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(1. 江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司， 湖南 湘潭 411100； 2. 湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

20Cr2Ni4A鋼是一種具有較高強(qiáng)度的合金鋼，因其具有較好的綜合力學(xué)性能，可作為高載荷、耐沖擊齒輪鋼應(yīng)用于各種大型齒輪傳動(dòng)件[1]。而在現(xiàn)有的鍛造及熱處理加熱過(guò)程中，20Cr2Ni4A鋼奧氏體易于粗化且因?yàn)榻M織遺傳等原因，造成鋼件晶粒等級(jí)難以達(dá)到國(guó)外的水平(至少7級(jí))[2]。合適的鍛造加熱溫度可以保證鍛造后的鋼件具有細(xì)小且均勻的晶粒。在以往關(guān)于20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的研究中，主要考慮保溫溫度及保溫時(shí)間對(duì)晶粒度的影響，結(jié)果表明：保溫階段晶粒長(zhǎng)大以擴(kuò)散機(jī)制為主，不同階段原子擴(kuò)散方式不同，對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统Ｒ?jiàn)的有Beck模型[3-4]、Hillert模型[5]及Sellars 模型[6]。鍛造20Cr2Ni4A鋼件時(shí)，保溫結(jié)束后進(jìn)行鐓粗拉拔，鋼件經(jīng)變形后奧氏體晶粒度會(huì)發(fā)生明顯變化，截止目前，其變化規(guī)律尚不清楚。因此在變形量相同的條件下，研究鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒的影響，探究鍛造后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒的長(zhǎng)大規(guī)律具有重要意義。

本文系統(tǒng)地觀測(cè)了相同變形條件下不同鍛造加熱溫度、不同保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)的20Cr2Ni4A 鋼鍛后奧氏體晶粒大小，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出最優(yōu)鍛造加熱溫度，并研究了不同鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A 鋼力學(xué)性能的影響，為20Cr2Ni4A 鋼制造大型齒輪制定合理的鍛造工藝提供了一定研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用20Cr2Ni4A鋼的原始成分檢測(cè)結(jié)果如表1 所示，結(jié)果表明，試驗(yàn)所用材料滿(mǎn)足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)20Cr2Ni4A鋼化學(xué)成分的要求，本質(zhì)晶粒度為6級(jí)，如圖1所示。鍛造參數(shù)見(jiàn)表2，合金經(jīng)不同加熱工藝鍛造后，進(jìn)行相同的淬火處理。淬火工藝為900 ℃×60 min油冷，淬火油為MT355油，淬火前油溫恒定為(60±2) ℃。淬火后的金相試樣尺寸為15 mm×15 mm×15 mm，采用飽和苦味酸腐蝕晶界，利用OLYMPUS-GX71光學(xué)顯微鏡進(jìn)行晶粒形貌觀察，并依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》采用截點(diǎn)法對(duì)試樣晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)。對(duì)不同狀態(tài)樣品的平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用人工測(cè)量晶粒尺寸的方法誤差較大。因此，在晶粒度評(píng)級(jí)后參照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，根據(jù)晶粒度級(jí)數(shù)與晶粒尺寸的關(guān)系表間接得到平均晶粒尺寸大??；參照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，用華銀洛氏硬度計(jì)測(cè)定洛氏硬度；參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工拉伸試樣，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定不同鍛造加熱溫度下試樣的拉伸性能。

表1 20Cr2Ni4A鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 20Cr2Ni4A鋼原材料晶粒形貌Fig.1 Grain morphology of the 20Cr2Ni4A steel raw material

表2 鍛造工藝參數(shù)

2 鍛造加熱溫度及保溫時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒尺寸的影響

20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度和保溫時(shí)間下鍛造后的奧氏體平均晶粒尺寸如表3 所示。根據(jù)圖2可知，在保溫時(shí)間相同，鍛造加熱溫度不同的條件下，鍛造后的奧氏體晶粒尺寸隨鍛造加熱溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律長(zhǎng)大。顧亞桃等[2]在研究滲碳溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒呈長(zhǎng)大趨勢(shì)。當(dāng)鍛造溫度低于1150 ℃時(shí)，鍛造后的晶粒尺寸增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢，當(dāng)溫度超過(guò)1150 ℃時(shí)，鍛造后的晶粒尺寸增長(zhǎng)較快。然而根據(jù)圖3中晶粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系可知，并沒(méi)有出現(xiàn)晶粒尺寸陡增的現(xiàn)象。不同鍛造加熱溫度對(duì)應(yīng)的晶粒形貌如圖4所示，很明顯1200 ℃下的晶粒粗化程度更大。其原因歸結(jié)為：當(dāng)鍛造溫度低于1150 ℃時(shí)，20Cr2Ni4A鋼中的第二相粒子能夠有效抑制奧氏體晶界的遷移從而阻礙晶粒長(zhǎng)大，此時(shí)，第二相粒子對(duì)于溫度的變化不敏感；當(dāng)溫度達(dá)到1200 ℃時(shí)，第二相粒子因溫度過(guò)高而溶解于基體，奧氏體晶界遷移阻力減小，晶粒迅速增大。相同鍛造加熱溫度、不同保溫時(shí)間下，鍛后20Cr2Ni4A鋼的晶粒形貌如圖5所示，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒逐漸粗化。由此可以推斷出，鍛造加熱溫度(1050～1200 ℃)和鍛造保溫時(shí)間(40～120 min)均影響20Cr2Ni4A鋼的晶粒度，但鍛造加熱溫度對(duì)晶粒度的影響要大于保溫時(shí)間。為了保證鍛造后鋼件能夠獲得足夠細(xì)小的晶粒，在20Cr2Ni4A鋼熱鍛加工時(shí)必須確定合適的鍛造加熱溫度及保溫時(shí)間。

表3 20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度和保溫時(shí)間下的平均奧氏體晶粒尺寸(μm)和等級(jí)

圖2 鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.2 Effect of forging temperature on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

圖3 保溫時(shí)間對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒平均尺寸的影響Fig.3 Effect of holding time on average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

3 鍛后奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型

通常情況下奧氏體的晶粒粗化過(guò)程受原子擴(kuò)散、晶界遷移等多種因素的影響。其中以?shī)W氏體晶界遷移為主，而奧氏體化過(guò)程中溫度又是主要影響因素之一，溫度升高促進(jìn)原子擴(kuò)散，從而提高晶界遷移速率，促使奧氏體晶粒粗化[7]。因此，鍛造加熱溫度和保溫時(shí)間是影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的關(guān)鍵因素。其次，鍛造變形量也是影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的關(guān)鍵因素之一。不同于傳統(tǒng)只考慮溫度、時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響，鍛造過(guò)程中發(fā)生的變形對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大也是一個(gè)不可避免的因素。董芳[8]研究發(fā)現(xiàn)，鋼件鍛造時(shí)部分區(qū)域變形量大，會(huì)出現(xiàn)區(qū)域性的應(yīng)力集中，使得第二相粒子的析出不均勻，從而對(duì)晶粒度產(chǎn)生影響。另外，大變形產(chǎn)生的織構(gòu)會(huì)導(dǎo)致各晶粒的受力不均勻，也會(huì)使第二相粒子不均勻析出，從而影響晶粒長(zhǎng)大。嘗試通過(guò)Beck方程描述鍛后奧氏體晶粒尺寸與保溫時(shí)間、鍛造加熱溫度間的關(guān)系，了解鍛后奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律，如式(1)所示：

圖4 鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒形貌的影響(保溫40 min)Fig.4 Effect of forging temperature on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (held for 40 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

圖5 保溫時(shí)間對(duì)20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒形貌的影響(1150 ℃鍛造加熱)Fig.5 Effect of holding time on austenite grain morphologies of the 20Cr2Ni4A steel (forged at 1150 ℃)(a) 40 min; (b) 60 min; (c) 80 min; (d) 120 min

(1)

式中：D為平均尺寸，μm；K為生長(zhǎng)速率；t為時(shí)間，s；n為晶粒生長(zhǎng)指數(shù)。對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得到式(2)：

lnD=lnK+nlnt

(2)

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式(2)經(jīng)過(guò)線性回歸處理得到lnD-lnt關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 20Cr2Ni4A鋼Beck方程lnD與lnt的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of lnD-lnt of Beck equation of the 20Cr2Ni4A steel

由圖6可知，20Cr2Ni4A鋼在變形量相同的條件下，不同鍛造加熱溫度鍛造后的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律仍然與Beck方程吻合，圖6中各直線的斜率對(duì)應(yīng)晶粒生長(zhǎng)指數(shù)，如表4所示。

表4 Beck模型分析結(jié)果

對(duì)式(2)變形后可得式(3)[9-11]：

(3)

式中：Q為激活能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為溫度，K；K為晶粒生長(zhǎng)速率；K0為常數(shù)。

將表4分析結(jié)果代入式(3)得到lnK-1000/T關(guān)系曲線，如圖7所示。值得注意的是，在溫度達(dá)到1200 ℃時(shí)，晶粒度生長(zhǎng)指數(shù)n及l(fā)nK值與其它溫度下的值相比波動(dòng)較大，在圖7中呈離散分布，而其他3個(gè)點(diǎn)呈線性分布，這不同于傳統(tǒng)加熱溫度、時(shí)間對(duì)奧氏體晶粒度的影響。因?yàn)樵阱懺旒訜徇^(guò)程中還必須考慮到，鍛造合金鋼奧氏體晶粒度可能還和晶粒長(zhǎng)大機(jī)制、溶質(zhì)原子數(shù)量與尺寸、第二相粒子釘扎、鍛造變形程度及溫度梯度等相關(guān)。合金鋼鍛造時(shí)通常選擇高溫始鍛，此時(shí)可鍛性也許最好，但這個(gè)溫度建立在奧氏體急劇長(zhǎng)大之前[12]。在這里對(duì)上述結(jié)果出現(xiàn)離散點(diǎn)給出一種可能的解釋?zhuān)村懺旒訜釡囟瘸^(guò)1150 ℃時(shí)，第二相粒子開(kāi)始大規(guī)模溶解并造成奧氏體晶粒的普遍急速長(zhǎng)大。因此在對(duì)上述曲線擬合時(shí)，只選擇1150 ℃及以下溫度的點(diǎn)，而超過(guò)1150 ℃可能不符合Beck模型描述的晶粒長(zhǎng)大的規(guī)律。1150 ℃及以下的不同鍛造加熱溫度下鍛后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大激活能為9345.77 J/mol，K0=14.97；根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以確立鍛后20Cr2Ni4A鋼在鍛造加熱溫度處于1050～1150 ℃之間的奧氏體晶粒長(zhǎng)大Beck方程為：

(4)

根據(jù)式(4)對(duì)比20Cr2Ni4A鋼在1050、1100、1150 ℃鍛造加熱溫度下保溫不同時(shí)間后平均奧氏體晶粒尺寸的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值后發(fā)現(xiàn)，二者吻合度較好，偏差較小，而1200 ℃鍛造加熱溫度下平均奧氏體晶粒尺寸實(shí)測(cè)值與計(jì)算值偏差較大，如圖8所示。

圖7 20Cr2Ni4A鋼lnK與1000/T的關(guān)系曲線Fig.7 lnK-1000/T curve of the 20Cr2Ni4A steel

圖8 20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度下保溫不同時(shí)間后平均奧氏體晶粒尺寸的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Fig.8 Effect of forging temperature and holding time on calculated and measured values of average austenite grain size of the 20Cr2Ni4A steel

由此可以得知，在相同變形量的條件下，鍛后20Cr2Ni4A鋼晶粒度與鍛造加熱溫度(低于1150 ℃)及保溫時(shí)間的關(guān)系仍能通過(guò)Beck模型來(lái)描述。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)鍛造加熱溫度在1150 ℃以下時(shí)，鍛后晶粒較為均勻，且1050、1100及1150 ℃鍛后晶粒度等級(jí)差距較小，而當(dāng)鍛造加熱溫度超過(guò)1150 ℃時(shí)，晶粒粗化加快明顯。不同于常規(guī)溫度及保溫時(shí)間對(duì)晶粒度的影響，當(dāng)鍛造加熱溫度高于1150 ℃，影響鍛造20Cr2Ni4A鋼晶粒度的因素還應(yīng)考慮第二相粒子的大量溶解及鋼件的變形。由圖2、圖3結(jié)果可知，當(dāng)鍛造加熱溫度處于1150～1200 ℃時(shí)，晶粒度等級(jí)出現(xiàn)較大波動(dòng)。另外考慮到鍛造時(shí)的可鍛性問(wèn)題，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)鍛造不充分可能出現(xiàn)部分晶粒未破碎，造成鍛造晶粒尺寸不均勻，如圖4所示。因此在制定熱鍛工藝時(shí)，相同變形條件下，盡量將鍛造加熱溫度控制在1150 ℃附近。

相較于鍛造加熱溫度，保溫時(shí)間對(duì)晶粒度的影響要稍小，圖3給出的奧氏體晶粒尺寸隨保溫時(shí)間的變化顯示并沒(méi)有出現(xiàn)較大波動(dòng)。根據(jù)圖5晶粒形貌可知，保溫60 min后鍛后20Cr2Ni4A鋼的晶粒尺寸更均勻。因此，在制定鍛造工藝時(shí)鍛造加熱溫度應(yīng)盡量保持在1150 ℃左右，保溫時(shí)間控制在60 min左右。在保持可鍛性的條件下?lián)碛休^小的晶粒尺寸，可以得到優(yōu)良的力學(xué)性能。

4 鍛后20Cr2Ni4A鋼的力學(xué)性能

將20Cr2Ni4A鋼分別在1050、1100、1150及1200 ℃鍛造加熱溫度下保溫60 min后采用一鐓一拔的工序進(jìn)行鍛造，盡量使其變形量相同。對(duì)鍛造后的試樣進(jìn)行熱處理并測(cè)試其力學(xué)性能。

圖10 不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼的拉伸斷口形貌(保溫60 min)Fig.10 Effect of forging temperature on tensile fracture morphologies of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)(a) 1050 ℃; (b) 1100 ℃; (c) 1150 ℃; (d) 1200 ℃

4.1 鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼硬度的影響

圖9為20Cr2Ni4A鋼不同加熱溫度鍛造淬火后的硬度對(duì)比，由圖9可知，不同鍛造加熱溫度下20Cr2Ni4A鋼淬火后的硬度分別為43.5、42.5、42、37 HRC。其中1200 ℃對(duì)應(yīng)的硬度值最小，而低于1200 ℃硬度變化則相差不大，這與Beck方程描述的結(jié)果相一致。這說(shuō)明鍛造加熱溫度對(duì)鍛后20Cr2Ni4A鋼晶粒度的影響使其硬度發(fā)生了變化，在制定鍛造工藝時(shí)，鍛造加熱溫度應(yīng)該盡量小于1200 ℃。

圖9 鍛造加熱溫度對(duì)鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼硬度的影響(保溫60 min)Fig.9 Effect of forging temperature on hardness of the quenched 20Cr2Ni4A steel (held for 60 min)

4.2 鍛造加熱溫度對(duì)20Cr2Ni4A鋼拉伸性能的影響

圖10為20Cr2Ni4A鋼在不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)試樣的斷口形貌。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表5)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍛造加熱溫度低于1150 ℃時(shí)，試樣的斷面收縮率變化不明顯，韌窩大小相近，但在1050、1100 ℃鍛造加熱溫度下，部分區(qū)域有大韌窩出現(xiàn)，這可能是由于較低鍛造加熱溫度下鍛造不均勻造成的。當(dāng)鍛造加熱溫度達(dá)到1200 ℃時(shí)，斷面收縮率有明顯的升高，韌窩尺寸明顯變大，這可能是因?yàn)殄懺旒訜釡囟壬咧?200 ℃，晶粒迅速粗化引起的。考慮到可鍛性問(wèn)題，綜合對(duì)比各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鍛造加熱溫度為1150 ℃時(shí)鍛造性能更好。

表5 不同鍛造加熱溫度下鍛后淬火態(tài)20Cr2Ni4A鋼的拉伸性能(保溫60 min)

5 結(jié)論

1) 鍛造保溫時(shí)間為40～120 min時(shí)，鍛后20Cr2Ni4A鋼奧氏體晶粒尺寸及長(zhǎng)大速率隨鍛造加熱溫度升高而增大，但在1150 ℃出現(xiàn)拐點(diǎn)，溫度高于1150 ℃時(shí)，第二相粒子的溶解導(dǎo)致對(duì)晶界的釘扎作用減弱，造成晶粒尺寸迅速增大。

3) 綜合考慮20Cr2Ni4A鋼鍛后奧氏體晶粒尺寸均勻性、熱處理后力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及可鍛性因素，確定了最優(yōu)鍛造加熱溫度為1150 ℃。