連桿心部組織中上貝氏體的消除方法

顏培慶，單 杰，侯海山，管其學(xué)

(江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司，江蘇大豐 224100)

材料為20CrMo的連桿產(chǎn)品，壁厚8 mm。使用江蘇豐東UBE-1000的多用爐生產(chǎn)線進(jìn)行滲碳、緩冷及二次加熱淬火、回火，檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品心部組織有10% ～15%的上貝氏體和粒狀貝氏體。上貝氏體脆性大，會降低產(chǎn)品的韌性和屈服強(qiáng)度，對產(chǎn)品的綜合機(jī)械性能會產(chǎn)生不利影響［1］，因此要消除心部的上貝氏體。通過調(diào)整產(chǎn)品的熱處理工藝，提高二次加熱溫度，并降溫淬火能控制心部組織中不出現(xiàn)上貝氏體。

1 工藝流程及試驗(yàn)方法

20CrMo材料是比較常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼和滲碳鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 20CrMo材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 20CrMo material(ω，%)

20CrMo材料的臨界溫度Ac1為755℃，Ac3為840℃，Ms為380℃。為了消除原材料及熱鍛缺陷對試驗(yàn)的影響，所用試驗(yàn)產(chǎn)品均進(jìn)行擴(kuò)散退火處理。

產(chǎn)品的熱處理工藝如下:

1)滲碳、緩冷工藝見圖1。采用江蘇豐東UBE-1000帶緩冷多用爐進(jìn)行滲碳緩冷后，檢測產(chǎn)品沒有出現(xiàn)上貝氏體。

2)二次加熱淬火工藝見圖2。

圖1 滲碳緩冷工藝Fig.1 Process of carburizing and slow cooling

圖2 二次加熱淬火工藝Fig.2 Process of second heating and quenching

3)淬火后的回火工藝見圖3。檢測發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品心部出現(xiàn)10% ～15%的上貝氏體組織(如圖4所示)。

圖3 回火工藝Fig.3 Process of tempering

2 上貝氏體組織的形成原因及消除對策

由20CrMo的TTT圖(見圖5)可知，形成上貝氏體的溫度在320～620℃之間。淬火冷卻時(shí)在500～620℃保持1 s以上就會有上貝氏體組織出現(xiàn)［2］。

圖4 心部組織為上貝氏體Fig.4 The core microstructure of upper bainite

圖5 20CrMo鋼的 TTT圖［2］Fig.5 TTT picture of 20CrMo steel［2］

由此分析產(chǎn)品心部出現(xiàn)上貝氏體組織，是由于冷卻時(shí)在上貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間停留時(shí)間較長，形成少量的上貝氏體組織。解決問題的方向就是盡可能縮短在上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間的停留時(shí)間，即:增大冷卻速度。但現(xiàn)有條件是油品確定，提高冷速的條件不滿足。另外一個(gè)途徑就是盡可能使C曲線右移，延長孕育期，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變。我們知道合金元素對TTT圖的影響很大。當(dāng)Mo、Cr元素溶入奧氏體的含量增加時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變移向高溫，而貝氏體轉(zhuǎn)變則移向低溫，推遲貝氏體的轉(zhuǎn)變［3］。這要對二次加熱淬火的工藝進(jìn)行調(diào)整，可以適當(dāng)提高奧氏體化溫度。

3 調(diào)整后的熱處理工藝

新一批產(chǎn)品調(diào)整二次加熱淬火工藝，見圖6，其它熱處理工藝不變。檢測產(chǎn)品心部組織無上貝氏體，有2% ～5%的粒狀貝氏體(如圖7)，符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

圖6 調(diào)整后的加熱淬火工藝Fig.6 Process of heating and quenching after adjustment

圖7 心部組織為粒狀貝氏體，無上貝氏體Fig.7 The core microstructure is of granular bainite，no upper bainite

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩組試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn):奧氏體化溫度提高到880℃保溫30 min，再降溫到840℃淬火，心部組織中沒有出現(xiàn)上貝氏體，只存在少量的粒狀貝氏體。奧氏體化溫度的高低對貝氏體的形成轉(zhuǎn)變有重要影響。奧氏體化溫度的升高，可以提高溶入奧氏體內(nèi)的合金元素和碳的含量。溶入奧氏體內(nèi)的合金元素Cr、Mo會使C曲線右移，提高孕育期;奧氏體化溫度升高，會使奧氏體均勻化時(shí)間縮短，降低奧氏體內(nèi)濃度漲落，可以推遲貝氏體的轉(zhuǎn)變。

作為貝氏體新相的晶核是以起伏形成的。濃度起伏形成貧碳區(qū)，結(jié)構(gòu)起伏形成體心核坯，能量起伏提供核坯和臨界晶核所需的能量上漲。三種起伏的相互作用使微小的起伏迅速放大，致使奧氏體貧碳區(qū)的結(jié)構(gòu)(fcc)失穩(wěn)而瓦解，建構(gòu)bcc結(jié)構(gòu)的BF晶核。

奧氏體化溫度的高低會影響到奧氏體化狀態(tài):包括奧氏體的晶粒度、成分的不均勻度、晶界偏聚、剩余碳化物的量等，這些因素均會對過冷奧氏體的貝氏體相變產(chǎn)生重要影響。隨奧氏體化溫度提高，穩(wěn)定奧氏體化作用的溶質(zhì)元素溶解更加充分，合金碳化物溶解量增多，分布更加均勻，從而過冷奧氏體更加穩(wěn)定，貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線右移，推遲貝氏體相變的發(fā)生［1］。

對于本試驗(yàn)的產(chǎn)品，淬火油冷速一定的情況下，產(chǎn)品心部冷卻到500～600℃的保持時(shí)間為恒定值。這樣，通過提高奧氏體化溫度后，使得C曲線右移，貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期增加，貝氏體轉(zhuǎn)變被延遲，從而不發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變，消除了產(chǎn)品心部組織中的上貝氏體。

5 結(jié)論

1)對于20CrMo材料，奧氏體化溫度的高低會影響貝氏體的形態(tài)。

2)溶入奧氏體中的合金元素以及碳元素的含量是影響貝氏體轉(zhuǎn)變的根本原因。

［1］ 劉宗昌，王海燕，任慧平，等.貝氏體鐵素體形核長大的熱激活遷移機(jī)制［J］.金屬熱處理2007，32(11):1－5.

［2］ 崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007:209.

［3］ 劉宗昌，任慧平 .貝氏體與貝氏體相變［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009:75，273－275.