Nb微合金化对20CrNiMoH齿轮钢淬透性的影响_陈文杰.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0632Nb 微合金化对 20CrNiMoH 齿轮钢淬透性的影响陈文杰1,2,尉文超2,王毛球2,朱心昆1,何肖飞2(1.昆明理工大学材料科学与工程学院,云南 昆明 650093;2.钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院,北京 100081)摘 要:在 20CrNiMoH 钢中添加了 0.03%的 Nb,通过末端淬火试验、物理化学相分析以及热膨胀试验等研究 Nb 对试验钢在 950和 1200 淬火时对其淬透性的影响。结果表明:当淬火温度为 950 时,Nb 主要在析出相中,由于 Nb 的添加细化了晶粒,含铌钢的淬透性低于不含铌钢。当淬火温度为 1200 时,NbC 析出相发生回溶,Nb 固溶到奥氏体晶粒中,含铌钢的淬透性高于不含铌钢。热膨胀试验结果表明固溶 Nb 具有降低试验钢的临界冷却速度,提高 Ms点以及推迟珠光体铁素体转变,扩大马氏体贝氏体相区的作用,从而提高其淬透性。关键词:20CrNiMoH 钢;Nb 微合金化;淬透性;CCT;相分析中图分类号:TG142.33 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0134-07收稿日期:2022-12-14 修订日期:2023-03-23作者简介:陈文杰(1996),男,硕士研究生,主要从事汽车齿轮钢研究,E-mail:1456053296 。通信作者:朱心昆(1959),男,教授,博士生导师,硕士,主要从事纳米金属材料研究,发表论文 50 余篇,E-mail:XK-zhu 。引用格式:陈文杰,尉文超,王毛球,等.Nb 微合金化对 20CrNiMoH 齿轮钢淬透性的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):134-140.CHEN Wen-jie,YU Wen-chao,WANG Mao-qiu,et al.Effect of Nb microalloying on hardenability of 20CrNiMoH gear steelJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):134-140.Effect of Nb microalloying on hardenability of 20CrNiMoH gear steelCHEN Wen-jie1,2,YU Wen-chao2,WANG Mao-qiu2,ZHU Xin-kun1,HE Xiao-fei2(1.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;2.Institute for Special Steels,Iron and Steel Research Institute Limited,Beijing 100081,China)Abstract:0.03%Nb was added to 20CrNiMoH steel.The effect of Nb on the hardenability of the experimental steel when quenched at 950 and 1200 was studied through end-quenching test,physicochemical phase analysis and thermal expansion test.The results show that when the quenching temperature is 950,Nb is mainly in the precipitated phase,and due to the addition of Nb refining the grain,the hardenability of the niobium containing steel is lower than that of the niobium free steel.When the quenching temperature is 1200,NbC precipitates undergo re dissolution,and Nb dissolves into austenitic grains,which leads to the hardenability of the niobium containing steel is higher than that of the niobium free steel.The results of the thermal expansion test show that the solution of Nb can reduce the critical cooling rate of the experimental steel,increase the martensitic transformation temperature Ms,delay the pearlitic ferrite transformation,and expand the martensite bainite phase zone,thereby improving its hardenability.Keywords:20CrNiMoH steel;Nb microalloying;hardenability;CCT;phase analysis 淬透性的调控是保障齿轮钢淬火后的组织、性能和热处理畸变的关键因素1-3。Nb 微合金化是改善齿轮钢强韧性的有效方式,近年来成为齿轮钢研究的热点4-7。关于 Nb 对钢淬透性的影响,Carpenter等8研究表明,在超薄铸带钢(UCS)中添加少量的Nb(0.014 mass%),对淬透性也有显著影响,可以有效降低铁素体形成的冷却速率,并促进贝氏体的转变,扩大贝氏体铁素体和针状铁素体的相变场。曹燕光等9研究了 Nb 元素质量分数分别为 0、0.026%和0.039%的 DZ2 钢的微观组织、析出相和淬透性,认为随着 Nb 质量分数的增加,晶粒逐渐细化,降低了钢的淬透性;而 Nb 微合金化抑制了 M3C 相的析出,增加了奥氏体中 C、Cr、Mn 的固溶量,从而提高了钢的淬透性,综合作用下淬透性基本保持不变。柳洋波等10研究了不同 Nb 含量的 20CrMnTi 试验钢,发现其硬度分布接近,组织变化规律基本相似,认为 Nb含量不影响 20CrMnTi 钢的淬透性。从文献8-10可以看出,Nb 对淬透性的影响主第 7 期陈文杰等:Nb 微合金化对 20CrNiMoH 齿轮钢淬透性的影响 要体现在晶粒细化与抑制铁素体转变等方面,同时与Nb 在基体中的存在状态密切有关。20CrNiMoH 齿轮钢广泛应用于汽车变速箱、工程机械等传动系统11-13,目前关于 Nb 对其淬透性影响的研究较少。因此,本文通过在 20CrNiMoH 齿轮钢中添加 0.03%的 Nb,利用末端淬火试验和热膨胀试验探究 Nb 对20CrNiMoH 齿轮钢晶粒度、组织和淬透性的影响,旨在为含 Nb 齿轮钢的工业化生产提供一定的参考。1 试验材料及方法 两种试验钢均采用 50 kg 真空炉冶炼,铸锭加热至 1200 保温 2 h 出炉锻造,终锻温度为 850,锻造获得 70 mm400 mm 的钢棒,锻后空冷至室温。试验钢的化学成分如表 1 所示。表 1 试验钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical compositions of the experimental steels(mass fraction,%)SteelCSiMnPSCrNiMoNbFe0Nb0.200.250.820.0120.0070.670.560.20-Bal.0.03Nb0.210.250.810.0120.0070.540.590.200.029Bal.在钢棒的半径 1/2 处切取端淬试样毛坯,在930 下进行 1 h 正火处理后精加工成末端淬火试样,尺寸如图 1 所示。然后在 FBD-B 型端淬试验机上进行末端淬火试验,分别在 950 和 1200 下保温 0.5 h 后进行末端淬火,在平行于轴线方向磨制出两个深度为 0.40.5 mm 的互相平行的平面,利用HP-250 型洛氏硬度计(加载载荷 150 kg、加载时间10 s)沿磨制平面上测量距淬火端面 1.550 mm 处的洛氏硬度值,然后据此绘出试验钢的硬度分布曲线,获得端淬曲线。切取不同位置处的端淬试样经研磨抛光后,用 2%的硝酸酒精腐蚀后在 LEICA DMi8型光学显微镜下观察显微组织,再用 ET-01plus 晶粒度腐蚀剂进行侵蚀,观察晶粒形貌,并依照 GB/T 63942002金属平均晶粒度测定方法标准对晶粒平均尺寸进行评定。图 1 端淬试样的尺寸(mm)Fig.1 End quenching specimen size(mm)将试验钢加工成热膨胀试样(见图 2),试验所用设备为 Formastor-Digital 全自动相变仪,按照 YB 51282018钢的连续冷却转变曲线测定方法标准进行试验,将试样以 0.5 /s 的升温速率升至1200 保温 5 min,随后快冷至试验钢各自的 Ar3温度,再以不同的冷却速率从 Ar3冷却至室温,然后绘制出试验钢的连续冷却转变曲线。将正火后的试样分别加热到 950 和 1200 并图 2 热膨胀试样的尺寸(mm)Fig.2 Thermal expansion specimen size(mm)保温 0.5 h,水淬至室温,然后加工成 10 mm80 mm的相分析试样,电解后的残渣利用飞利浦 APD-10 型X 射线衍射仪分析其组成及类型,并根据衍射角和晶面间距 d 值,通过鉴定手册确定析出相的类型。残渣经过溶解稀释后,再通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定析出相的质量分数。2 试验结果2.1 硬度分布曲线 图 3 为试验钢在 950 和 1200 淬火后的硬度分布曲线。当端淬温度为 950 时,添加 0.03Nb的试验钢硬度分布曲线整体均小于 0Nb 试验钢,从图 3(a)可以看出,在距离淬火端 7 和 15 mm 处即J7 和 J15 处(下同),0.03Nb 试验钢相较于 0Nb 试验钢在 J7、J15 点处硬度分别降低了 4.5 和 2.9 HRC。可见在此条件下,添加 Nb 的试验钢淬透性有所降低。图 3(b)为淬火温度在 1200 时的硬度分布曲线,从图中可以看出,添加 0.03Nb 的试验钢硬度分布曲线整体高于 0Nb 试验钢,添加 Nb 后淬透性有所提高,此时 0.03Nb 试验钢相比 0Nb 试验钢 J7、J15 点处硬度分别提高了 4.6 HRC 和 9.4 HRC。淬透性规律与 950 时的规律恰恰相反,且变化幅度更大。531 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷图 3 两种试验钢在不同温度淬火后的硬度分布曲线(a)950;(b)1200 Fig.3 Hardness distribution curves of the two experimental steels after quenching at different temperatures(a)950;(b)1200 硬度分布曲线上拐点处的硬度大致相当于50%马氏体处的硬度,半马距可近似为硬度分布曲线拐点处距淬火端的距离,以此代表钢的淬透性14,表 2 为两种试验钢的半马距范围,淬火温度为 950 时,两种试验钢的硬度均从淬火端 3