摘 要:为了研究磨面位置对20CrMnTiH 钢末端淬透性的影响,对20CrMnTiH 钢试样不同磨 面的硬度进行测试,采用光学显微镜及扫描电镜观察其显微组织,并用红外碳硫分析仪及直读光谱 仪对其化学成分进行分析。结果表明:20CrMnTiH 钢试样外围磨面的硬度有较大差异,精确标识 磨面位置对钢的末端淬透性测定结果的准确性非常关键;显微组织的不同是导致试样硬度差异大 的直接原因,而化学成分的不均匀性是硬度差异大的根本原因。
关键词:20CrMnTiH 钢;淬透性;硬度;显微组织
中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)04-0033-04
20CrMnTiH 钢具有良好的可锻性、切削加工 性以及焊接性能,主要用于制造各种重型汽车、挖掘 机、吊车等机械的传动齿轮。淬透性是衡量齿轮钢 质量的重要参数,影响着齿轮热处理后变形量的大 小[1-2]。在一定的奥氏体化条件下,淬透性取决于钢 的碳含量和合金化程度[3]。通常依据 GB/T225— 2006《钢 淬透性的末端淬火试验方法(Jominy 试 验)》检 验 钢 的 未 端 淬 透 性。 笔 者 对 影 响 20CrMnTiH 钢末端淬透性的主要因素进行研究, 分析磨面位置对 20CrMnTiH 钢末端淬透 性 的 影 响,采用光学显微镜(OM)及扫描电镜(SEM)观察 其显微组织,并用红外碳硫分析仪及直读光谱仪对 其化学成分进行分析。
1 末端淬透性测定的影响因素分析
影响钢材淬透性的主要因素包括钢材的化学成 分、晶粒度、原始组织、取样部位、热处理、磨面位置等。
化学 成 分 对 钢 的 淬 透 性 起 着 决 定 性 作 用。 20CrMnTiH 钢的主要成分为碳、硅、铬、锰、钛等元 素,这些元素都能影响其淬透性,其中碳元素的影响 最大,合金元素是次要影响因素,大多数合金元素溶 入奥氏体后,增大了奥氏体的稳定性,降低了临界冷 却速率,提高了钢的淬透性。
热处理工艺的规范性对检验结果有着较大的影 响[4-5],要严格按照标准对马弗炉进行定期校准,在 热处理过程中用套筒对其进行保护。杨顺虎等[6]对 40MnBH 钢的末端淬透性进行研究,发现试样的直径和长度、淬火装置的喷水高度、淬火的水温都对检 验结果造成(1~2)HRC的偏差。李尧等[7]研究发 现奥氏体的晶粒度对淬透性有明显影响,晶粒越大 则组织中马氏体的含量越高,因而硬度越高。
GB/T225—2006标准对坯料的制取有明确规 定,磨面的位置应按照标准准确标识,并采用机械方 法进行标记,以确保在加工及热处理过程中标识始 终存在,否则会导致结果差异性较大,测试结果不具 有代表性。
2 试验材料与方法
试验材料为20CrMnTiH 钢,其生产工艺为:铁 水及废钢→120t转炉冶炼→LF(钢包精炼炉)炉外 精炼→RH(真空循环脱气精炼炉)真空脱气→连铸 → 轧 制。 选 取 3 种 中 等 规 格 的 轧 材 (?90~?115mm),每种规格的轧材都从冶炼、轧制 工艺相同的同一批次中取7个试样,并在保持其他 试验条件一致的情况下,研究磨面位置对末端淬透 性的影响。取样位置及磨面位置如图1所示,在标准规定 的 磨 面 位 置 (A,B)处 加 工 测 试 面,采 用 ERNSTTWIN-X 型全自动硬度计测试其硬度,将 与(A,B)磨面成90°的两个面(C,D)以及成45°的 两个面(E,F)加工测试面并测试其硬度。硬度测 试完成后,采用 ZEISSAxioLab.A1型光学显微镜 及ZEISSEVO10型扫描电镜对各检测面进行显微 组织观察,采用直读光谱仪及红外碳硫分析仪对轧 材的成分进行检验。
3 试验结果与分析
3.1 不同磨面的硬度
对20CrMnTiH 钢进行端淬试验后,对6个磨 面部位 进 行 硬 度 测 试。20CrMnTiH 钢 试 样 的 硬 度、均值及硬度差分布如图2所示。由图2a)可知, 不同批次试样的硬度均值略有不同,J9和J15的硬 度变化规律一致,不同批次试样的硬度波动较大。 由图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。由图2c)可知,(A,B)磨面的硬度比较接近, (C,D)磨面的硬度相差最大,外围6个磨面的硬度 差普遍偏大,说明试样的外围硬度均匀性较差。以 ?100mm 的棒材为例具体说明,(A,B)两个磨面的 J9硬度差值平均为1.4 HRC,最大相差3.8 HRC, 而(C,D)磨面的硬度差值平均为3.7HRC,最大相 差},磨面(E,F)的硬度差值平均为2.8HRC,最大 相差4.8HRC。从磨面位置看,磨面(A,B)接近钢 的2/5半径处,且与中心的距离基本一致,磨面(C, D)相当于钢的1/5及3/5半径处,一侧靠近表面, 另一侧靠近中心,因此准确标识磨面位置对于钢的 末端淬透性测定结果的准确性非常关键。
3.2 化学成分分析
以?100 mm 的棒材为试验对象,在热轧材横 截面径向每10mm 钻取钢屑,用红外碳硫仪进行碳 成分分析。结果显示碳元素含量在径向的极差为 0.037%,在2/5半径处存在最高点,这与(A,B)面 所在的位置基本一致,其硬度平均值也最高。(C,D)磨面的一面位于钢材的1/5处,一面位于试样的 3/5半径处,碳元素含量差别最大达到0.023%,这 与(C,D)磨面两个面的硬度差较大的规律一致,说 明碳元素分布的均匀性是影响淬透性的重要因素。
采用 ARL4460型直读光谱仪对多个试样的成分 进行分析,碳元素的分布规律与碳仪分析结果一致, 锰元素和铬元素的含量在试样1/2半径处也有明显 升高。20CrMnTiH 钢试样的化学成分如表1所示。
3.3 显微组织
用线切割机对(C,D)磨面硬度差异大的试样 从距离末端约10mm 处横切,用砂纸磨到距离末端 约9mm 的位置,经抛光后采用体积分数为4%的 硝酸乙醇溶液侵蚀后,在光学显微镜及扫描电镜下 观察 硬 度 相 差 较 大 的 两 个 磨 面 的 显 微 组 织。 20CrMnTiH 钢试样不同检测面的显微组织如图3 所示,由图3可知,硬度低的一侧的显微组织为贝氏 体+马氏体+少量铁素体的混合组织,硬度高的一 侧的显微组织为马氏体+贝氏体+少量的铁素体的 混合组织,接近两个磨面的晶粒度相差不大。将磨 面所在纵截面轻磨并抛光,光学显微镜下显示不同 侧面的组织有一定差异:一侧J9位置处有明显的条 带,另一侧则无明显的条带。偏析带内的组织为马 氏体+少量的贝氏体,条带两侧主要为贝氏体组织, 磨面的显微组织形貌如图4所示。采用显微硬度计 对条带区及条带周围的显微硬度进行测试,结果如 表2所示。由表2可知,条带区域与其两侧的非条 带区域的显微硬度平均值相差60HV1。
在轧制及末端淬透性试验过程中,合金元素在奥 氏体中很难均匀化,成分的偏析必然导致组织的偏 析,从而在偏析区和非偏析区形成了明暗不同的条带 组织形貌。各检测面中显微组织的不同是导致试样 硬度差异的直接原因,即各检测面中显微组织的均匀 性是决定端淬试样硬度均匀性的主要原因,而碳元素 及合金元素的均匀性较差是硬度有差异的根本原因。
4 结语及建议
(1)精确标识磨面位置对于20CrMnTiH 钢的 末端淬透性测定结果的准确性非常关键。建议当两 个磨面的硬度差超过5HRC时,应在与原来磨面成 90°的磨面上重复试验,如果新的测试面硬度差超过 10HRC,则应重新取样进行检测。
(2)各检测面中显微组织的不同是导致试样硬 度差异的直接原因,而碳及合金元素的均匀性较差 是硬度差异的根本原因,要解决此类问题必须实现 钢水窄成分控制,将淬透性带宽控制在4 HRC 以 内,才能提高末端淬透性试验结果的稳定性。
参考文献:
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