影響SCr420H材料滲碳晶粒異常長(zhǎng)大因素探討

文／王傳佳·東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司

本文研究了熱加工溫度、材料成分等對(duì)以Al作為主要細(xì)化晶粒的SCr420H材料的工件滲碳晶粒度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，以Al/N作為主要細(xì)化晶粒元素的SCr420材料，提高開(kāi)坯溫度和鍛造溫度，保證合適的Al和N的含量及適當(dāng)?shù)腁l/N有利于避免后續(xù)高溫滲碳的晶粒粗化及混晶發(fā)生。

提高滲碳溫度，可以顯著降低滲碳時(shí)間。滲層深度在0.5mm左右，930℃滲碳需要10小時(shí)以上，而用980℃滲碳，滲碳時(shí)間可以減少到3小時(shí)。滲碳時(shí)間減少，可以顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)降低能源消耗，因此高溫滲碳是目前滲碳工藝的發(fā)展方向之一。

但提高滲碳溫度，如果對(duì)材料等不加以特殊控制，工件的晶粒會(huì)異常長(zhǎng)大，進(jìn)而降低工件的韌性和疲勞強(qiáng)度。因此用于高溫滲碳的鋼，需要添加一些合金元素來(lái)細(xì)化晶粒。用于高溫滲碳的材料，目前有通過(guò)加Nb、Ti等形成合金滲碳體和碳氮化合物，在滲碳過(guò)程中，這些細(xì)小的合金滲碳體或碳氮化合物能起到釘扎作用，阻止晶粒異常長(zhǎng)大。

一般認(rèn)為，溫度在不超過(guò)1000℃的情況下，在材料中加入Al和N，材料基體中會(huì)形成細(xì)小的AlN質(zhì)點(diǎn)，可以有效的阻止?jié)B碳過(guò)程中晶粒異常長(zhǎng)大。在生產(chǎn)實(shí)踐中，用真空滲碳爐進(jìn)行980℃高溫滲碳，結(jié)果出現(xiàn)了部分批次的晶粒異常長(zhǎng)大的問(wèn)題。本文主要就SCr420H材料中的Al、N的添加量，鋼材軋制及鍛造加熱溫度等影響AlN的析出量及析出尺寸的因素進(jìn)行討論，找到解決高溫滲碳后晶粒異常長(zhǎng)大的原因，從而在生產(chǎn)實(shí)踐中加以應(yīng)用，防止?jié)B碳過(guò)程中晶粒異常長(zhǎng)大。

AlN量對(duì)晶粒異常長(zhǎng)大的影響

AlN對(duì)晶粒細(xì)化是靠細(xì)小的AlN對(duì)晶界的釘扎實(shí)現(xiàn)的。Gladman公式為計(jì)算晶粒異常長(zhǎng)大的臨界尺寸。

式中，rcrit為晶粒異常長(zhǎng)大的臨界尺寸，R0為初始阻止粗細(xì)因子，f為細(xì)化晶粒的AlN的體積分?jǐn)?shù)，Z為晶粒尺寸不均勻性因子。

由公式(1)可知，為了保證晶粒不異常長(zhǎng)大，在材料基體中應(yīng)存在足夠體積分?jǐn)?shù)的釘扎晶界的第二相顆粒。對(duì)于SCr420H材料，需要保證有大量的細(xì)小尺寸的AlN。如果滲碳時(shí)局部區(qū)域的AlN量不足以抑制晶粒異常長(zhǎng)大，在高溫情況下，晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中超過(guò)了rcrit，那么在超出區(qū)域的晶粒就會(huì)異常長(zhǎng)大。

為了保證材料中有足量的AlN，一般認(rèn)為材料中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要＞0.025%，一般材料中加入Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.035%左右。

AlN尺寸對(duì)晶粒異常長(zhǎng)大的影響

將980℃高溫滲碳后無(wú)晶粒異常長(zhǎng)大（圖1）和晶粒異常長(zhǎng)大（圖2）的工件，用FE-SEM分析AlN尺寸分布，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

從AlN尺寸看，發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大的工件，AlN較大尺寸(超過(guò)140nm)所占的比例較多，細(xì)小AlN顆粒數(shù)量（體積分?jǐn)?shù)）較少；而不發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大的工件，較大尺寸AlN占比較少，AlN均勻細(xì)小，且數(shù)量較多。

這說(shuō)明均勻細(xì)小的AlN顆粒對(duì)于細(xì)化奧氏體晶粒是重要的。在實(shí)際工程控制中，必須確保最終析出的AlN是均勻細(xì)小的。

原材料中的Al及N含量

SCr420H材料主要化學(xué)成分如表1所示。

為了確保產(chǎn)品滲碳前得到均勻細(xì)小的AlN，除了前文提及的要有足夠量的Al和N元素以外，還要確保加入材料中的Al和N形成的AlN在熱鍛加熱時(shí)能完全固溶，這樣在隨后熱處理加熱過(guò)程中，AlN才能以細(xì)小的顆粒析出。否則在鍛造加熱過(guò)程中未固溶的AlN本身已經(jīng)粗化，同時(shí)在冷卻或者重新加熱析出AlN時(shí)，未固溶的AlN會(huì)成為新的AlN的形核核心，導(dǎo)致AlN的尺寸變大。

根據(jù)文獻(xiàn)中給出的AlN在奧氏體中的溶解度公式：

SCr420材料與Al和N結(jié)合的主要是AlN，同時(shí)結(jié)合AlN的分子量，Al和N的最佳分子量重量百分比是13∶7。

計(jì)算AlN在不同加熱溫度的溶解度積及Al和N的最佳含量結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 SCr420H主要化學(xué)成分（wt%）

從表2可以看出，要使AIN在1200℃全部固溶，那么Als的含量應(yīng)不大于0.032%，而N含量應(yīng)不大于173ppm。而如果Al和N的含量超出該范圍，有可能有部分的AlN未固溶，從而成為隨后析出的核心，導(dǎo)致析出的AlN尺寸超出細(xì)化晶粒有效范圍，在滲碳奧氏體化過(guò)程中，粗大的AlN起不到細(xì)化晶粒的作用。

為了證實(shí)該數(shù)據(jù)與實(shí)際情況的吻合情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)，用不同的加熱溫度及滲碳溫度來(lái)確認(rèn)不同成分材料的晶粒異常長(zhǎng)大的趨勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中，鋼材的Als及N含量，加熱溫度及滲碳后晶粒是否混晶（晶粒異常長(zhǎng)大）等結(jié)果如表3所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看，第一組材料的Al含量最低，N含量也不高，但Al和N比值接近最佳比例13∶7，按照表2計(jì)算，在1150℃基本上可以全部溶解，所以在表3中不同鍛造溫度下鍛造后，工件在隨后的熱處理過(guò)程中在980℃和1000℃均未發(fā)生混晶，整體對(duì)阻止晶粒異常長(zhǎng)大效果最顯著。

第二組材料和第三組材料有相似的Al含量，但N含量不同。根據(jù)上述固溶度的公式(2)計(jì)算，兩元素含量的乘積第三組材料高。按照表2的計(jì)算，第三組材料在1150℃和1200℃都無(wú)法完全固溶。所以第二組材料抵抗高溫的晶粒長(zhǎng)大效果較第三組材料好。

第一組材料1260℃加熱，對(duì)阻止奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大效果最好（1020℃滲碳也未發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大），與鍛造加熱時(shí)間較短，1260℃加熱較1150℃和1200℃加熱時(shí)AlN固溶更充分有關(guān)。

另外，1200℃時(shí)，第三組的AlN無(wú)法完全固溶，按照公式(2)及未固溶的Al/N=(Al含量-Al固溶量)/(N含量-N固溶量)=13∶7，與公式(2)聯(lián)合求解，得到固溶的Al含量為0.028%。也就是說(shuō)雖然試驗(yàn)三的材料的Al含量為0.041%，在1200℃加熱時(shí)只有0.028%的AlN能夠固溶，隨后析出細(xì)小部分的比例大幅度降低，且材料中含有0.013%未固溶粗化的AlN。

表2 不同加熱溫度下AlN的溶解度積及最佳Al和N含量

表3 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)，可以看出，原材料中的Al和N含量在抑制晶粒長(zhǎng)大中有一個(gè)最佳的比值13∶7。結(jié)合鍛造溫度在1200～1250℃，最佳的Al范圍是0.034%～0.047%，N的范圍是0.017%～0.025%。

在工程實(shí)際中，將Al含量控制在0.034%～0.040%，N含量控制在170～200ppm可以保證AlN在正常鍛造加熱溫度中固溶，過(guò)高的Al或N含量，不合適的Al/N都可能導(dǎo)致AlN在熱鍛過(guò)程中不能固溶，從而對(duì)控制滲碳的晶粒異常長(zhǎng)大不利；而Al含量過(guò)低，析出的AlN量不足，也起不到抑制晶粒異常長(zhǎng)大的作用。

軋制及鍛造加熱溫度

從表1可以看出，隨著鍛造加熱溫度的提高，AlN能溶解到奧氏體中的含量越高，殘存的氮化鋁的含量也越少。

從表3試驗(yàn)結(jié)果看，隨著鍛造加熱溫度的提高，各種含量的材料抑制晶粒長(zhǎng)大的能力都得到了增強(qiáng)。

為了驗(yàn)證加熱溫度與晶粒長(zhǎng)大的關(guān)系，我們對(duì)表3中的第二組材料不同加熱溫度下的AlN進(jìn)行FESEM分析，觀察殘余的AlN的含量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

從試驗(yàn)結(jié)果看，與理論計(jì)算趨勢(shì)一致，即加熱溫度越高，AlN固溶越充分，殘余AlN越少。但按照理論計(jì)算，1200℃及以上AlN應(yīng)該完全固溶。但實(shí)際情況是不同加熱溫度都有一定的AlN殘存，原因是鍛造加熱時(shí)間短，同時(shí)鍛造加熱大坯料，其截面溫度偏差通常能達(dá)到20～30℃，溫度低的地方固溶也會(huì)相對(duì)不充分。

添加Al細(xì)化晶粒的鋼，在連鑄過(guò)程中，AlN會(huì)比較粗大。為了使粗大的AlN充分固溶，原材料在軋制前需要高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱，確保AlN充分固溶。一般鋼廠固溶加熱溫度≥1230℃，時(shí)間≥2小時(shí)。

鍛造加熱溫度適當(dāng)提高，對(duì)于鍛造前AlN充分溶解是有利的，而鍛造加熱固溶的AlN才能確保在隨后冷卻或加熱過(guò)程中細(xì)小的AlN分布在基體上，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

一般熱鍛鍛造加熱溫度在1150～1250℃，但是對(duì)于SCr420H材料，為了保證AlN的充分固溶，有必要將鍛造加熱最高溫度控制在1250℃左右，這樣即使考慮連續(xù)生產(chǎn)中的坯料截面溫度差異，也能保證最低溫度在1230℃以上。而根據(jù)我們的試驗(yàn)，該材料即使加熱到1280℃也未發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。

所以，對(duì)于該材料，加熱目標(biāo)溫度設(shè)定在1260℃，低溫排料溫度設(shè)定在1230℃(考慮加熱床能力)，高溫排料溫度設(shè)定在1280℃是有必要的，現(xiàn)場(chǎng)加熱床加熱能力也能滿足該工藝要求。

同樣，對(duì)于鋼廠軋制來(lái)說(shuō)，必須保證軋制前的加熱溫度較高，保證AlN充分固溶。生產(chǎn)實(shí)際中，將Al及N含量控制在一定范圍，較常規(guī)材料軋制加熱溫度高20～40℃就可以保證AlN的充分固溶。

結(jié)論

⑴足量的細(xì)小AlN是保證以Al細(xì)化晶粒的滲碳件不發(fā)生混晶的基礎(chǔ)。

⑵合適的Al和N含量及合適的Al/N比值是確保AlN在熱鍛時(shí)固溶，并在隨后析出細(xì)小AlN的前提。工程中Al和N含量分別控制在0.034%～0.040%及170～200ppm，Al/N比值接近2(13∶7)。

⑶適當(dāng)提高鍛造及軋制的加熱溫度，有利于AlN的充分固溶，隨后析出的均勻細(xì)小的AlN可以防止隨后滲碳晶粒異常長(zhǎng)大。