二次淬火对20CrMnTi渗碳钢组织和扭转强度的影响

来源:辽宁工程技术大学材料科学与工程作者:迟长志

利用正交试验一次淬火、二次淬火和低温回火处理对20CrMnTi渗碳钢组织和扭转强度的影响进行研究。结果表明:二次淬火能明显细化和强化组织,获得扭转强度最大的最佳工艺为二次860 ℃淬火,220 ℃×4 h回火;二次淬火对20CrMnTi钢的扭转强度有明显提高。

20CrMnTi作为一种典型的低合金渗碳结构钢在工程中广泛用于制造轴类、齿轮类零件,通常在渗碳后进行淬火+回火处理。二次淬火作为一种强韧化方法在实际中应用较多。用正交试验经一次淬火、二次淬火和低温回火处理对20CrMnTi渗碳钢组织和扭转强度的影响进行了探讨。

1、试验

1.1、材料

试验材料采用20CrMnTi钢,其化学成分(质量分数)为:0.17% ~0.23% C,0.17% ~0.37% Si,0.80% ~1.10% Mn,1.00% ~1.30% Cr,S、P≤0.035% ,Ni、Cu≤0.030%,0.04%~0.10% Ti,其余Fe。按照国家标准GB10128-2007-T金属材料室温扭转试验方法制备扭转试样,形状尺寸见图1。

1.2、方法

试样形状尺寸

图1 试样形状尺寸

试件在RQ3-25-9型滴注式气体渗碳炉内渗碳,渗碳剂用工业煤油和甲醇。渗碳温度为930 ℃,渗碳时间为4.5 h。待炉温降至淬火温度后保温30 min,油冷,第二次淬火在中温电阻炉中加热,淬火后放入180~220 ℃回火炉中保温2~4 h后空冷。为研究二次淬火温度、回火温度和时间的影响,采用四因素三水平的L9(34)正交表安排试验。显微硬度用HV-1000Z型自动转塔显微硬度计测定。扭转试验用NDS-1000微机控制扭转试验机进行扭转试验,由机自带软件自动求取最大扭矩、抗扭强度等。经磨制、抛光处理后,用4%硝酸酒精溶液腐蚀;在OLS4000型激光共焦显微镜上观察微观组织。

2、结果与分析

2.1、渗层组织

20CrMnTi钢渗碳后,一次淬火得针状马氏体+二次渗碳体的整合组织,随一次淬火温度的提高,组织中的未溶二次渗碳体明显减少。二次淬火后组织细化且二次渗碳体消失,见图2。可以看出,20CrMnTi钢经过930 ℃渗碳处理后,渗碳表层组织由珠光体+铁素体的亚共析组织转变为珠光体+二次渗碳体的过共析组织。二次淬火后获得针状马氏体+碳化物的双相组织,其形成过程:在第一次淬火加热到820 ℃的过程中,经渗碳处理得到的珠光体+二次渗碳体的过共析组织经历了奥氏体化,在这个过程中,珠光体没有完全转变成奥氏体,并有少量的渗碳体溶入奥氏体,此时奥氏体晶粒细小,且其碳的质量分数稍高于共析成分;如果继续升高淬火温度,则二次渗碳体继续溶入奥氏体中,奥氏体晶粒也会长大,奥氏体中碳浓度不断升高,到860 ℃时二次渗碳体基本溶解到奥氏体中。经过快速冷却奥氏体来不及共析分解和贝氏体转变,而在马氏体点温度以下发生马氏体转变,生成片状马氏体,淬火后得到的淬火组织为马氏体+碳化物。在第一次淬火后,第二次淬火再次加热到两相区,碳化物溶解,经过二次淬火,钢的组织明显细化。淬火后得到的淬火组织为马氏体+残余奥氏体,马氏体和残余奥氏体是不稳定的相,有自发地向铁素体+渗碳体组织转变的趋势;而经回火,碳原子偏聚形成富碳原子团,马氏体开始分解,马氏体中溶解的过饱和碳浓度下降,正方度减少,并有碳化物析出形成回火马氏体。在200 ℃以上回火时,残余奥氏体也发生转变生成回火马氏体。

渗层组织

图2 渗层组织

2.2、心部组织

20CrMnTi 钢渗碳后心部成分没有改变,经过840 ℃一次淬火,然后200 ℃×4 h回火得到的金相组织为回火板条马氏体和铁素体(图3a)。820 ℃一次淬火后,840 ℃二次淬火,200 ℃×3 h回火得到的金相组织为回火马氏体+铁素体组织(图3b)。

由图3可见,20CrMnTi钢心部二次淬火获得回火条状马氏体+铁素体组织,其形成过程:渗碳后20CrMnTi钢心部组织仍为珠光体+铁素体的亚共析组织,在加热到两相区的过程中,珠光体和铁素体向奥氏体转化,奥氏体碳浓度降低,经一次淬火得到的板条马氏体+铁素体的整合组织。在随后二次淬火时,经历了一个短暂的回火过程,在这个过程中,碳向原板条马氏体边界聚集,并以碳化物的形式形核、长大。加热温度一旦进入两相区,这个过程就终止,此时碳化物呈短棒状,在两相区内碳化物首先开始溶解,使碳化物周围产生富碳区,该区正好为刚进入两相区、含碳量较高的奥氏体的形核、长大提供了有利条件。可见,新生的奥氏体在原板条马氏体的板条边界形核,由于马氏体板条边界不仅缺陷较多,而且富碳,所以奥氏体沿原板条马氏体板条边界长大比其它任何方向长大快得多。同时,在形成奥氏体的过程中,原板条马氏体由于碳的脱溶成为铁素体,这些铁素体的存在阻碍和限制了奥氏体在垂直于板条边界方向的长大,因此,奥氏体沿马氏体板条边界长大,并且迅速布满整个原板条马氏体边界。于是在两相区保温时,形成了条状铁素体和条状奥氏体相互间隔的组织。随淬火温度升高,铁素体逐渐减少,而绝大部分条状奥氏体则发生无扩散型转变而成为马氏体,就得到了铁素体+条状马氏体组织。

心部组织

图3 心部组织

2.3、显微硬度

将20CrMnTi钢经860 ℃二次淬火,200 ℃×2 h回火,测定自表层至心部的显微硬度分布,如图4所示。

表面至心部的显微硬度分布

图4 表面至心部的显微硬度分布

20CrMnTi 钢渗碳淬火后的硬度在表层最高,心部最低,这是由于20CrMnTi钢渗碳淬火后的组织从表面到心部依次为片状马氏体+碳化物→片状马氏体→板条马氏体。

2.4、热处理工艺对扭转强度的影响

热处理后的试样,使用NJ-50型扭矩试验机检测材料的扭转强度结果,见表1。由极值R 可看出,影响扭转强度因素的主次顺序为二次淬火温度的影响最大,一次淬火温度的影响次之,回火保温时间的影响较小,回火温度对扭转强度的影响最小。获得最大扭转强度的热处理工艺一次淬火温度为860 ℃,二次淬火温度为860 ℃,回火温度为220 ℃,回火保温时间为4 h。

表1 扭转试验结果

扭转试验结果

图5为各影响因素对20CrMnTi 钢扭转强度的影响。可以看出,一次淬火温度的升高,扭转强度随之提高,特别是当一次淬火温度大于840 ℃后试件扭转强度有明显提高。随着淬火温度提高,碳化物溶入奥氏体增多,马氏体中的含碳量增多,钢的强度增大因而扭转强度提高。二次淬火温度的升高,扭转强度也随着提高。在840~860 ℃淬火,扭转强度随着淬火温度的升高而升高。当淬火温度增加时,合金元素和碳元素都能很好地溶入高温奥氏体中,转变成马氏体中的含碳量也增加,二次淬火又使组织细化强度提高,综合作用使扭转强度有所提高。

随着回火温度和回火保温时间增加,在回火温度200 ℃、回火保温时间3h时扭转强度达到最低;当回火温度和回火保温时间继续升高,扭转强度随着回火温度和回火保温时间升高而提高。在180~200 ℃,由于低温回火对其韧性等影响不大,扭转强度变化也较小。但是随着回火温度的进一步升高和回火时间的延长,可以更好地消除材料在淬火时产生的内应力,使20CrMnTi钢的综合强度提高,进而提高扭转强度。

热处理工艺对渗碳后20CrMnTi钢扭转强度的影响

图5 热处理工艺对渗碳后20CrMnTi钢扭转强度的影响

3、结论

1)20CrMnTi二次淬火后渗碳层组织为针状马氏体+碳化物且分布均匀,心部为条状马氏体+铁素体。

2)影响扭转强度的因素为:一次淬火温度>二次淬火温度>回火保温时间>回火温度;其中一次淬火和二次淬火温度对扭转强度影响特别显著。获得扭转强度最大的最佳工艺为二次860 ℃淬火,220 ℃×4 h回火。

3)淬火温度、回火温度和回火保温时间增加,扭转强度随着回火温度和回火保温时间升高而提高。二次淬火对20CrMnTi钢的扭转强度有较大的提高。