摘要：奥氏体晶粒度大小是钢材重要的质量指标。本文通过对 22CrMoH 材质的钢材采用 4 种不同的工艺试验，找到了高效合理的渗碳法显示奥氏体晶粒度，并推广至 20CrNiMoH及 1538MV 钢材的奥氏体晶粒度显示。
关键词：热处理工艺；渗碳法；奥氏体晶粒度；网状碳化物
一、背景概述
奥氏体晶粒度是衡量晶粒度大小的尺度，有三种不同晶粒度的概念，即起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。钢铁材料在奥氏体化过程中，奥氏体的转变刚刚完成时的晶粒度称为起始晶粒度。钢铁材料在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒度大小称为实际晶粒度。用以表明钢铁材料奥氏体晶粒度长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。
研究表明，晶粒度细小，钢铁材料的强度、塑性和韧性高，可以适用于更复杂的工况条件，并且使用寿命延长。反之，晶粒度粗大，则钢铁材料的强度、塑性和韧性低，使用周期短，甚至无法使用。因此，奥氏体晶粒度是衡量钢铁材料质量的重要指标，并且钢铁行业内通常采用奥氏体本质晶粒度来判定钢铁材料的好坏。
钢铁材料的奥氏体本质晶粒度显示方法一般采用渗碳法、氧化法、网状铁素体法、网状珠光体法等。齿轮锻件用钢属于低碳合金钢，国家标准推荐采用渗碳法进行奥氏体本质晶粒度的显示。试样处理的工艺规范为：试样热处理在927℃±14℃保温8h，必须保证获得1.27mm以上的渗碳层，必须保证在规定的时间内产生过共析层。我司目前齿轮锻件用钢材料有22CrMoH、20CrNiMoH，每月钢材使用量大约2000吨，占公司钢材用量的30%左右，齿轮锻件用钢在公司的生产当中占有很大的比重。
依据标准要求，我司22CrMoH齿轮锻件用钢采用渗碳法进行奥氏体本质晶粒度的显示。通过执行过程发现，该工艺规范对试样处理工艺的操作要求描述宽泛，并且未明确加热保温后的冷却方式，按该工艺规范要求执行后，试样的奥氏体本质晶粒度经常显现不清晰、或无法显现，导致奥氏体本质晶粒度判定不准确甚至无法判定，需重新返工制备，耗费时间长，严重制约了生产效率。
为了提高本质晶粒度显现的质量，增加检验判定的准确性和检验效率，通过制定试样处理的工艺试验方案并实施验证，根据试验结果确定符合我司齿轮锻件用钢材料奥氏体本质晶粒度显现的工艺，从而提高生产效率。
二、试验方案
不同的热处理工艺对显示钢材的奥氏体本质晶粒度有较大影响，结合实际生产情况，制定了4种处理工艺并对比结果。
三、试验过程
1试验材料和试样准备
试验材料为我司螺旋伞锥齿轮用钢22CrMoH。在同一支圆钢棒上各取4个试样用于试验，试样均在圆钢棒截面半径的二分之一处截取，截取规格为15mm×15mm×15mm。如图1所示：
2试验准备
2.1、准备好试验用的渗碳箱，规格为150mm×130mm×110mm，如图2所示：
2.2、固体渗碳剂：渗碳剂重复使用一般不超过3次，用前应把粉尘筛去，使用时新老渗剂按1：1混合配制。
3、渗碳剂应贮存在干燥处，拆箱未用的渗碳剂应密封防潮。
4、试样装箱
4.1、首先在渗碳箱底放一层厚30-40mm的固体渗碳剂，试样整齐的放在固体渗碳剂上面，零件与箱壁间距15-25mm，上下两层零件间距20-30mm，同层间距保持10-15mm，期间以固体渗碳剂填充并捣紧压实。
4.2、渗碳箱上部填充30-50mm厚的固体渗碳剂。箱盖用耐火泥密封，也可以用湿黄泥密封。（见图2）
图1
图2
图3
5、将渗碳箱放进加热炉内，分别按照制定的4组热处理工艺进行试验。试验过程需要注意的是，渗碳箱应尽量放置在加热炉的正中间，以确保渗碳箱内各区域的受热均匀一致。
6、试样奥氏体本质晶粒度的显现
试样冷却后截取新切面，经磨制后，使用4%的硝酸酒精溶液腐蚀约1分钟，然后使用清水冲洗干净，再滴上适量无水乙醇，用吹风机热风吹干试样，在金相显微镜下通过观察网状碳化物显示过共析区的奥氏体晶粒形貌。
四、试验结果
通过对试样冷却方式的试验检测，当采用 “工艺4：试样随炉加热至927℃±14℃，并保温8小时后，按60℃每小时的速度 冷却至550℃以下，然后空冷。”的方法时，试样可形成清晰的网状碳化物，对比图谱，可轻易评定晶粒度级别。
五、方法的可靠性验证及推广应用
1、为充分验证该方法对齿轮锻件用钢材料奥氏体本质晶粒度显示的有效性和可靠性，使用其他齿轮锻件用钢材料（20CrNiMoH）按该方法进行奥氏体本质晶粒度的显示试验。
2、该方法应用在齿轮锻件用钢材料的奥氏体本质晶粒度显示上效果良好。根据公司产品结构，该方法亦有效应用于曲轴锻件用钢材料（1538MV）的奥氏体本质晶粒度显示。
六、总结
1、渗碳法工艺规范对试样处理的操作要求描述宽泛，并且未明确试样加热保温后的冷却方式，导致奥氏体本质晶粒度显示效果差异大。
2、通过对渗碳法试样的冷却方式验证优化，当采用工艺“试样随炉加热至927℃±14℃，并保温8小时后，按60℃每小时的速度 冷却至550℃以下，然后空冷。”处理试样后，奥氏体本质晶粒度显示效果良好，便于判定。同时该方式应用于曲轴用钢材料1538MV的奥氏体本质晶粒度的显示效果良好。
3、渗碳法优化使用后，试样的奥氏体本质晶粒度显示效果提高，减少重新返工制备，提高了生产效率。
论文作者:赵方琼
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
标签：晶粒论文; 奥氏体论文; 渗碳论文; 试样论文; 本质论文; 钢材论文; 工艺论文; 《基层建设》2019年第13期论文;