一種快速評(píng)估20CrMnTi系列鋼淬透性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種快速評(píng)估20CrMnTi系列鋼淬透性能的方法，屬于金屬熱處理檢 測(cè)方法技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 20CrMnTi系列鋼是一種性能良好的滲碳鋼，其淬透性較高，經(jīng)淬火工藝處理后具 有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性和較好的焊接性能，正火后可 切削性良好。被廣泛應(yīng)用于齒輪，軸類(lèi)，活塞類(lèi)零配件以及汽車(chē)，飛機(jī)各種特殊零件部位。
[0003] 淬透性能是20CrMnTi系列鋼一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)，它是表征鋼材實(shí)施淬火工藝 時(shí)獲得馬氏體能力的特性，是提供20CrMnTi系列鋼的性能及設(shè)計(jì)機(jī)器零件的一項(xiàng)重要數(shù) 據(jù)。
[0004] 目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)20CrMnTi系列鋼進(jìn)行淬透性能評(píng)估的方法主要是采用物理檢測(cè) 的方法，即：首先對(duì)該鋼種的試樣進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)，然后在試樣縱向磨制平面上距離試樣 淬火表面分別為9_和15_位置處，利用洛氏硬度計(jì)測(cè)量出相應(yīng)的硬度，然后根據(jù)硬度結(jié) 果，對(duì)該20CrMnTi鋼種的淬透性能進(jìn)行評(píng)估。這種檢測(cè)方法能夠相對(duì)精確地得出20CrMnTi 不同位置的硬度，但是檢測(cè)過(guò)程較為復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)，且成本較高，無(wú)法及時(shí)有效的對(duì)現(xiàn) 場(chǎng)生產(chǎn)提供反饋。另外，該方法還存在著指導(dǎo)性較差的問(wèn)題，無(wú)法根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生 產(chǎn)工藝進(jìn)行有效的調(diào)整。
[0005] 此外，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還使用一種計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)方法對(duì)20CrMnTi系列鋼進(jìn)行淬透性檢測(cè)。 其主要設(shè)計(jì)思想是根據(jù)20CrMnTi系列鋼中的化學(xué)成分，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接得到該鋼種 實(shí)施淬火工藝后的硬度。但該方法的設(shè)計(jì)思想比較簡(jiǎn)單，它既沒(méi)有考慮到化學(xué)成分之間的 交互作用對(duì)鋼種硬度的影響，也沒(méi)有考慮到鋼種內(nèi)部的晶粒度等級(jí)、距淬火表面的距離對(duì) 硬度的影響。因此，盡管該方法能夠快速得到20CrMnTi鋼實(shí)施淬火工藝后的硬度，但該硬 度值只能反映出20CrMnTi系類(lèi)鋼的"平均硬度"，不能分別反映出距離該鋼種淬火表面分 別為9mm和15mm位置處的硬度，導(dǎo)致該種方法無(wú)法有效的評(píng)估出20CrMnTi系類(lèi)鋼的淬透 性能。此外，由于該種方法考慮的相關(guān)因素較少，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差較大，不 能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行有效的指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種快速評(píng)估20CrMnTi系列鋼淬透性能的方 法，方法考慮了 20CrMnTi系列鋼中重要化學(xué)成分與實(shí)施正火工藝后的鋼中晶粒度等級(jí)和 鋼中不同位置之間的交互性作用對(duì)20CrMnTi系列鋼實(shí)施淬火工藝后的硬度分布的影響， 通過(guò)計(jì)算精確得出20CrMnTi系列鋼實(shí)施淬火工藝后距離淬火表面分別為9mm和15mm位置 處的硬度，根據(jù)硬度結(jié)果對(duì)該鋼種的淬透性能進(jìn)行評(píng)估。
[0007] 解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：
[0008] 一種快速評(píng)估20CrMnTi系列鋼淬透性能的方法，它采取以下步驟進(jìn)行：
[0009] 1.利用直讀光譜儀對(duì)20CrMnTi系列鋼中的(：、3^11、(>、11元素的質(zhì)量百分含量 進(jìn)行精確測(cè)定；
[0010] 2.對(duì)20CrMnTi正火后的內(nèi)部晶粒等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估采用以下兩種評(píng)級(jí)方法之
[0011] (1)第一種方法，利用金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)鋼內(nèi)部的晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè) 結(jié)果，按照ASTM E112-77標(biāo)準(zhǔn)，得到相應(yīng)的晶粒度等級(jí)；
[0012] (2)第二種方法，將正火的溫度和保溫時(shí)間信息傳輸入20CrMnTi鋼淬透性硬度檢 測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)內(nèi)部的晶粒尺寸模型，得出相應(yīng)的晶粒尺寸，并根據(jù)晶粒尺寸的大小，按照 ASTM E112-77標(biāo)準(zhǔn)，得出20CrMnTi鋼的晶粒度等級(jí)；
[0013] 其中，晶粒尺寸模型為：
[0014]
[0015] 式中：D為奧氏體晶粒尺寸，mm ;T為加熱溫度，°C ;t為加熱時(shí)間，s ;
[0016] 3.將檢測(cè)得到的20CrMnTi鋼中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的質(zhì)量百分含量以及該鋼種 實(shí)施正火工藝后的晶粒度等級(jí)、距淬火表面的距離代入到20CrMnTi鋼淬透性硬度檢測(cè)系 統(tǒng)中，根據(jù)其內(nèi)置的硬度檢測(cè)模型，計(jì)算出與上述輸入?yún)?shù)相關(guān)的硬度值；
[0017] 4.根據(jù)上述計(jì)算得出距淬火表面的距離分別為9mm和15mm處的硬度，然后根據(jù)國(guó) 標(biāo)要求或是用戶要求，對(duì)20CrMnTi系列鋼的淬透性能進(jìn)行評(píng)估。
[0018] 上述快速評(píng)估20CrMnTi系列鋼淬透性能的方法，所述的硬度檢測(cè)模型為：
[0019] J = -41. 781+138. 332 · C+18. 328 · Si+21. 541 · Mn+21. 719 · Cr-49. 203 · Ti
[0020] -I. 00747 · L+3. 923 · G+100. 174 · C · Ti-6. 161 · C · G+29. 115 · Si · Ti
[0021] -I. 0328 · Si · G+6. 872 · Mn · Cr-0. 194 · Mn · L-L 635 · Mn · G
[0022] -0· 172 · Cr · L-L 453 · Cr · G+0. 0914 · L · G
[0023] 式中J為淬透性硬度，HRC ;C為鋼中碳質(zhì)量百分含量，％ ;Si為鋼中硅元素的質(zhì) 量百分含量，％ ;Mn為鋼中猛兀素的質(zhì)量百分含量，％ ;Cr為鋼中絡(luò)兀素的質(zhì)量百分含 量，％ ;Ti為鋼中鈦兀素的質(zhì)量百分含量，％ ;Ti為鋼中鈦兀素的質(zhì)量百分含量，％ ;L為 距淬火表面的距離，mm ;G為實(shí)施正火工藝后的晶粒度等級(jí)。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 本發(fā)明的檢測(cè)方法充分考慮C元素與Ti元素之間的交互作用、C元素與晶粒度等 級(jí)之間的交互作用、Si元素與Ti元素之間的交互作用、Si元素與晶粒度等級(jí)之間的交互作 用、Mn元素與Cr元素之間的交互作用、Mn元素與距淬火表面的距離之間的交互作用、Mn元 素與晶粒度等級(jí)之間的交互作用、Cr元素與距淬火表面的距離之間的交互作用、Cr元素與 晶粒度等級(jí)之間的交互作用、距淬火表面的距離與晶粒度等級(jí)之間的交互作用對(duì)20CrMnTi 硬度分布的影響，將檢測(cè)得到的20CrMnTi鋼中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的質(zhì)量百分含量以及 該鋼種實(shí)施正火工藝后的晶粒度等級(jí)、距淬火表面的距離代入到20CrMnTi鋼淬透性硬度 檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)其內(nèi)置的硬度檢測(cè)模型，計(jì)算出與上述輸入?yún)?shù)相關(guān)的硬度值，然后根據(jù) 國(guó)標(biāo)要求或是用戶要求，對(duì)20CrMnTi系列鋼的淬透性能進(jìn)行評(píng)估。這種檢測(cè)方法無(wú)需通過(guò) 相應(yīng)的淬火實(shí)驗(yàn)，即可對(duì)20CrMnTi系列鋼淬透性能進(jìn)行評(píng)估。
[0026] 本發(fā)明是檢測(cè)20CrMnTi系列鋼實(shí)施淬火工藝后對(duì)鋼淬透性能進(jìn)行評(píng)估的一種創(chuàng) 新，打破了傳統(tǒng)的淬火后鋼淬透性能評(píng)估方法，檢測(cè)快速、準(zhǔn)確、成本低，可以及時(shí)有效的對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供反饋，具有較好的指導(dǎo)性，可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行有效的 調(diào)整，并針對(duì)該鋼種開(kāi)展相關(guān)的淬火工藝優(yōu)化具有十分重要的意義。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本項(xiàng)發(fā)明的具體方法是：
[0028] 1.首先利用直讀光譜儀對(duì)20CrMnTi系列鋼中的(：、5^11、(>、11元素的質(zhì)量百分 含量進(jìn)行精確測(cè)定。
[0029] 2.然后對(duì)20CrMnTi正火后的內(nèi)部晶粒等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明提供了兩種評(píng)級(jí)的 方法：
[0030] (1)第一種方法是利用金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)鋼內(nèi)部的晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢 測(cè)結(jié)果，按照ASTM E112-77標(biāo)準(zhǔn)，得到相應(yīng)的晶粒度等級(jí)。
[0031] ASTM El 12-77標(biāo)準(zhǔn)是一套美國(guó)用于測(cè)定試驗(yàn)鋼內(nèi)部晶粒度等級(jí)的方法。我國(guó)依照 該美標(biāo)，指定了 GB/T6394-2002標(biāo)準(zhǔn)（即：中國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局所發(fā)布的金屬平均晶粒度 測(cè)定方法），其判斷方法與美標(biāo)相同。
[0032] 利用金相顯微鏡判斷試驗(yàn)鋼內(nèi)部晶粒度等級(jí)的方法主要是：將金相顯微鏡的放大 倍數(shù)調(diào)整到ASTM El 12-77標(biāo)準(zhǔn)所要求的放大倍數(shù)，然后對(duì)試驗(yàn)鋼檢測(cè)截面進(jìn)行光鏡檢測(cè)， 并選取有代表性視場(chǎng)的顯微照片與標(biāo)準(zhǔn)所提供的晶粒度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行人工比對(duì)，通過(guò)相 似性原則，人工判斷出試驗(yàn)鋼內(nèi)部的晶粒度等級(jí)。
[0033] (2)第二種方法是將正火的溫度和保溫時(shí)間信息傳輸入20CrMnTi鋼淬透性硬度 檢測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)內(nèi)部的晶粒尺寸（也稱(chēng)為：晶粒平均直徑）模型，得出相應(yīng)的晶粒尺寸，并 根據(jù)晶粒尺寸的大小，按照ASTM E112-77標(biāo)準(zhǔn)，得出20CrMnTi鋼的晶粒度等級(jí)。
[0034] 其中，晶粒尺寸模型為：
[0035]
[0036] 式中：D為奧氏體晶粒尺寸，mm ;T為加熱溫度，°C ;t為加熱時(shí)間，s。
[0037] 在計(jì)算出試驗(yàn)鋼內(nèi)部的晶粒，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中所提供的晶粒尺寸與晶粒度等級(jí)之間的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照如下判斷原則，分析出相應(yīng)的試驗(yàn)鋼內(nèi)部晶粒度等級(jí)：
[0038] 當(dāng)晶粒尺寸D < 3. 3 μ m，晶粒度等級(jí)G = 14. 5級(jí)；當(dāng)3. 3 μ m <晶粒尺寸D < 4. 0 μ m，晶粒度等級(jí)G = 13. 5級(jí)；當(dāng)4. 0 μ m <晶粒尺寸D < 4. 7 μ m，晶粒度等級(jí)G = 13. 0級(jí)；當(dāng)4. 7 μηι<晶粒尺寸D < 5. 6 μπι，晶粒度等級(jí)G = 12. 5級(jí)；當(dāng)5. 6 μηι<晶粒尺寸 D < 6. 7 μ m，晶粒度等級(jí)G = 12. 0級(jí)；當(dāng)6. 7 μ m彡晶粒尺寸D < 7. 9 μ m，晶粒度等級(jí)G = 11. 5級(jí)；當(dāng)7. 9 μηι<晶粒尺寸D < 9. 4 μπι，晶粒度等級(jí)G = 11. 0級(jí)；當(dāng)9. 4 μηι<晶粒尺寸 D < 11.2 μπι，晶粒度等級(jí)G= 10. 5級(jí)；當(dāng)11.2 μπι彡晶粒尺寸D < 13.3 μπι，晶粒度等級(jí)G =10. 0級(jí)；當(dāng)13. 3 μ m <晶粒尺寸D < 15. 9 μ m，晶粒度等級(jí)G = 9. 5級(jí)；當(dāng)15. 9 μ 晶粒 尺寸D < 18. 9 μ m，晶粒度等級(jí)G = 9. 0級(jí)；當(dāng)18. 9 μ m彡晶粒尺寸D < 22. 5 μ m，晶粒度等 級(jí)G = 8. 5級(jí)；當(dāng)22. 5 μ m彡晶粒尺寸D < 26. 7 μ m，晶粒度等級(jí)G = 8. 0級(jí)；當(dāng)26. 7 μ m彡 晶粒尺寸D < 31. 8 μ m，晶粒度等級(jí)G = 7. 5級(jí)；
[0039] 當(dāng)31. 8 μπι <晶粒尺寸D < 37. 8 μπι，晶粒度等級(jí)G = 7. 0級(jí)；當(dāng)37. 8 μπι <晶粒 尺寸D