劉年富，胡 濤，田錢(qián)仁，王高峰，付建勛*

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，先進(jìn)凝固技術(shù)中心，省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444；2.寶武杰富意特殊鋼有限公司,廣東 韶關(guān) 512123）

0 引言

高溫滲碳技術(shù)能顯著提升滲碳效率、降低生產(chǎn)成本并廣泛應(yīng)用于齒輪鋼表面硬度強(qiáng)化[1?2]。國(guó)外在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開(kāi)始了該技術(shù)的研究，而近年來(lái)國(guó)內(nèi)的特鋼生產(chǎn)企業(yè)也開(kāi)展了相關(guān)鋼種的高溫滲碳技術(shù)研究。一般滲碳溫度每提高50 ℃，滲碳效率可提高近1 倍。研究表明[3]，將常規(guī)的滲碳溫度由920～930 ℃提高至950 ℃，滲碳周期可降低約30%；當(dāng)滲碳溫度提高至1 000 ℃時(shí)，該周期可降低約50%。

由于常用的齒輪鋼滲碳溫度達(dá)到950 ℃后會(huì)出現(xiàn)少量粗大的奧氏體晶粒，導(dǎo)致齒輪變形，極大地降低了齒輪疲勞性能[4]。而滲碳溫度在1 000 ℃時(shí)，鋼中會(huì)出現(xiàn)大量粗大奧氏體晶粒，導(dǎo)致齒輪零件報(bào)廢。為了使齒輪在高溫滲碳后奧氏體晶粒不出現(xiàn)異常粗大，可主要通過(guò)添加少量的Al、Ti、V、Nb、B等微合金[2,5?7]，形成 AlN、TiN、VN、Nb(C,N)、BN等夾雜物并釘扎晶界，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

盡管?chē)?guó)內(nèi)開(kāi)展了SCM420H 齒輪鋼相關(guān)的研制工作[8?9]，但是其討論的重點(diǎn)在于對(duì)冶煉工藝和組織調(diào)控的總結(jié)，對(duì)SCM420H 齒輪鋼高溫滲碳效果與微合金化的大生產(chǎn)應(yīng)用效果卻鮮有研究報(bào)道。因此，筆者采用釩微合金化細(xì)晶方法對(duì)高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼中的奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行了控制，通過(guò)調(diào)控特征成分含量范圍、連鑄工藝參數(shù)、加熱工藝參數(shù)，將高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼奧氏體晶粒尺寸控制在不低于6 級(jí)，碳偏析偏差值約為0.01%，淬透性帶寬（J10 mm）硬度值（HRC）在34～38 范圍內(nèi)。

1 生產(chǎn)工藝與檢測(cè)

1.1 生產(chǎn)工藝流程

釩微合金化SCM420H 齒輪鋼生產(chǎn)工藝流程采用長(zhǎng)流程工藝：高爐鐵水→130 t 轉(zhuǎn)爐→130 t LF 精煉→130 t RH 精煉→280 mm×280 mm 連鑄→步進(jìn)式加熱爐→連軋機(jī)軋制→自然冷卻→精整。SCM420H 齒輪鋼軋制的成品規(guī)格為直徑65 mm 的圓棒。

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

1.2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

根據(jù)SCM420H 齒輪鋼成分及釩微合金化細(xì)晶思路確定了鋼種的具體成分內(nèi)控范圍，在同一澆次的2 爐280 mm 方坯中分別取1 批連鑄坯進(jìn)行編號(hào)，分別為批號(hào)1 和批號(hào)2，取軋制后的兩個(gè)批號(hào)的圓鋼進(jìn)行化學(xué)成分取樣分析，采用QSN 750 直讀光譜儀、O-N-H 836 型氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀和C-S 844 型碳硫測(cè)定儀進(jìn)行成分檢測(cè)分析，相關(guān)成分范圍如表1 所示。其中，在成分內(nèi)控范圍內(nèi)，為滿(mǎn)足含釩第二相粒子的有效析出，采用熱力學(xué)分析確定了鋼中釩含量和氮含量范圍。為分析圓鋼中碳偏析情況，根據(jù)圖1 所示取點(diǎn)方式，在距邊部5 mm 左右均勻鉆點(diǎn)，取鋼屑分析碳含量及其偏析程度。

圖1 碳偏析取樣示意Fig.1 Sampling points for carbon segregation determination

表1 SCM420H 齒輪鋼化學(xué)成分要求及設(shè)計(jì)范圍Table 1 Chemical compositions requirements and design range for SCM420H gear steel %

1.2.2 顯微組織與夾雜物觀察

對(duì)?65 mm 規(guī)格圓鋼按GB/T 13298?2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》[10]取樣及試樣制備要求，在半徑位置取15 mm×15 mm 毛坯樣，磨制平行于軋制方向作為觀察面分析圓鋼的帶狀組織。按GB/T 6394?2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》[11]取樣及試樣制備要求，在半徑位置取10 mm×10 mm毛坯樣，試樣經(jīng)940、960 ℃及980 ℃內(nèi)保溫6 h 進(jìn)行滲碳，確保獲得1 mm 以上的滲碳層。采用ZEISS Axio Lab.A1 正置金相顯微鏡對(duì)這2 個(gè)軋制批次進(jìn)行帶狀組織分析和奧氏體晶粒度分析。

采用Zeiss Sigma 500 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)釩微合金化的SCM420H 齒輪鋼中夾雜物和納米級(jí)析出物進(jìn)行了觀察能譜分析，討論了夾雜物和納米級(jí)析出物成分與形態(tài)大小之間的關(guān)系。

1.2.3 淬透性測(cè)試

對(duì)兩個(gè)軋制批次按920 ℃±10 ℃進(jìn)行正火、925 ℃±5 ℃淬火工藝進(jìn)行熱處理，并按GB/T225?2006《鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法（Jominy 試驗(yàn)）》[12]的要求進(jìn)行末端淬透性試驗(yàn)，制成?25 mm 標(biāo)準(zhǔn)端淬試樣，每個(gè)批次各取3 個(gè)試樣進(jìn)行淬透性硬度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼的化學(xué)成分及組織控制

2.1.1 鋼中化學(xué)成分與物相的關(guān)系

本研究采用含釩夾雜物發(fā)揮釘扎晶界、阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，調(diào)控鋼的化學(xué)成分、加熱工藝對(duì)夾雜物尺寸和奧氏體晶粒尺寸及其穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用。

鋼中加入少量的Al 主要是用于脫氧，而加入的釩是強(qiáng)氮化物形成元素，為確定鋼中V、N 合適的量，形成足夠的VN 析出相釘扎晶界。根據(jù)夾雜物析出熱力學(xué)計(jì)算的平衡濃度積公式，lg([V]·[N])=3.63?8 700/T[13]，計(jì)算了VN 夾雜物在1 100 ℃（1 373 K）到800 ℃（1 073 K）之間的平衡曲線，如圖2 所示。在V∶N 理想化學(xué)計(jì)量關(guān)系（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為2∶1 到3∶1）內(nèi)，VN 在900 ℃(1 173 K)時(shí)能析出，因此將V、N 內(nèi)控成分百分含量分別控制在0.03%～0.05%、0.012%～0.018% 范圍內(nèi)，如圖2 中黑色方框所示。

圖2 V-N 相平衡濃度曲線Fig.2 Equilibrium concentration curve of V-N phase

采用J MatPro 計(jì)算軟件根據(jù)批次2 的化學(xué)成分計(jì)算了SCM420H 鋼主要組分的相圖，如圖3 所示。隨著溫度的降低，鋼的基體組織轉(zhuǎn)變路徑為：液相→高溫鐵素體（δ-Fe）→奧氏體（γ-Fe）→鐵素體（α-Fe），鋼中第二相粒子主要是碳化物（M23C6和M7C3）、氮化物夾雜（MN，M 主要為V 和Ti）和MnS 夾雜物。其中，MN 在966 ℃時(shí)析出，并在559 ℃時(shí)向M(C,N)發(fā)生轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的溫差是較小的。在20 ℃時(shí)的鋼中，M(C,N)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為0.049%。

圖3 SCM420H 鋼主要物相相圖Fig.3 Phase diagram of main components of SCM420H steel

由于SCM420H 鋼淬透性帶寬硬度值（HRC）需≤4 及高溫奧氏體晶粒度≥6 級(jí)，需對(duì)鋼中成分范圍進(jìn)行窄帶化精確控制。在冶煉生產(chǎn)時(shí)需對(duì)合金，如Mn、Cr、Mo、V 等進(jìn)行高位料倉(cāng)自動(dòng)加入，并確保加入量精確到10 kg 級(jí)。精煉過(guò)程中，可在RH 工序根據(jù)LF 精煉出站檢測(cè)情況適當(dāng)補(bǔ)加增碳劑，從而確保碳含量在內(nèi)控范圍內(nèi)；另外，為了確保氮穩(wěn)定可控，真空處理采用全程吹氮?dú)庠龅?，真空處理結(jié)束后補(bǔ)喂氮鉻線增氮。根據(jù)筆者對(duì)CrMnTi、CrMo 系及MnCr 系齒輪鋼產(chǎn)品淬透性檢測(cè)分析經(jīng)驗(yàn)，每提升質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.017%C、0.06% Mn、0.067%Cr或0.02%Mo 可使齒輪鋼中硬度值（HRC）提升1，而殘余B 元素需保持在0.000 3 %以下，從而確保淬透穩(wěn)定性[14]。

2.1.2 軋材中的顯微組織控制

為了控制加熱工藝對(duì)奧氏體晶粒度的影響，本研究根據(jù)試驗(yàn)生產(chǎn)的鑄坯尺寸情況及加熱工藝條件，將加熱溫度控制在1 200 ℃±20 ℃，在預(yù)熱段（室溫升至850 ℃左右）加熱時(shí)間控制在120 min 以?xún)?nèi)。

經(jīng)過(guò)上述成分窄帶化控制和加熱工藝控制，將釩微合金化SCM420H 齒輪鋼兩個(gè)批次樣品在940、960 ℃和980 ℃溫度下保溫6 h 進(jìn)行滲碳處理。兩個(gè)批次樣品中的帶狀組織及保溫后的奧氏體晶粒度大致相同，如表2 所示。

表2 圓鋼顯微組織情況Table 2 Microstructures rating of steels

以960 ℃為例，兩個(gè)批次樣品中的帶狀組織和奧氏體晶粒度分別如圖4、5 所示。圖4 的帶狀組織檢測(cè)表明，兩個(gè)批次樣品中帶狀組織均可控制在1.5～2.0 級(jí)。

圖4 960 ℃滲碳處理后釩微合金化SCM420H 齒輪鋼帶狀組織Fig.4 Banded structures of V microalloyed SCM420H gear steel after carburization at 960 ℃

圖5 的奧氏體晶粒檢測(cè)表明，在960 ℃保溫經(jīng)過(guò)6 h 滲碳處理后，奧氏體晶粒度達(dá)到7.5～8.0 級(jí)，且未出現(xiàn)混晶，說(shuō)明在該溫度內(nèi)保溫滲碳處理，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)不明顯。

圖5 960 ℃滲碳處理后釩微合金化SCM420H 齒輪鋼奧氏體晶粒度Fig.5 Austenite grain size of V microalloyed SCM420H gear steel after carburization at 960 ℃

通過(guò)掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)釩微合金化SCM420H鋼中的M(C,N)分布于晶粒內(nèi)部和晶界附近，且數(shù)量較多，如圖6(a)所示。該類(lèi)M(C,N)主要是以V、C、N 元素為主的納米級(jí)球形V(C,N)析出物，等效直徑約為50～100 nm，白色箭頭所指析出物成分及含量如圖6(b)～(d)所示。結(jié)合金相試驗(yàn)的觀察分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，這些納米級(jí)V(C,N)析出物能夠起到釘扎晶界和抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的效用。

圖6 釩微合金化SCM420H 鋼中的V(C,N)析出物Fig.6 V(C,N)precipitation in vanadium microalloyed SCM420H steel

與未加入釩的SCM420H 圓鋼（其余化學(xué)成分完全按照內(nèi)控成分設(shè)計(jì)生產(chǎn)的圓鋼）相比，按照相同制樣和檢測(cè)方法分析了其在940 ℃和960 ℃保溫6 h 的奧氏體晶粒度，實(shí)際檢測(cè)的晶粒度情況如圖7所示。

圖7 的檢測(cè)結(jié)果表明，不加釩的SCM420H 圓鋼在940 ℃保溫滲碳時(shí)出現(xiàn)了少量奧氏體晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象；而隨著保溫溫度的提高，在960 ℃時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大非常顯著，出現(xiàn)了大量的粗大奧氏體晶粒。也有文獻(xiàn)認(rèn)為奧氏體晶粒的尺寸和帶狀組織帶寬是受熱變形過(guò)程的終了溫度影響的，終了溫度越高得到的晶粒越粗大[15]。

圖7 不加V 的SCM420H 齒輪鋼中奧氏體晶粒度Fig.7 Austenite grain size of SCM420H gear steel without V addition

上述檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明釩微合金化高溫滲碳SCM420H 鋼中，添加適量的釩與鋼中的氮在加熱、軋制過(guò)程中會(huì)析出VN，并起到穩(wěn)定的釘扎作用。在后續(xù)960 ℃、甚至980 ℃的高溫滲碳時(shí)，V(C,N)不會(huì)產(chǎn)生重溶引起奧氏體晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象，從而起到了細(xì)化奧氏體晶粒的作用。而不加釩的SCM420H鋼依靠少量的AlN 夾雜物釘扎晶界、細(xì)化奧氏體晶粒，在后續(xù)960 ℃高溫的長(zhǎng)時(shí)間的保溫過(guò)程中，晶界中的AlN 出現(xiàn)了部分重溶，導(dǎo)致部分晶粒長(zhǎng)大，從而出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象。

2.2 碳偏析及淬透性分析

2.2.1 碳偏析控制水平

對(duì)批次1 和批次2 中碳偏析檢測(cè)的結(jié)果表明，碳含量在試樣邊部和中心處都較小，在3、7 號(hào)取樣點(diǎn)位較大，但整個(gè)試樣橫截面不同位置碳的含量波動(dòng)值均在0.19%～0.21% 范圍內(nèi)，爐批次間成分偏差較小，偏差值約為0.01%，如圖8 所示。

2.2.2 碳偏析與淬透性的關(guān)系

連鑄工藝的穩(wěn)定性既影響著產(chǎn)品化學(xué)成分的均勻性，也影響著齒輪鋼淬透性的穩(wěn)定程度，而碳元素的均勻性對(duì)齒輪鋼淬透性穩(wěn)定性影響最大。對(duì)不同合金系列低碳齒輪鋼中影響成分均勻性的連鑄工藝開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，分析了碳偏析與淬透性之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，圓棒試樣全截面的碳波動(dòng)在0.025%～0.045% 范圍內(nèi)，碳偏析對(duì)淬透性帶寬硬度值（HRC）影響可達(dá)到2～3。

優(yōu)化連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度是減小鑄坯碳偏析、提高端淬檢測(cè)值穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)齒輪鋼淬透性窄帶化控制的有效途徑之一[16]。因此，為了降低碳偏析對(duì)淬透性穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工藝能力，將280 mm×280 mm 斷面試驗(yàn)鋼的連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度參數(shù)由300 A，2.5 Hz調(diào)整為150 A，2.5 Hz；相應(yīng)地，將拉速由0.90 m/min 調(diào)整為0.85 m/min，過(guò)熱度控制在15～30 ℃。

對(duì)釩微合金化高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼淬透性采取窄帶化控制，J10 mm 的硬度值（HRC）要求在34～38。圖9 為上述兩個(gè)批次共計(jì)6 個(gè)樣品的淬透性檢測(cè)結(jié)果，1～3 號(hào)為批次1 的試樣，4～6 號(hào)為批次2 的試樣。結(jié)果表明，在較好的成分控制和組織控制條件下，同一爐批號(hào)及不同爐批號(hào)的試樣淬透性硬度值（HRC）最高為37，最低為35，淬透性帶寬硬度值（HRC）可控制在3 以?xún)?nèi)。

圖9 不同試樣端淬硬度值分布情況Fig.9 Distribution of end-quenching harnesses of different samples

3 結(jié)論

對(duì)高溫滲碳SCM420H 齒輪鋼進(jìn)行釩微合金化處理，并對(duì)釩微合金化的齒輪鋼中組織及淬透性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）在釩微合金化SCM420H 齒輪鋼成分內(nèi)控范圍內(nèi)， 對(duì)VN 的析出熱力學(xué)研究表明，將V 和N 的含量范圍分別控制在0.03%～0.05% 和0.012%～0.018%，而對(duì)該鋼種的相圖計(jì)算表明固溶型夾雜物MN 在966 ℃時(shí)析出，在559 ℃時(shí)向M(C,N)發(fā)生轉(zhuǎn)化，鋼中M(C,N)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為0.049%，采用成分范圍窄帶化控制可實(shí)現(xiàn)成分均勻分布，并滿(mǎn)足奧氏體晶粒尺寸和淬透性要求。

2）為實(shí)現(xiàn)該齒輪鋼在高溫滲碳過(guò)程中奧氏體晶粒不低于6 級(jí)，需將加熱溫度控制在1 200 ℃±20℃，在預(yù)熱段（室溫升至850 ℃左右）加熱時(shí)間控制在120 min 內(nèi)，在940～980 ℃高溫滲碳保溫6 h 后，帶狀組織控制在1.5～2 級(jí)，奧氏體晶?？煞€(wěn)定在7.5～8 級(jí)，M(C,N)主要為納米級(jí)球狀V(C,N)，其在鋼中能起到良好的釘扎晶界、細(xì)化奧氏體晶粒的作用。

3）除成分窄帶化控制外，將連鑄結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度參數(shù)調(diào)整為150 A，2.5 Hz，鑄坯拉速為0.85 m/min，澆鑄時(shí)過(guò)熱度為15～30 ℃，可將碳含量偏差值控制在約為0.01%，良好的碳含量均勻性有利于淬透性的窄帶化控制，淬透性檢測(cè)結(jié)果表明，同一爐批號(hào)及不同爐批號(hào)試樣的淬透性硬度值（HRC）最高為37，最低為35，淬透性帶寬硬度值（HRC）≤3。