Nb微合金化对齿轮钢高温渗碳奥氏体晶粒度的影响

摘要：通过Nb微合金化提高渗碳温度是当前发展高端齿轮钢的重要思路。以20Cr钢为基准成分,通过实验室熔炼、锻造以及977~1134℃范围内高温伪渗碳实验,研究了0.02%、0.04%、0.06%、0.08%等不同Nb质量分数下渗碳后的奥氏体晶粒结构。在此基础上,依据热力学计算及析出颗粒熟化模型,对AlN、Nb(C,N)颗粒的钉扎强度进行估算并与晶粒尺寸建立联系,得到了适用于含Al、Nb齿轮钢的奥氏体晶粒度控制预测模型。最后,依据此模型分析了Nb含量对20Cr钢渗碳温度的影响,并基于高温渗碳目标提出了Nb微合金化的成分建议。     

齿轮钢晶粒尺寸对淬透性的影响

以20CrNiMoH齿轮钢为实验对象,研究了齿轮钢不同晶粒尺寸对其淬透性的影响。在同一棒料上截取端淬试样,经925、950、980、1 000和1 050℃等不同奥氏体化温度处理后开展末端淬火实验,结果发现经不同奥氏体化温度处理的试样淬透性能差距较大。进一步研究发现,20CrNiMoH齿轮钢试样淬透性能的不一致主要源自于不同试样晶粒尺寸的差别。20CrNiMoH齿轮钢试样经不同奥氏体化温度处理后,晶粒尺寸和长大趋势不同,晶粒尺寸长大会推迟过冷奥氏体相变发生,从而保持奥氏体的稳定性,提高齿轮钢的淬透性。此外还定量研究了20CrNiMoH齿轮钢晶粒度等级同淬透性硬度的关系,发现20CrNiMoH钢晶粒度级别提高1级,J5、J9和J15处端淬硬度值分别下降约1.9HRC、4.0HRC和1.3HRC,J9处端淬硬度受晶粒度的影响最为显著。     

高温渗碳齿轮钢的研究进展

常用齿轮钢渗碳温度为930℃,提高渗碳温度至1000～1050℃能显著缩短渗碳时间,但易引起晶粒长人,因此发展了通过Nb、Ti、B微合金化,细化钢原奥氏体晶粒的高温渗碳齿轮钢。文中介绍了国内外高温渗碳齿轮钢的钢种成分、工艺特点、高温渗碳层组织控制和钢的疲劳性能的研究进展。     

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

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(750～900℃)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2.9×10^-4～5.1×10^-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。     

微合金元素Ti对20CrMnTi齿轮钢质量的影响

研究了钢中Ti回收率的影响因素、Ti含量对钢中Ti夹杂物含量和奥氏体晶粒长大倾向的影响,以及C-Ti对20CrMnTi钢淬透性和力学性能的影响。结果表明,当Ti含量超过0.03%时,20CrMnTi钢中Ti夹杂物含量明显增加;当Ti含量从0.01%增至0.04%,980℃1h处理后钢中晶粒度从5级提高到8级;当控制C-Ti= 0.12%时,钢的淬透性带的宽度为HRC 4～6。     

高温渗碳齿轮钢的晶粒粗化行为

  为了开发适合980 ℃高温渗碳的齿轮钢，利用伪渗碳方法，研究了铌质量分数为0、0.036%、0.060%和0.100%的18Cr2Ni2Mo渗碳齿轮钢在930和980 ℃的晶粒粗化行为。结果表明，由于析出NbC钉扎晶界，铌微合金化可以显著细化试验钢在930和980 ℃奥氏体化后的晶粒尺寸，且随着铌质量分数增加，铌微合金化明显抑制试验钢在980 ℃长时间奥氏体化晶粒粗化倾向。添加0.100%Nb的18Cr2Ni2Mo齿轮钢在980 ℃奥氏体化20 h后，平均晶粒尺寸仍然在26 μm左右，适合于980 ℃高温长时间渗碳。     

预热处理工艺对SCr420H齿轮钢高温渗碳奥氏体晶粒长大行为的影响

实验研究了加热温度和保温时间对具有不同AlN析出状态的SCr420H齿轮钢的奥氏体晶粒长大行为的影响。用Thermo-Calc热力学计算软件计算了实验钢AlN析出相的平衡溶解规律，并用场发射透射电子显微镜研究了实验钢中AlN的析出行为。结果表明，热轧空冷态的试样在950～1 050℃渗碳0.5 h均出现混晶，奥氏体平均晶粒度级别低于5级。经过1 210℃固溶水淬处理的试样在950～1 000℃渗碳0.5～6 h和在1 050℃渗碳0.5～2 h奥氏体晶粒均不发生长大，晶粒度级别在9.5～10级；在1 050℃渗碳2 h以后开始出现异常晶粒长大。试样经1 210℃固溶水淬后在700℃等温1 h水冷处理，可使其在1 050℃渗碳8 h而不发生异常晶粒长大或混晶，奥氏体晶粒平均尺寸为14μm，晶粒度级别为9.4级。试样在渗碳过程中的奥氏体晶粒长大行为主要受钢中第二相AlN的溶解度和熟化速率控制。固溶后在1 050℃渗碳0.5 h的试样中AlN析出相尺寸均小于80 nm，平均尺寸为27.8 nm，渗碳2.5 h的试样中出现了尺寸大于100 nm的AlN粒子，数量占比为14.3%,AlN粒子的平...     

基于钒超淬透性的8.8级耐候螺栓淬透性调控

利用CCT曲线、金相观察和V(C,N)的固溶度积计算,研究了8.8级耐候螺栓在不同工艺条件下的淬透性。结果显示,在钢中加入适量钒元素,并提高淬火温度,可有效提高奥氏体固溶钒的含量,形成奥氏体晶界偏聚,降低奥氏体晶界能,提高淬透性。并且根据不同温度时耐候螺栓用钢棒材中心硬度值,确定了获取良好淬透性的最优淬火温度,为开发低碳含量的8.8级耐候螺栓用钢提供了思路。     

汽车用齿轮钢奥氏体晶粒长大与第二相粒子控制技术研究进展

伴随着全球双碳政策的实施,节能减排成为汽车制造业发展的首要目标之一.汽车用齿轮钢采用的更高温度结合更短时间的渗碳工艺是目前各齿轮生产企业最为直接的降碳措施,但齿轮钢在高温渗碳生产过程中却时常发生奥氏体晶粒异常粗大的问题,且渗碳温度越高混晶现象越严重.因此,各企业对齿轮钢进行微合金化,通过添加微合金元素在加热过程中析出第二相粒子产生钉扎作用来阻碍奥氏体晶粒异常长大,从而需要对复杂的齿轮钢奥氏体晶粒长大与第二相粒子析出机制进行研究.通过对奥氏体晶粒度、奥氏体晶粒长大机制及模型、第二相粒子(Nb(C,N)/AlN)对奥氏体晶界移动的钉扎作用及模型、以及加热温度与保温时间对奥氏体晶粒长大和第二相粒子钉扎作用的影响等进行了文献综述,阐明了奥氏体晶粒长大规律、第二相粒子的控制方法与抑制奥氏体晶粒长大的钉扎机制,为高质量齿轮钢的生产提供参考.     

超细晶钒微合金化双相钢性能

研究了钒微合金化对高强双相钢微观组织及性能的影响。与Fe-0.186C-1.5Mn-0.3Si-0.008N参照钢相比,加入0.14%V带来如下效果:(1)在冷轧及退火状态铁素体晶粒高度细化;(2)严重推迟在连续退火过程中铁素体向奥氏体转变的初始动力学;(3)慢冷条件下铁素体开始转变温度稍微提高,但珠光体和贝氏体转变被抑制,导致淬透性提高;(4)在临界退火温度≤740℃时观察到未溶渗碳体;(5)750℃/180 s退火后铁素体相中发现大量V(C,N)析出(平均直径7.4 nm),而马氏体(奥氏体)中析出物稀少,尺寸更大(平均直径13.4 nm);(6)不含钒参照钢抗拉强度随马氏体体积分数增量为~16 MPa/%,而含钒钢由于晶粒细化和铁素体选择强化,强度随马氏体含量变化增量相当低(~4 MPa/%),在马氏体体积分数45%变软。     

钒、钛微合金化对35MnBH钢淬透性的影响

通过实验室研究了钒、钛微合金化对35MnBH钢淬透性的影响,分析了V及V、Ti复合微合金化对35MnBH淬透性影响,试验结果表明采用V、Ti两种复合微合金化比单独使用V微合金化在提高钢的淬透性方面,平均提高1~4HRC,尤其在J11后的末端淬透性硬度下降明显趋缓。     

齿轮钢22CrMoH淬透性的控制

为满足大规格22CrMoH齿轮钢窄淬透性的要求,兴澄特钢在实际生产中采用包内合金化与RH成分微调控制齿轮钢的化学成分;通过控制钢液过热度在15—20℃,采用电磁搅拌工艺和凝固末端动态轻压下技术,并保证铸坯的加热温度和均热时间,保证了成分的均匀性。热轧成品横断面上成分偏析度均〈5％,从而较好地控制了22CrMoH齿轮钢的淬透性和淬透性带宽,J15为33～39HRC,带宽为7HRC。     

高强度热轧耐候钢的钒析出行为与时效性能研究

结合攀枝花现有的资源特点,针对性地进行含V高强度耐候钢研究。采用热模拟试验、相分析、拉伸试验等方法,研究了不同工艺条件下钒氮微合金化高强耐候钢的V析出行为及时效性能。研究表明:随N含量的增加,不同温度卷取的试验钢中V的析出比例明显高于对比钢,增N后V析出量明显增加,并且在冷却过程中V析出趋势增加;随V/N值的升高,AI值降低,当V/N低于3.5时对时效性能不利。通过研究,确定了450 MPa级高强度耐候钢关键控制参数,考虑晶粒细化和沉淀强化的综合作用,试验钢的最佳卷取温度为650℃;考虑到N对时效指数的影响,钒氮微合金化高强耐候钢中的V/N值控制略高于V与N理想化学配位数(3.64),试验钢的综合性能较佳。     

高温渗碳齿轮钢铝氮含量对奥氏体尺寸的影响

轨道交通用高端齿轮钢往往要求长时间高温渗碳处理以提高其表面硬度与耐磨性,利用合适的铝、氮含量实现AlN粒子对奥氏体晶界的有效钉扎对保证齿轮的晶粒度、力学性能与尺寸精度至关重要。在通常的渗碳温度下,AlN已经发生了部分固溶,为了保证高温渗碳后奥氏体晶粒细小,齿轮钢中的酸溶铝质量分数一般需要保持在0.02%～0.055%以保证析出足量细小的AlN第二相粒子来钉扎晶界,且氮质量分数要求为0.01%～0.016%。这一元素含量范围较广,因此有必要研究钢在高温渗碳时所需要的恰当铝氮积与铝氮比,也就是钢中w(Al)与w(N)的乘积和比值的取值范围,还需要研究AlN粒子对于奥氏体的钉扎作用。针对不同含铝含氮轨道交通用齿轮钢进行了伪渗碳试验与AlN第二相粒子Ostwald熟化和Gladman钉扎模型计算研究,揭示了奥氏体晶粒不均匀性因子Z与加热温度T的定量关系式。研究了含铝含氮齿轮钢高温保温过程奥氏体晶粒半径R_A的变化规律,以及不同铝氮积和铝氮比对奥氏体晶粒生长的影响。结果表明,加热温度T在1 173～1 273 K范围内,此类微合金高强钢的奥氏体晶粒长大不均匀性因子服从线性规律...     

Ti—V—N钢的工艺特征和性能

发展Ti—V微合金化钢是希望把Ti钢良好的抗晶粒粗化特性与钒的有效析出强化作用（尤其是钒与氮相结合时）结合起来。本研究目的在于确定V和多余的N对含Ti钢晶粒粗化抗力损害的程度以及Ti的存在是否降低V（C,N）析出强化的作用。 已经发现,在铸态下,Ti—V—N钢的晶粒粗化温度（GCT）只在一定程度上低于仅含Ti的钢。但是,在热轧材料中,细小的V（C,N）以及（Ti,V）N的存在。将使其抑制晶粒长大的作用减小。在热轧过程中或热轧之后,其有效的抑制奥氏体晶粒长大的作用使Ti—V—N钢特别适于再结晶轧制,即采用900～1000℃终轧的普通轧制工艺就能得到比较细小的热轧铁索体晶粒。另外,当有Ti存在时,V和N析出强化的能力会有所降低、其原因之一是。部分钒与钛结合成在高温下能抑制晶拉长大的、稳定的（Ti,V）N质点;另一个原因是,在热轧后的奥氏体中,V（C,N）附着沉淀在原已存在的（Ti,V）N质点上。这两个原因都使铁素体中产生析出强化作用的有效V和N的数量减少。     

SCM435低合金中碳冷钢镦Φ12 mm盘条混晶成因分析与工艺改进

协议要求SCM435钢热轧盘条奥氏体晶粒度≥7级以及断面收缩率≥35%。试验结果表明,原始工艺条件下,Φ12 mm SCM435钢盘条混晶组织沿着线材的表层分布,从表面到深度0.5mm区域为混晶区,奥氏体晶粒度为4级（25%）+7.5级（75%）;其余心部区域晶粒度7.5级。显微组织中马氏体（M）比例高,断面收缩率低。通过混晶组织产生原因的分析,采取将精轧温度由935℃降至850℃、吐丝温度由900℃降至850℃等措施,使Φ12 mm SCM435钢热轧盘条晶粒度由7.5级升至8.5级,盘条表层混晶组织消失;同时降低了显微组织中M比例,断面收缩率均值由35%提升到40%。     

SAE8620H的淬透性对热处理变形的影响

利用C型缺口试样研究了不同淬透性的SAE8620H齿轮钢的渗碳热处理变形,并对C型缺口试样心部微观组织和硬度进行了分析.结果表明,SAE8620H齿轮钢在距淬火端9 mm处的硬度低于32HRC时,C型缺口试样心部主要为贝氏体组织,渗碳热处理变形较小;随着淬透性的提高,试样心部马氏体组织逐渐增加,渗碳热处理变形显著增大.不同淬透性的SAE8620H齿轮钢的相变组织不同,因而渗碳热处理变形不同.     

钛铌微合金化齿轮钢的奥氏体晶粒长大研究

 采用热模拟渗碳方法研究了Ti、Ti-Nb微合金化的20CrMnTi和20CrMnTiNb渗碳齿轮钢在930~1200℃的奥氏体晶粒长大规律。结果表明,添加0. 038%(质量分数,下同)的钛和0. 048%的铌的20CrMnTiNb钢中含有铌和钛的析出相,其粒子间距为0. 361μm;而含0. 054%的钛的20CrMnTi钢中仅含有较大尺寸的TiN析出相,粒子间距为0. 471μm,前者奥氏体晶粒粗化倾向明显低于后者。20CrMnTiNb钢经1000℃奥氏体化10h后奥氏体晶粒长大不明显,且无混晶现象,适合高温渗碳工艺。     

Nb-RE微合金化对复杂刀具用TGM2高速钢组织和性能的影响

Nb-RE微合金化TGM2高速钢(%:0.88～0.89C、4.14～4.16Cr、4.73～4.76Mo、6.09～6.12W、1.85～1.86V、0.05～0.10Nb、0.05～0.06RE)由25 t EAF-30 t LF(VD,加Nb-RE)-1 t ESR工艺冶炼.试验结果表明,经Nb-RE微合金化后,TGM2高速钢Φ96 mm材淬火晶粒尺寸明显细化,晶粒度由原来未微合金化钢的9.5级提高至10～10.5级;淬、回火后硬度HRC为65.2～65.8,600℃4 h红硬性HRC为62.1～62.3,Nb-RE TGM2钢制成刀具的切削寿命较原TGM2钢提高20%.     

温锻和等温正火对20CrMnTiH3齿轮钢渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响

通过理化和原材料奥氏体晶粒度检验分析了温锻（880~930℃）加工工艺对20CrMnTiH3齿轮钢奥氏体晶粒长大的影响,得到温锻加工齿轮工序在后续890~920℃渗碳过程中该钢奥氏体容易异常长大,830℃渗碳淬火后转变为粗大马氏体组织。温锻后回火、普通正火工艺对渗碳淬火后20CrMnTiH3齿轮钢奥氏体晶粒粗大无改善效果,而通过950℃1 h空冷至650℃8h空冷的等温正火工艺可以避免渗碳淬火后粗大马氏体。