AlN和Zr微合金化对齿轮钢热塑性及渗碳处理晶粒度的影响.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44.No.4August 2023特殊钢SPECIAL STEELAlN和Zr微合金化对齿轮钢热塑性及渗碳处理晶粒度的影响杨飞飞1，2，3，徐海卫4，耿豪5，季晨曦1，2，3，狄国标1，2，3（1 首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043；2 绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043；3 北京市能源用钢工程技术研究中心，北京 100043；4 首钢京唐钢铁联合有限责任公司，唐山 063200；5 北京科技大学，北京 100083）摘 要：齿轮钢渗碳过程常采用AlN控制奥氏体晶粒长大，然而，AlN大量析出将恶化其热塑性和裂纹敏感性，且1 050 高温渗碳时AlN回溶，钉扎作用减弱。通过设计不同AlN浓度积（%Al%N）以及Zr微合金化的钢种，研究AlN和Zr微合金化对于20Cr系齿轮钢热塑性和渗碳处理奥氏体晶粒长大行为的影响，结果表明：对于20Cr系齿轮钢，提高AlN浓度积会使其热塑性恶化，塑性低谷（750900）向高温区移动。而渗碳过程钢中AlN浓度积较低或Ostwald熟化现象，均会减弱AlN的钉扎晶界效果。因此，将钢中的%Al%N 控制在2.910-45.110-4之间偏下限控制较为合适。此外，齿轮钢中的Zr在凝固过程中会优先析出粗大的Zr（C，N），而造成AlN析出量减少，削弱钉扎晶界的效果。故需要对N元素含量进行控制，避免粗大高温析出相的出现对AlN造成影响。关键词：齿轮钢；AlN；热塑性；晶粒度；Zr微合金化DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00020 中图分类号：TG113Effect of AlN and Zr Microalloying on Thermoplasticity and Grain Size of Carburized Gear SteelYang Feifei1，2，3，Xu Haiwei4，Gen Hao5，Ji Chenxi1，2，3，Di Guobiao1，2，3（1 Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China；2 Beijing Key Laboratory of Green Recyclable Process for Iron and Steel Production Technology，Beijing 100043，China；3 Beijing Energy Steel Engineering and Technology Research Center Beijing 100043，China；4 Shougang Jingtang Iron and Steel United Co.，Ltd.，Tangshan 063200，China；5 University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）Abstract：In the carburizing process of gear steel，AlN is often used to control the growth of austenite grains.however，the large amount of AlN precipitation will deteriorate its thermoplasticity and crack sensitivity，and AlN remelts during high temperature carburizing at 1 050，the pinning effect is weakened.By designing steel grades at different AlN concentration product（%Al%N）and Zr microalloying，to study the effect of AlN and Zr microalloying on the growing behavior of thermoplastic and carburization grains of 20 Cr gear steel.The results show that：for 20Cr series gear steel，increasing the AlN concentration product will deteriorate the hot ductility and make the plastic trough（750-900）to move to the high temperature zone.However，the low AlN concentration product or Ostwald ripening phenomenon during carburizing process will weaken the grain boundary pinning effect of AlN.Therefore，it is more appropriate to control%Al%N in steel at the lower limit between 2.910-4-5.110-4.In addition，the Zr in gear steel will preferentially precipitate coarse ZrN during the solidification process，resulting in a decrease in the amount of AlN precipitation and weakening the effect of pinning grain boundaries.Therefore，it is necessary to control the content of N elements to avoid the influence of coarse high temperature precipitation phase on AlN.Key Words：Gear Steel；AlN；Hot Ductility；Grain Size；Zr Microalloying表面渗碳是调控齿轮钢服役性能的常用热处理措施，高温高效渗碳工艺是当前高速重载大模数齿轮热处理的研究课题。如何基于合金设计确定合理的渗碳工艺和有效控制高温渗碳过程中奥氏体晶粒长大，一直是高端齿轮制造过程十分关注的问题。Cr系齿轮钢渗碳工艺通常在930 左右，是产品生产过程中能耗高、效率低和污染大的环节。因此，适当提高渗碳温度、缩短渗碳时间并控制高温渗碳过程的奥氏体晶粒度达到6.0级以上，已成为当前高端汽车制造厂的迫切要求1。实践表明，当前成分体系下，常规的20Cr齿轮钢经950 以上温度渗碳会发生明显的晶粒粗化现象，严重影响后续产品的服役性能2-5。因此，在9501 000 高温下渗碳处理，必须要求钢中具有大量弥散分布的作者简介：杨飞飞（1994-），女，硕士,助理工程师；E-mail：；收稿日期：2023-02-1894第 4 期杨飞飞等：AlN和Zr微合金化对齿轮钢热塑性及渗碳处理晶粒度的影响AlN等二次相钉扎晶界，抑制晶粒粗化倾向6-8。然而，随着齿轮钢中Al和N含量的提高，在连铸冷却过程极易发生大量AlN沿奥氏体晶界呈链状析出，造成晶界弱化、热塑性降低以及铸坯表面裂纹敏感性显著增加9。因此，精确控制钢中N含量及其氮化物析出，对于保持良好的热塑性，并满足后续轧材高温渗碳晶粒度可控的需求具有重要意义。有研究表明，1 000 以上高温渗碳齿轮钢中添加适量微合金化元素Zr，可利用高温稳定性更好的二次相Zr（C，N）有效抑制晶界迁移，具有阻止奥氏体晶粒长大、抑制晶粒粗化现象10-15。Baker等人12研究表明，钢中Zr含量0.011%、N含量0.004 7%，奥氏体晶粒粗化的临界温度为1 050。Maia等人13研究发现，在1 200 下Zr对奥氏体晶粒再加热长大具有一定控制效果。罗瀚宇等人14指出，Zr不仅可以推迟奥氏体的再结晶和晶粒长大，还能增加Ti微合金钢中析出相的数量。然而，热力学分析表明，Zr微合金钢很可能在凝固过程先析出粗大ZrN颗粒，同样不利于铸坯的热塑性，且会明显降低后续AlN的析出量，从而削弱其热处理过程中钉扎晶界效果。本研究拟基于热模拟试验，探讨不同Al、Zr和N含量下20Cr钢的高温热塑性与奥氏体晶粒长大行为，为适合高温渗碳工艺的Cr系齿轮钢合金设计、连铸表面质量和渗碳处理晶粒度的保证提供理论与实验依据。1实验材料与方法高温热塑性实验在Gleeble 3500型热模拟试验机上进行，为使热塑性实验接近铸坯的实际铸态组织特征，热塑性实验样品取自国内某钢厂实际生产的 20Cr齿轮钢铸坯，其合金成分见表 1，样品尺寸为：直 径 10 mm，长 度 110 mm，两 端 螺 纹 为M10 mm10 mm。拉伸温度为 6501 050，试样以 10/s加热至 1 350，保温 10 min以使试样中AlN完全固溶。随之以3/s冷却至1 150 后，以0.4/s冷却至拉伸温度，保温3 min待温度稳定后开始拉伸至试样断裂，应变速率为10-4 s-1，断裂后立即快速冷却降温。模拟渗碳处理实验样品采用50 kg真空感应炉冶炼，锻造成断面为40 mm40 mm方件，其化学成分见表1。从中切取13 mm13 mm15 mm试样，通过马弗炉进行模拟渗碳处理。为研究不同AlN浓度积的20Cr钢材在不同渗碳处理制度下的奥氏体化晶粒长大行为，设计模拟渗碳工艺见表2。经模拟渗碳处理后的试样进行金相试样制备，采用饱和苦味酸活性试剂浸蚀，在光学显微镜下观察原奥氏体晶粒，根据ASTM标准通过Nano-Measurer分析软件测定晶粒平均尺寸。通过冷场发射电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）对于析出物形貌、成分进行微观尺度观察。透射电镜试样为碳复型试样，其制备过程为：样品表面经耐水砂纸打磨后抛光4%硝酸酒精溶液浸蚀喷碳膜1%2%盐酸溶液脱碳膜捞取碳膜（铜网）。此外，通过Thermo-Calc热力学软件计算析出相的组成，采用TCFE8铁基数据库，各组元按质量分数输入，钢种化学成分见表1。2实验结果及讨论2.1AlN对齿轮钢热塑性影响利用拉伸温度与断面收缩率的关系反映其热塑性，国内某钢厂20Cr齿轮钢的热塑性曲线如图1所示。若以断面收缩率小于40%作为裂纹敏感性判断依据，该齿轮钢铸坯约在750 和900 附近存在两个塑性低谷，断面收缩率最小为20%。一般认为，750 附近的脆性断裂归因于其接近 Ar3温度，在晶界产生的较薄先共析铁素体膜会急剧恶化钢坯的热塑性16-17；900 附近的脆性机制则归因于晶界AlN粒子的大量析出18-19。其中，脆性区850 附近的热塑性回升现象，原因在于AlN大量析出后可能发生熟化、数密度降低18。实际连铸过程中矫直段铸坯温度如果落在该温度区间，则容易发生角表1高温热塑性及模拟渗碳处理实验钢20Cr化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of 20Cr for high temperature thermoplastic and simulated carburizing test steel%实验钢高温热塑性样渗碳锻造样试样号铸坯1#2#3#4#5#6#C0.210.220.220.210.210.210.23Si0.320.310.310.300.320.270.31Mn0.880.890.880.880.880.850.90Cr1.231.211.221.221.231.231.20Zr-0.0120.012Als0.0280.0180.0190.0290.0280.0240.033N0.01