鋁氮比對轎車用滲碳鋼晶粒混晶的影響

  滲碳鋼是一類重要的合金結構鋼,這類鋼的特點是用改變表層化學成分的方法來獲得特定的性能,以滿足使用要求。滲碳鋼品種繁多,主要應用于工程機械、商用車和轎車等,其中轎車用滲碳鋼齒輪是技術質量要求最高的。歐洲轎車企業(yè)如大眾汽車公司齒輪滲碳鋼為Cr-Mn鋼系,主要牌號為16MnCr5、20MnCr5和28MnCr5。齒輪制造過程中,其表面需經滲碳化學熱處理,而齒輪滲碳溫度高(930℃)、滲碳時間長(3~6h),該條件下奧氏體晶粒長大的傾向明顯,易出現(xiàn)晶粒粗大或混晶現(xiàn)象。若齒輪滲碳淬火后出現(xiàn)嚴重的混晶現(xiàn)象,將導致齒輪淬火變形和開裂傾向增大,同時顯著降低齒輪的結構強度,引起應力集中,容易造成齒輪脆性斷裂。

  科研工作者研究了在不同的熱處理工藝下,鋁含量、氮含量和鋁氮比對歐標20MnCr5齒輪鋼混晶的影響,從而確定了煉鋼過程鋁和氮含量的合理控制范圍,達到了大眾汽車公司等歐洲轎車企業(yè)對齒輪鋼晶粒度的要求。

  試驗用20MnCr5鋼材生產工藝:60t轉爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄→步進式加熱爐加熱→連軋機組軋制。選取生產中鋁、氮含量不同的20MnCr5鋼材4爐,采用ARL-4460火花直讀光譜儀分析鋼材的化學成分。采用25-13型自動箱式電阻爐進行模擬滲碳熱處理,檢測不同鋁、氮含量鋼材在不同保溫時間的奧氏體晶粒度。

  觀察發(fā)現(xiàn),如果鋼在某一較低的溫度范圍內晶粒不長大,而加熱到一定的溫度后晶粒突然長大,這一過程被稱為異常長大。奧氏體經歷異常長大會導致晶粒粗大和混晶的產生。

  眾所周知,鋁是最基本、最有效的細化晶粒元素,在鋼中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界,起到釘扎晶界阻止晶粒長大的作用。當鋼中鋁含量較高,氮含量較低時,則不能形成足夠的AlN使其均勻地分布于奧氏體晶界。AlN數(shù)量較少必然導致其分布較多的位置釘扎晶界作用明顯,較少的位置則不能釘扎晶界阻止奧氏體晶粒的長大,這也是產生混晶,即晶粒局部異常長大的主要原因。

  研究表明:

  (1)轎車用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.020%時,氮含量偏低是導致其在滲碳溫度發(fā)生混晶的主要原因。

  (2)轎車用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.025%且[Al]/[N]≥3時,能夠保證在930℃保溫6h的熱處理工藝下不發(fā)生混晶現(xiàn)象。