一种细化20CrMoA锻件奥氏体晶粒度的方法与流程

本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种细化20CrMoA锻件奥氏体晶粒度的方法。

背景技术：

20CrMoA合金钢淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。

20CrMoA作为一种常用齿轮渗碳钢，其Mn含量较高，所以其晶粒长大敏感性较大。评估锻件在后续渗碳淬火热处理中晶粒的长大倾向，常将正火回火后的锻件态样品加热至930℃保温数小时后淬火来检测晶粒度，以确定该锻件能否满足最终渗碳淬火热处理的晶粒度要求。

通常锻件的锻后热处理采用正火加高温回火，20CrMoA的正火温度为920-940℃，保温规则为100mm控制界面奥氏体化保温2h，高温回火采用650-680℃保温数小时。采用上述工艺路线的锻件，进行930℃奥氏体晶粒度检测时常发现混晶问题，呈现大晶粒与细小晶粒混合样貌。

技术实现要素：

本发明主要提供了一种细化20CrMoA锻件奥氏体晶粒度的方法，引入双重形核细化概念，可以获得均匀细小平衡组织，晶粒长大敏感性以及组织遗传特征极弱，模拟渗碳淬火热处理晶粒长大检测时，可以获得极细小的奥氏体晶粒度。其技术方案如下：

一种细化20CrMoA锻件奥氏体晶粒度的方法，包括以下步骤：

(1)锻件入980±10℃的高温炉，极快速升温，提高形核率，将获得细小的起始奥氏体晶粒度，于960-970℃短时间均温，均温时间按照锻件截面100mm保温0.5h计算，有利于合金成分、碳化物等的迁移均匀性，减小孤立大晶粒度概率；

(2)出炉空冷至700±10℃并入炉等温保持30±10min，将获得F+P+A的三相组织且部分奥氏体向F+P组织转变；

(3)炉温再次快速升温至960-970℃，将使700℃等温阶段的F+P重新形核分裂细化，此时组织形态为A+大量细小的形核点，然后短时间均温，均温时间按照锻件截面100mm保温0.5h计算；

(4)锻件出炉空冷至650-680℃并入炉等温保持，保温时间按照锻件截面100mm保温1.2h计算，获得平衡组织P+F，为最终渗碳淬火热处理做好平衡组织准备；

(5)出炉空冷至室温即可，实际铁素体晶粒度可以达到8级。

优选的，步骤(1)中锻件极快速升温后获得细小的起始奥氏体晶粒度，达到10级。

优选的，步骤(3)中炉温快速升温速率为200-300℃/h。

优选的，步骤(3)中锻件均温前晶粒度为11级，均温后晶粒度为8级。

优选的，步骤(4)中获得的平衡组织P+F中F含量为70-80％。

优选的，将经细化后的20CrMoA锻件加热至930℃保温5小时淬火来检测材质奥氏体晶粒度，其晶粒度为9级，晶粒分布均匀且细小。

采用上述方案，本发明具有以下优点：

(1)本发明工艺采用980℃高温入炉工艺，摒弃常规大型锻件低温进炉方法，高温进炉对于20CrMoA材质而言不会产生内裂纹，该材质合金含量较低，导热相对高合金材质优良，极大过热度不会在心部产生极大的温度差，反而对形核有利，获得细小的起始晶粒度；

(2)引入双重形核细化概念，第一次形核后无需冷至室温，空冷至700℃左右即可，在Ar1线附近等温30分钟即可完成需求的组织转变，通过二次极大过热度控制分裂模式，获得均匀细小的平衡组织P+F；

(3)本工艺无需单独回火，第二次形核均温后空冷至一定温度等温即可，既可完成组织转变，又可实现应力及硬度的控制需求。通常的工艺要求为冷却至室温或略高温度，此对时间的极大浪费，实践发现只要完成相应的组织转变需求即可，冷却进入Ar3线即进入两相区，A向F转变，再进入Ar1线时，F的转变已成为主体，F量越大，晶界总面积越大，形核载体越大，将为后续的二次形核提供了足够的形核点，此时即可二次形核处理，无需冷至更低温度；

(4)形核时由于极大过热度加热，导热极快，可以快速完成相应的组织转变需求，无需长时间保温，保温系数极小，起始细小晶粒度不会快速长大，当保温时间达到晶粒快速长大的门槛点时已进行冷却处理，此时将使细小的起始晶粒度得到遗传，短时间保温系数不仅可以大幅降低生产成本，同时保持组织转变的需求目的；

(5)双重形核加Ar1线等温模型将获得的均匀细小平衡组织，晶粒长大敏感性以及组织遗传特征极弱，模拟渗碳淬火热处理晶粒长大检测时，可以获得极细小的奥氏体晶粒度，为最终渗碳淬火热处理后的晶粒细化做了准备以及预估。

附图说明

图1为实施例1工艺处理的锻件原始晶粒状态图；

图2为实施例1工艺处理的锻件经930℃淬火后晶粒状态图；

图3为对比例1工艺处理的锻件经930℃淬火后晶粒状态图。

具体实施方式

以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。

实施例1

一种细化20CrMoA锻件奥氏体晶粒度的方法，包括以下步骤：

(1)锻件入980±10℃的高温炉，极快速升温，提高形核率，进行第一次形核细化，获得细小的起始奥氏体晶粒度，达到10级，于960-970℃短时间均温，均温时间按照锻件截面100mm保温0.5h计算，有利于合金成分、碳化物等的迁移均匀性，减小孤立大晶粒度概率；

(2)出炉空冷至700±10℃并入炉等温保持30±10min，Ar1线临界区，将获得F+P+A的三相组织且部分奥氏体向F+P组织转变；

(3)以升温速率为200-300℃/h将炉温再次快速升温至960-970℃，进行第二次形核细化，并短时间均温，均温时间按照锻件截面100mm保温0.5h计算，均温前晶粒度为11级，均温后晶粒度为8级；

(4)锻件出炉空冷至650-680℃并入炉等温保持，获得平衡组织P+F，F含量达到70-80％，保温时间按照锻件截面100mm保温1.2h计算，为最终渗碳淬火热处理做好平衡组织准备，实际铁素体晶粒度可以达到8级；

(5)出炉空冷至室温即可。

图1为经细化的20CrMoA锻件晶粒状态图，由图1可知，晶粒分布均匀且细小。

对比例1

将20CrMoA锻件920-940℃进行正火，正火时间按照锻件截面100mm保温2h计算，然后进行空冷，空冷完成后于650-680℃进行高温回火，回火时间按照锻件截面100mm保温2-3h计算，最后空冷至常温即可。

晶粒度检测

取实施例1经细化的20CrMoA锻件及经对比例1方法热处理后的锻件，将锻件分别加热至930℃保温数小时后淬火来检测材质奥氏体晶粒度，即晶粒长大倾向，模拟最终渗碳淬火热处理的晶粒度。图2为实施例1经细化的20CrMoA锻件高温淬火后的晶粒状态图，图3为经对比例1方法热处理后的锻件高温淬火后的晶粒状态图。由图2和图3的对比可知，本发明工艺处理后的锻件晶粒分布均匀且细小，而现有的工艺会出现大晶粒与细小晶粒混合样貌。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。