原來(lái)磨面成 90°的磨面上重復(fù)試驗(yàn),如果新的測(cè)試面硬度差超過(guò) 10HRC,則應(yīng)重新取樣進(jìn)行檢測(cè)。

(2)各檢測(cè)面中顯微組織的不同是導(dǎo)致試樣硬 度差異的直接原因,而碳及合金元素的均勻性較差 是硬度差異的根本原因,要解決此類(lèi)問(wèn)題必須實(shí)現(xiàn) 鋼水窄成分控制,將淬透性帶寬控制在4 HRC 以 內(nèi),才能提高末端淬透性試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

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