CN104914228B - 一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，属于金属热处理检测方法技术领域，用于快速评估淬火后的20CrMnTi系列钢淬透性能。其技术方案是：检测得到的20CrMnTi钢中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量以及该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级、距淬火表面的距离，根据硬度检测模型计算出硬度值，然后对20CrMnTi系列钢的淬透性能进行评估。本发明是对钢淬透性能进行评估的一种创新，打破了传统的淬火后钢淬透性能评估方法，检测快速、准确、成本低，可以及时有效的对现场生产提供反馈，具有较好的指导性，可以根据检测结果对现场的生产工艺进行有效的调整，对开展淬火工艺优化具有十分重要的意义。

Description

一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法

技术领域

本发明涉及一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，属于金属热处理检测方法技术领域。

背景技术

20CrMnTi系列钢是一种性能良好的渗碳钢，其淬透性较高，经淬火工艺处理后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性和较好的焊接性能，正火后可切削性良好。被广泛应用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。

淬透性能是20CrMnTi系列钢一项极为重要的指标，它是表征钢材实施淬火工艺时获得马氏体能力的特性，是提供20CrMnTi系列钢的性能及设计机器零件的一项重要数据。

目前生产现场对20CrMnTi系列钢进行淬透性能评估的方法主要是采用物理检测的方法，即：首先对该钢种的试样进行末端淬火试验，然后在试样纵向磨制平面上距离试样淬火表面分别为9mm和15mm位置处，利用洛氏硬度计测量出相应的硬度，然后根据硬度结果，对该20CrMnTi钢种的淬透性能进行评估。这种检测方法能够相对精确地得出20CrMnTi不同位置的硬度，但是检测过程较为复杂，检测周期长，且成本较高，无法及时有效的对现场生产提供反馈。另外，该方法还存在着指导性较差的问题，无法根据检测结果对现场的生产工艺进行有效的调整。

此外，生产现场还使用一种计算机预测方法对20CrMnTi系列钢进行淬透性检测。其主要设计思想是根据20CrMnTi系列钢中的化学成分，通过计算机系统直接得到该钢种实施淬火工艺后的硬度。但该方法的设计思想比较简单，它既没有考虑到化学成分之间的交互作用对钢种硬度的影响，也没有考虑到钢种内部的晶粒度等级、距淬火表面的距离对硬度的影响。因此，尽管该方法能够快速得到20CrMnTi钢实施淬火工艺后的硬度，但该硬度值只能反映出20CrMnTi系类钢的“平均硬度”，不能分别反映出距离该钢种淬火表面分别为9mm和15mm位置处的硬度，导致该种方法无法有效的评估出20CrMnTi系类钢的淬透性能。此外，由于该种方法考虑的相关因素较少，因此计算结果与实际结果的误差较大，不能对现场工艺进行有效的指导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，方法考虑了20CrMnTi系列钢中重要化学成分与实施正火工艺后的钢中晶粒度等级和钢中不同位置之间的交互性作用对20CrMnTi系列钢实施淬火工艺后的硬度分布的影响，通过计算精确得出20CrMnTi系列钢实施淬火工艺后距离淬火表面分别为9mm和15mm位置处的硬度，根据硬度结果对该钢种的淬透性能进行评估。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，它采取以下步骤进行：

1.利用直读光谱仪对20CrMnTi系列钢中的C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量进行精确测定；

2.对20CrMnTi正火后的内部晶粒等级进行评估，评估采用以下两种评级方法之一：

(1)第一种方法，利用金相显微镜对试验钢内部的晶粒尺寸进行检测，并根据检测结果，按照ASTM E112-77标准，得到相应的晶粒度等级；

(2)第二种方法，将正火的温度和保温时间信息传输入20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据内部的晶粒尺寸模型，得出相应的晶粒尺寸，并根据晶粒尺寸的大小，按照ASTM E112-77标准，得出20CrMnTi钢的晶粒度等级；

其中，晶粒尺寸模型为：

$D=\sqrt[4]{0.4948\×{10}^7\·t\·\exp (-\frac{63900}{T+273})}$

式中：D为奥氏体晶粒尺寸，mm；T为加热温度，℃；t为加热时间，s；

3.将检测得到的20CrMnTi钢中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量以及该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级、距淬火表面的距离代入到20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据其内置的硬度检测模型，计算出与上述输入参数相关的硬度值；

4.根据上述计算得出距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的硬度，然后根据国标要求或是用户要求，对20CrMnTi系列钢的淬透性能进行评估。

上述快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，所述的硬度检测模型为：

J＝-41.781+138.332·C+18.328·Si+21.541·Mn+21.719·Cr-49.203·Ti

-1.00747·L+3.923·G+100.174·C·Ti-6.161·C·G+29.115·Si·Ti

-1.0328·Si·G+6.872·Mn·Cr-0.194·Mn·L-1.635·Mn·G

-0.172·Cr·L-1.453·Cr·G+0.0914·L·G

式中：J为淬透性硬度，HRC；C为钢中碳质量百分含量，％；Si为钢中硅元素的质量百分含量，％；Mn为钢中锰元素的质量百分含量，％；Cr为钢中铬元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；L为距淬火表面的距离，mm；G为实施正火工艺后的晶粒度等级。

本发明的有益效果是：

本发明的检测方法充分考虑C元素与Ti元素之间的交互作用、C元素与晶粒度等级之间的交互作用、Si元素与Ti元素之间的交互作用、Si元素与晶粒度等级之间的交互作用、Mn元素与Cr元素之间的交互作用、Mn元素与距淬火表面的距离之间的交互作用、Mn元素与晶粒度等级之间的交互作用、Cr元素与距淬火表面的距离之间的交互作用、Cr元素与晶粒度等级之间的交互作用、距淬火表面的距离与晶粒度等级之间的交互作用对20CrMnTi硬度分布的影响，将检测得到的20CrMnTi钢中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量以及该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级、距淬火表面的距离代入到20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据其内置的硬度检测模型，计算出与上述输入参数相关的硬度值，然后根据国标要求或是用户要求，对20CrMnTi系列钢的淬透性能进行评估。这种检测方法无需通过相应的淬火实验，即可对20CrMnTi系列钢淬透性能进行评估。

本发明是检测20CrMnTi系列钢实施淬火工艺后对钢淬透性能进行评估的一种创新，打破了传统的淬火后钢淬透性能评估方法，检测快速、准确、成本低，可以及时有效的对现场生产提供反馈，具有较好的指导性，可以根据检测结果对现场的生产工艺进行有效的调整，并针对该钢种开展相关的淬火工艺优化具有十分重要的意义。

具体实施方式

本项发明的具体方法是：

1.首先利用直读光谱仪对20CrMnTi系列钢中的C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量进行精确测定。

2.然后对20CrMnTi正火后的内部晶粒等级进行评估。本发明提供了两种评级的方法：

(1)第一种方法是利用金相显微镜对试验钢内部的晶粒尺寸进行检测，并根据检测结果，按照ASTM E112-77标准，得到相应的晶粒度等级。

ASTM E112-77标准是一套美国用于测定试验钢内部晶粒度等级的方法。我国依照该美标，指定了GB/T6394-2002标准(即：中国质量监督检验总局所发布的金属平均晶粒度测定方法)，其判断方法与美标相同。

利用金相显微镜判断试验钢内部晶粒度等级的方法主要是：将金相显微镜的放大倍数调整到ASTM E112-77标准所要求的放大倍数，然后对试验钢检测截面进行光镜检测，并选取有代表性视场的显微照片与标准所提供的晶粒度标准评级图进行人工比对，通过相似性原则，人工判断出试验钢内部的晶粒度等级。

(2)第二种方法是将正火的温度和保温时间信息传输入20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据内部的晶粒尺寸(也称为：晶粒平均直径)模型，得出相应的晶粒尺寸，并根据晶粒尺寸的大小，按照ASTM E112-77标准，得出20CrMnTi钢的晶粒度等级。

其中，晶粒尺寸模型为：

$D=\sqrt[4]{0.4948\×{10}^{14}\·t\·\exp (-\frac{63900}{T+273})}$

式中：D为奥氏体晶粒尺寸，mm；T为加热温度，℃；t为加热时间，s。

在计算出试验钢内部的晶粒，根据标准中所提供的晶粒尺寸与晶粒度等级之间的对应关系，按照如下判断原则，分析出相应的试验钢内部晶粒度等级：

当晶粒尺寸D＜3.3μm，晶粒度等级G＝14.5级；当3.3μm≤晶粒尺寸D＜4.0μm，晶粒度等级G＝13.5级；当4.0μm≤晶粒尺寸D＜4.7μm，晶粒度等级G＝13.0级；当4.7μm≤晶粒尺寸D＜5.6μm，晶粒度等级G＝12.5级；当5.6μm≤晶粒尺寸D＜6.7μm，晶粒度等级G＝12.0级；当6.7μm≤晶粒尺寸D＜7.9μm，晶粒度等级G＝11.5级；当7.9μm≤晶粒尺寸D＜9.4μm，晶粒度等级G＝11.0级；当9.4μm≤晶粒尺寸D＜11.2μm，晶粒度等级G＝10.5级；当11.2μm≤晶粒尺寸D＜13.3μm，晶粒度等级G＝10.0级；当13.3μm≤晶粒尺寸D＜15.9μm，晶粒度等级G＝9.5级；当15.9μm≤晶粒尺寸D＜18.9μm，晶粒度等级G＝9.0级；当18.9μm≤晶粒尺寸D＜22.5μm，晶粒度等级G＝8.5级；当22.5μm≤晶粒尺寸D＜26.7μm，晶粒度等级G＝8.0级；当26.7μm≤晶粒尺寸D＜31.8μm，晶粒度等级G＝7.5级；

当31.8μm≤晶粒尺寸D＜37.8μm，晶粒度等级G＝7.0级；当37.8μm≤晶粒尺寸D＜44.9μm，晶粒度等级G＝6.5级；当44.9μm≤晶粒尺寸D＜53.4μm，晶粒度等级G＝6.0级；当53.4μm≤晶粒尺寸D＜63.5μm，晶粒度等级G＝5.5级；当63.5μm≤晶粒尺寸D＜75.5μm，晶粒度等级G＝5.0级；当75.5μm≤晶粒尺寸D＜89.8μm，晶粒度等级G＝4.5级；当89.8μm≤晶粒尺寸D＜106.8μm，晶粒度等级G＝4.0级；当106.8μm≤晶粒尺寸D＜127.0μm，晶粒度等级G＝3.5级；当127.0μm≤晶粒尺寸D＜151.0μm，晶粒度等级G＝3.0级；当151.0μm≤晶粒尺寸D＜179.6μm，晶粒度等级G＝2.5级；当179.6μm≤晶粒尺寸D＜213.6μm，晶粒度等级G＝2.0级；当213.6μm≤晶粒尺寸D＜254.0μm，晶粒度等级G＝1.5级；当254.0μm≤晶粒尺寸D＜302.1μm，晶粒度等级G＝1.0级；当302.1μm≤晶粒尺寸D＜359.2μm，晶粒度等级G＝0.5级。

3.充分考虑C元素与Ti元素之间的交互作用、C元素与晶粒度等级之间的交互作用、Si元素与Ti元素之间的交互作用、Si元素与晶粒度等级之间的交互作用、Mn元素与Cr元素之间的交互作用、Mn元素与距淬火表面的距离之间的交互作用、Mn元素与晶粒度等级之间的交互作用、Cr元素与距淬火表面的距离之间的交互作用、Cr元素与晶粒度等级之间的交互作用、距淬火表面的距离与晶粒度等级之间的交互作用对20CrMnTi硬度分布的影响，通过将检测得到的20CrMnTi钢中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量以及该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级、距淬火表面的距离代入到20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据其内置的硬度检测模型，计算出与上述输入参数相关的硬度值。其硬度检测模型为：

J＝-41.781+138.332·C+18.328·Si+21.541·Mn+21.719·Cr-49.203·Ti

-1.00747·L+3.923·G+100.174·C·Ti-6.161·C·G+29.115·Si·Ti

-1.0328·Si·G+6.872·Mn·Cr-0.194·Mn·L-1.635·Mn·G

-0.172·Cr·L-1.453·Cr·G+0.0914·L·G

式中：J为淬透性硬度，HRC；C为钢中碳质量百分含量，％；Si为钢中硅元素的质量百分含量，％；Mn为钢中锰元素的质量百分含量，％；Cr为钢中铬元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；L为距淬火表面的距离，mm；G为实施正火工艺后的晶粒度等级。

4.分别得出距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的硬度，即：J₉和J₁₅，然后根据国标要求或是用户要求，对20CrMnTi系列钢的淬透性能进行评估。

20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离的硬度范围标准

这其中，如果按照国标要求判断，则通常根据GB/T 5216-2004标准(即：是由中国质量监督检验检疫总局和中国标准化管理委员会联合发布的关于“保证淬透性结构钢淬透性能”的标准)所规定的20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离的硬度范围来对实际的淬火效果进行评估。其中：“H”指20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离硬度的标准控制范围；“HH”指与“H”标准相比，20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离硬度的更高标准控制范围；“HL”指与“H”标准相比，20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离硬度的更低标准控制范围。通常生产现场控制20CrMnTi系列钢距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的硬度是按照“H”标准来进行的。用户可以根据该国标的要求，对20CrMnTi系列钢的实际淬火效果进行评估，即：如果计算出的J₉和J₁₅硬度结果在“H”标准要求的范围内，表明该20CrMnTi钢种的淬透性能满足国标要求；反之，如果计算出的J₉和J₁₅硬度结果不在“H”标准要求的范围内，则表明20CrMnTi钢种的淬透性能不满足国标要求，用户需要根据计算结果对上述所提到的20CrMnTi钢种的化学成分及淬火工艺条件做进一步的优化。

此外，用户也可以根据自身对产品的实际要求，指定出自己所要求的20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离硬度的标准，从而对20CrMnTi系列钢的实际淬火效果进行满足自身要求的评估。其具体评估方法与按照国标要求判断20CrMnTi系列钢距淬火表面不同距离硬度是否满足要求的方法相同。

以下给出具体实施例：

实施例1：

分别检测20CrMnTi钢距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的洛氏硬度。该钢种的主要化学成分为：C为0.17％，Si为0.17％，Mn为0.8％，Cr为1.35％，Ti为0.04％；此外，经检测，该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级被评为8级。因此将以上数据传输入计算机系统分析，则得出相应的硬度J₉为27.21HRC，J₁₅为23.23HRC。根据用户所提供的指标，该该种的淬透性能不满足用户要求，需要对现场工艺做进一步调整。

实施例2：

分别检测20CrMnTi钢距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的洛氏硬度。齿轮钢检测成分：C为0.17％，Si为0.37％，Mn为1.15％，Cr为1.00％，Ti为0.10％；此外，淬火温度为880℃，该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级被评为9级。利用以上数据通过计算机系统分析，则得出相应的硬度J₉为28.00HRC，J₁₅为24.52HRC。根据用户所提供的指标，该该种的淬透性能正好满足用户要求，还可对现场工艺做进一步调整。

实施例3：

分别检测20CrMnTi钢距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的洛氏硬度。齿轮钢检测成分：C为0.23％，Si为0.37％，Mn为0.80％，Cr为1.00％，Ti为0.04％；此外，淬火温度为880℃，淬火前保温1400s，则可确定该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级被评为8.5级。利用以上数据通过计算机系统分析，则得出相应的硬度J₉为30.22HRC，J₁₅为26.87HRC。根据用户所提供的指标，该该种的淬透性能满足用户要求。

Claims (1)

1.一种快速评估20CrMnTi系列钢淬透性能的方法，其特征在于：它采取以下步骤进行：

a.利用直读光谱仪对20CrMnTi系列钢中的C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量进行精确测定；

b.对20CrMnTi正火后的内部晶粒等级进行评估，评估采用以下两种评级方法之一：

(1)第一种方法，利用金相显微镜对试验钢内部的晶粒尺寸进行检测，并根据检测结果，按照ASTM E112-77标准，得到相应的晶粒度等级；

(2)第二种方法，将正火的温度和保温时间信息传输入20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据内部的晶粒尺寸模型，得出相应的晶粒尺寸，并根据晶粒尺寸的大小，按照ASTME112-77标准，得出20CrMnTi钢的晶粒度等级；

其中，晶粒尺寸模型为：

$D=\sqrt[4]{0.4948\×{10}^{14}\·t\·\exp (-\frac{63900}{T+273})}$

式中：D为奥氏体晶粒尺寸，mm；T为加热温度，℃；t为加热时间，s；

c.将检测得到的20CrMnTi钢中C、Si、Mn、Cr、Ti元素的质量百分含量以及该钢种实施正火工艺后的晶粒度等级、距淬火表面的距离代入到20CrMnTi钢淬透性硬度检测系统中，根据其内置的硬度检测模型，计算出与上述输入参数相关的硬度值；

d.根据上述计算得出距淬火表面的距离分别为9mm和15mm处的硬度，然后根据国标要求或是用户要求，对20CrMnTi系列钢的淬透性能进行评估；

所述的硬度检测模型为：

J＝-41.781+138.332·C+18.328·Si+21.541·Mn+21.719·Cr-49.203·Ti

-1.00747·L+3.923·G+100.174·C·Ti-6.161·C·G+29.115·Si·Ti

-1.0328·Si·G+6.872·Mn·Cr-0.194·Mn·L-1.635·Mn·G

-0.172·Cr·L-1.453·Cr·G+0.0914·L·G

式中：J为淬透性硬度，HRC；C为钢中碳质量百分含量，％；Si为钢中硅元素的质量百分含量，％；Mn为钢中锰元素的质量百分含量，％；Cr为钢中铬元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；Ti为钢中钛元素的质量百分含量，％；L为距淬火表面的距离，mm；G为实施正火工艺后的晶粒度等级。