D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.s1.04 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2009 20 CrMnTi渗碳齿轮钢中Ti(C,N)的粗化行为 王广连12)朱荣）申景霞12)亓海全3)张利平2)李智峥) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)山东莱芜钢铁集团，莱芜2711043)钢铁研究总院，北京100081 摘要基于第二相0 stwald熟化的相关理论，对5炉成分有细微差别的20 CrMnTi渗碳齿轮钢中Ti(C,N)在930℃下的粗 化规律进行了计算.结果表明，在930℃渗碳温度下分别保温1、2、4,8,16，随着保温时间的延长，各炉钢中碳氮化钛颗粒均 会发生一定程度的粗化，第二相的粗化速率系数m值越大，粗化行为越严重.在保温8时，t时间后第二相的平均尺寸d, 变化范围为2.64~16.2nm,最大偏差在13nm左右；保温16h时，d,变化范围为3.33~20.4nm,最大偏差约为17nm,表明 Ostwald熟化作用对Ti(C,N)第二相颗粒尺寸的影响不大·对钉扎奥氏体晶界、阻止奥氏体晶粒长大起主要影响作用的是第 二相颗粒的初始尺寸. 关键词2 DCrMnTi:渗碳齿轮钢；Ostwald熟化 Ostwald ripening of Ti(C,N)in 20CrMnTi gear steels WANG Guang-lian2).ZHU Rong.SHEN Jing xia).QI Hai-quan.ZHANG Li-ping?).LI Zhi-zheng) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Laiwu Iron and Steel Group.Laiwu 271104,China 3)Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081.China ABSTRACT Based on the theories of Ostwald ripening,the coarsening law of Ti(C.N)in 20Cr MnTi gear steel was calculated at 930C.The results show that when the holding time is 1,2.4,8.16h.with the increase of holding time,the coarsening of Ti(C, N)particles would occur to some extent.While the coarsening rate coefficients m of second phase is greater,the coarsening is more serious.The range of d which is the average size of the second phase at t time is 2.64-16.2 nm and 3.33-20.4 nm when the holding time is 8h and 16h respectively with the maximum deviation 13nm and 17nm apart.So Ostwald ripening has little effect on the particle size of second phase Ti(C.N).and it is the original size of the particles that has the main influence on pinning the grain boundaries and preventing austenite grain growth. KEY WORDS 20CrMnTi:carburized gear steel:Ost wald ripening 在20 CrMnTi渗碳齿轮钢中，钛主要以其细小 铁研究总院25kg真空熔炼电炉进行冶炼，第5炉 弥散的氨化物或碳氨化物第二相颗粒的形式在高温 为莱钢工业生产的20 CrMnTi齿轮钢. 渗碳温度下保温时阻止奥氏体晶粒长大]，然 表！试验治炼钢的化学成分（质量分数） % 而，在高于900℃的温度下，这些颗粒会发生粗化. 炉号C Si Mn P Cr Ti N 如果粒子粗化到一定程度，会失去对奥氏体晶界的 10.170.270.970.00350.00591.120.0260.0041 钉扎能力，造成奥氏体晶粒的显著长大，进而损害钢 20.200.250.950.00410.00641.160.0270.0160 材的韧性，另一方面，粗大的颗粒对于齿轮钢的疲劳 30.190.270.990.00420.00631.120.0520.0026 性能也有极大损害[].因此，深入分析钢中Ti(C, 40.180.270.970.00420.00631.140.0460.0180 N)的尺寸，计算高温下TN或Ti(C,N)第二相颗粒 50.190.240.860.00490.00861.040.0480.0086 的Ost wald熟化规律显得十分必要， 1 试验钢 2 Ostwald熟化 试验钢成分如表1所示，其中，1一4炉采用钢 Ostwald熟化在《钢铁材料中的第二相》一书中 收稿日期：2009-10-01 作者简介：王广连(1964-)男，高级工程师，E-mail:lgmze(@163.com
20CrMnTi 渗碳齿轮钢中 Ti（CN）的粗化行为 王广连12） 朱 荣1） 申景霞12） 亓海全3） 张利平2） 李智峥1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 山东莱芜钢铁集团莱芜271104 3） 钢铁研究总院北京100081 摘 要 基于第二相 Ostwald 熟化的相关理论对5炉成分有细微差别的20CrMnTi 渗碳齿轮钢中 Ti（CN）在930℃下的粗 化规律进行了计算．结果表明在930℃渗碳温度下分别保温1、2、4、8、16h随着保温时间的延长各炉钢中碳氮化钛颗粒均 会发生一定程度的粗化第二相的粗化速率系数 m 值越大粗化行为越严重．在保温8h 时t 时间后第二相的平均尺寸 dt 变化范围为2∙64～16∙2nm最大偏差在13nm 左右；保温16h 时dt 变化范围为3∙33～20∙4nm最大偏差约为17nm表明 Ostwald 熟化作用对 Ti（CN）第二相颗粒尺寸的影响不大．对钉扎奥氏体晶界、阻止奥氏体晶粒长大起主要影响作用的是第 二相颗粒的初始尺寸． 关键词 20CrMnTi；渗碳齿轮钢；Ostwald 熟化 Ostwald ripening of Ti（CN） in20CrMnTi gear steels W A NG Guang-lian 12）ZHU Rong 1）SHEN Jing-xia 12）QI Ha-i quan 3）ZHA NG L-i ping 2）LI Zh-i z heng 1） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Laiwu Iron and Steel GroupLaiwu271104China 3） Central Iron and Steel Research InstituteBeijing100081China ABSTRACT Based on the theories of Ostwald ripeningthe coarsening law of Ti（CN） in20CrMnTi gear steel was calculated at 930℃．T he results show that when the holding time is124816hwith the increase of holding timethe coarsening of Ti（C N） particles would occur to some extent．While the coarsening rate coefficients m of second phase is greaterthe coarsening is more serious．T he range of dt which is the average size of the second phase at t time is 2∙64－16∙2nm and 3∙33－20∙4nm when the holding time is8h and16h respectively with the maximum deviation13nm and17nm apart．So Ostwald ripening has little effect on the particle size of second phase Ti（CN）and it is the original size of the particles that has the main influence on pinning the grain boundaries and preventing austenite grain growth． KEY WORDS 20CrMnTi；carburized gear steel；Ostwald ripening 收稿日期：2009-10-01 作者简介：王广连（1964－）男高级工程师E-mail：lgmzc＠163．com 在20CrMnTi 渗碳齿轮钢中钛主要以其细小 弥散的氮化物或碳氮化物第二相颗粒的形式在高温 渗碳温度下保温时阻止奥氏体晶粒长大［1－3］．然 而在高于900℃的温度下这些颗粒会发生粗化． 如果粒子粗化到一定程度会失去对奥氏体晶界的 钉扎能力造成奥氏体晶粒的显著长大进而损害钢 材的韧性另一方面粗大的颗粒对于齿轮钢的疲劳 性能也有极大损害［4－5］．因此深入分析钢中 Ti（C N）的尺寸计算高温下 TiN 或 Ti（CN）第二相颗粒 的 Ostwald 熟化规律显得十分必要． 1 试验钢 试验钢成分如表1所示其中1～4炉采用钢 铁研究总院25kg 真空熔炼电炉进行冶炼第5炉 为莱钢工业生产的20CrMnTi 齿轮钢． 表1 试验冶炼钢的化学成分（质量分数） ％ 炉号 C Si Mn S P Cr Ti N 1 0∙17 0∙27 0∙97 0∙0035 0∙0059 1∙120∙0260∙0041 2 0∙20 0∙25 0∙95 0∙0041 0∙0064 1∙160∙0270∙0160 3 0∙19 0∙27 0∙99 0∙0042 0∙0063 1∙120∙0520∙0026 4 0∙18 0∙27 0∙97 0∙0042 0∙0063 1∙140∙0460∙0180 5 0∙19 0∙24 0∙86 0∙0049 0∙0086 1∙040∙0480∙0086 2 Ostwald 熟化 Ostwald 熟化在《钢铁材料中的第二相》一书中 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．044
Vol.31 Suppl.1 王广连等：20CrM渗碳齿轮钢中T(C,N)的粗化行为 183 有详尽的介绍，本文仅作简单介绍 表3Vc)的半共格界面能g +一+， 炉号 1 5 (1) 6/Jm-3)0.555040.5655950.5451920.5654230.556359 式中，d和do分别为t时间后和初始时第二相的 平均尺寸，D为控制性元素M在基体中的扩散系 2.4粗化速率系数m 数，o为第二相与基体之间的半共格界面能，VMcN 钛在Ti(C,N)中的平衡原子浓度Cp为1，而在 为第二相的摩尔体积，Vm为控制性元素的摩尔体 基体中的原子浓度可根据其平衡固溶量[T]由下式 积，Co和Cp分别为控制性元素M在基体中和在 计算： 第二相中的平衡原子浓度，R为摩尔气体常数，T coTi]Are-55.847[Ti] 100Ai 4790 (7) 为温度（绝对温度）， 20 CrMnTi齿轮钢渗碳过程中，铁基体为奥氏 将表2、表3数值，结合公式(5)、(7)，最后通过 体；而对碳氨化钛的熟化而言，控制性元素是钛， 公式(3)可求得最终的Ti(C,N)在930℃的粗化速 dmtl (2) 率常数m,见表4. m为第二相的粗化速率系数， 表4Ti(C,N)在930℃的粗化速率常数m 64 DGV MICN Co 1/3 炉号 1 2 3 4 5 m 9RTVm Cp (3) m/(mms-1/5)0.2940.08610.5270.1030.272 当mt/相对较小时，d,≈do,则第二相颗粒基 本不发生聚集长大， 3讨论 由于2 0CrMnTi齿轮钢的渗碳温度多是在 930℃，故本文仅对930℃下的0 stwald熟化进行了 Ti(C,N)在930℃的粗化速率常数m获得之 计算. 后，当20 CrMnTi齿轮钢分别在930℃保温1h 2.1 VT(C.N) (3600s)、2h(7200s)、4h(14400s)、8h(28800s)、 1100℃时钛的摩尔体积Vm为1.09191× 16h(57600s)时，通过式(2)d≈mt/3,可以计算出 10-5m3mol-1,TiC、TiN的摩尔体积分别为 在保温t时间内Ti(C,N)的长大尺寸.表5分别给 1.24287×10-5m3mol-1和1.18186×10-5m3. 出了930℃下，5炉钢中Ti(C,N)在如上不同保温 mol1,Ti(C,N)的摩尔体积VMcN可根据TiC和 时间内的粗化速率常数m以及相应的d值 TN的摩尔体积采用线性内插法计算，由于它们随 通过表中数据可知，随着保温时间的延长，各炉 温度的变化很小，故可忽略其随温度的变化，因此， 钢中碳氨化钛颗粒均会发生一定程度地粗化， 930℃时的VTic.)如表2所示. (见图1)，其中3号钢粗化行为最严重，这要归因于 表2各炉钢Vc.s值(930℃) 其具有高的m值（见图2）.在保温8h时，d变化 范围为2.64~16.2nm,最大偏差在13nm左右：保 炉号 5 温16h时，d,变化范围为3.33~20.4nm,最大偏差 VTi(c.N)/ 1.2080321.1826621.23171.1830771.204862 约为l7nm,说明Ostwald熟化作用对Ti(C,N)第二 (m3-mol) 相颗粒尺寸的影响不大， 22 2.2扩散系数D(Ti在奥氏体中) 20 12.3.4.5分别表示5炉钢的d,值 3 钛在奥氏体中的扩散系数为： 18 251000 16 D=0.15exp RT 1 2.3半共格界面能。 12 900~1300℃温度范围内比界面能σ的计算公 式为 mc-y=1.2360-0.5570X10-3T (5) 2 0rw-=1.1803-0.5318×10-3T (6) 1000020000300004000050000 VTiC,N)可采用式(5)和式(6)线性内插获得，数 值如表3所示， 图1不同保温时间各炉钢d,值的变化
有详尽的介绍本文仅作简单介绍． d 3 t＝ d 3 0＋ 64DσV 2 MCN C0 9RTV m CP t＝ d 3 0＋ m 3 t （1） 式中dt 和 d0 分别为 t 时间后和初始时第二相的 平均尺寸D 为控制性元素 M 在基体中的扩散系 数σ为第二相与基体之间的半共格界面能V MCN 为第二相的摩尔体积V m 为控制性元素的摩尔体 积C0 和 CP 分别为控制性元素 M 在基体中和在 第二相中的平衡原子浓度R 为摩尔气体常数T 为温度（绝对温度）． 20CrMnTi 齿轮钢渗碳过程中铁基体为奥氏 体；而对碳氮化钛的熟化而言控制性元素是钛． d≈ mt 1／3 （2） m 为第二相的粗化速率系数 m＝ 64DσV 2 MCN C0 9RTV m CP 1／3 （3） 当 mt 1／3相对较小时dt≈ d0则第二相颗粒基 本不发生聚集长大． 由于 20CrMnTi 齿 轮 钢 的 渗 碳 温 度 多 是 在 930℃故本文仅对930℃下的 Ostwald 熟化进行了 计算． 2∙1 VTi（CN） 1100℃ 时钛的摩尔体积 V m 为1∙09191× 10－5 m 3·mol －1TiC、TiN 的 摩 尔 体 积 分 别 为 1∙24287×10－5 m 3·mol －1和1∙18186×10－5 m 3· mol －1Ti（CN）的摩尔体积 V MCN 可根据 TiC 和 TiN 的摩尔体积采用线性内插法计算由于它们随 温度的变化很小故可忽略其随温度的变化．因此 930℃时的 V Ti（CN）如表2所示． 表2 各炉钢 V Ti（CN）值（930℃） 炉号 1 2 3 4 5 V Ti（CN）／ （m 3·mol －1） 1∙2080321∙1826621∙23171∙1830771∙204862 2∙2 扩散系数 D（Ti 在奥氏体中） 钛在奥氏体中的扩散系数为： D＝0∙15exp － 251000 RT （4） 2∙3 半共格界面能 σ 900～1300℃温度范围内比界面能 σ的计算公 式为［5］： σTiC－γ＝1∙2360－0∙5570×10－3T （5） σTiN－γ＝1∙1803－0∙5318×10－3T （6） V Ti（CN）可采用式（5）和式（6）线性内插获得数 值如表3所示． 表3 V Ti（CN）的半共格界面能 σ 炉号 1 2 3 4 5 σ／（J·m －2） 0∙55504 0∙5655950∙5451920∙5654230∙556359 2∙4 粗化速率系数 m 钛在 Ti（CN）中的平衡原子浓度 CP 为1而在 基体中的原子浓度可根据其平衡固溶量［Ti］由下式 计算： c0＝ ［Ti］ AFe 100A Ti ＝ 55∙847［Ti］ 4790 （7） 将表2、表3数值结合公式（5）、（7）最后通过 公式（3）可求得最终的 Ti（CN）在930℃的粗化速 率常数 m见表4． 表4 Ti（CN）在930℃的粗化速率常数 m 炉号 1 2 3 4 5 m／（nm·s －1／3） 0∙294 0∙0861 0∙527 0∙103 0∙272 图1 不同保温时间各炉钢 dt 值的变化 3 讨论 Ti（CN）在930℃的粗化速率常数 m 获得之 后当 20CrMnTi 齿轮钢分别在 930℃ 保温 1h （3600s）、2h （7200s）、4h （14400s）、8h （28800s）、 16h （57600s）时通过式（2） d≈ mt 1／3可以计算出 在保温 t 时间内 Ti（CN）的长大尺寸．表5分别给 出了930℃下5炉钢中 Ti（CN）在如上不同保温 时间内的粗化速率常数 m 以及相应的 dt 值． 通过表中数据可知随着保温时间的延长各炉 钢中碳氮化钛颗粒均会发生一定程度地粗化 （见图1）其中3号钢粗化行为最严重这要归因于 其具有高的 m 值（见图2）．在保温8h 时dt 变化 范围为2∙64～16∙2nm最大偏差在13nm 左右；保 温16h 时dt 变化范围为3∙33～20∙4nm最大偏差 约为17nm说明 Ostwald 熟化作用对 Ti（CN）第二 相颗粒尺寸的影响不大． Vol．31Suppl．1 王广连等：20CrMnTi 渗碳齿轮钢中 Ti（CN）的粗化行为 ·183·
,184 北京科技大学学报 2009年增刊1 由理论计算结果还可以看出，对于影响d,值的 0.6r m更应该引起注意，其对d:值的影响是显而易见 0.5 1.2.3,4,5分别表示5 炉钢的m值 的，然而，影响m值的因素较多，例如控制性元素 0.4 Ti的扩散速率，Ti(C,N)的摩尔体积以及与基体之 0.3 间的半共格界面能等，事实上，更深层次的影响因 0.2 素之一则是钢的化学成分，在此研究对象中，碳的含 0. 量变化不大，Ti和N的成分变化会通过影响碳氨化 t/10s 物中易溶元素和难溶元素之间的比例而直接影响到 图2不同保温时间内各炉钢m值比较 Ti(C,N)的摩尔体积以及σ值，并最终影响到粗化 速率m和长大的尺寸d值 表5不同保温时间时Ti(C,N)的长大尺寸 时间， m1/ dal m2/ dl m3/ d3/ ma/ dal ms/ dis/ 1/s (nm's-1/3) nm (nm's-1/3) nm (nm 's-1/3) nm (nm's-1/3) nm (nm 's-1/3) nm 3600 0.294 4.51 0.086 1.32 0.527 8.08 0.103 1.57 0.272 4.17 7200 0.294 5.68 0.086 1.66 0.527 10.2 0.103 1.98 0.272 5.25 14400 0.294 7.16 0.086 2.09 0.527 12.8 0.103 2.49 0.272 6.62 28800 0.294 9.02 0.086 2.64 0.527 16.2 0.103 3.14 0.272 8.34 57600 0.294 11.4 0.086 3.33 0.527 20.4 0.103 3.96 0.272 10.5 billet rolled productof gear steel 20CrMnTiH.Special Steel. 4 结论 2001,22(6):50 (卢明霞，聂爱诚，周小明，等.齿轮钢20 CrMnTiH连铸坯轧材 本文主要对2 OCrMnTi渗碳齿轮钢中Ti(C,N) 的质量分析.特殊钢，2001,22(6)：50) 在930℃保温时0 stwald熟化规律进行了计算.结 [3]XiaZ H.Wu Q M.Effect of microalloyed Ti on quality of gear 果表明，在930℃渗碳温度下分别保温1、2、4、8、 steel 20CrMnTi.Special Steel.2008.29(4):45 16h后，Ti(C,N)第二相颗粒的粗化行为并不明显， (夏政海，吴清明.微合金元素Ti对20 CrMnTi齿轮钢质量的 对钉扎奥氏体晶界起主要影响作用的是第二相颗粒 影响，特殊钢，2008,29(4)：45) 的初始尺寸，这对于20 CrMnTi齿轮钢的渗碳工艺 [4]Chen F,Chen S L,Du C X.Present status and development of 有一定的指导意义， gear steel.Special Steel,2002.23(Suppl 1):41 (陈锋，陈思联，杜彩霞·齿轮钢的现状与发展，特殊钢，2002， 参考文献 23(增刊1)：41) [1]Huang B H.Carbonized gear steel for automobile.Automobile [5]Yong QL.The Second Phase in Steel Material.Beijing:Metal- Technol Mater:2004(9):6 lurgical Industry Press.2006:430 (皇百红，汽车用渗碳齿轮钢.汽车工艺与材料，2004(9)：6) (雍岐龙.钢铁材料中第二相.北京：冶金工业出版社，2006： [2]Lu M X.Nie A C.Zhou X M.et al.Quality analysis on concast 430)
图2 不同保温时间内各炉钢 m 值比较 由理论计算结果还可以看出对于影响 dt 值的 m 更应该引起注意其对 dt 值的影响是显而易见 的．然而影响 m 值的因素较多例如控制性元素 Ti 的扩散速率Ti（CN）的摩尔体积以及与基体之 间的半共格界面能等．事实上更深层次的影响因 素之一则是钢的化学成分在此研究对象中碳的含 量变化不大Ti 和 N 的成分变化会通过影响碳氮化 物中易溶元素和难溶元素之间的比例而直接影响到 Ti（CN）的摩尔体积以及 σ值并最终影响到粗化 速率 m 和长大的尺寸 dt 值． 表5 不同保温时间时 Ti（CN）的长大尺寸 时间 t／s m1／ （nm·s －1／3） dt1／ nm m2／ （nm·s －1／3） dt2／ nm m3／ （nm·s －1／3） dt3／ nm m4／ （nm·s －1／3） dt4／ nm m5／ （nm·s －1／3） dt5／ nm 3600 0∙294 4∙51 0∙086 1∙32 0∙527 8∙08 0∙103 1∙57 0∙272 4∙17 7200 0∙294 5∙68 0∙086 1∙66 0∙527 10∙2 0∙103 1∙98 0∙272 5∙25 14400 0∙294 7∙16 0∙086 2∙09 0∙527 12∙8 0∙103 2∙49 0∙272 6∙62 28800 0∙294 9∙02 0∙086 2∙64 0∙527 16∙2 0∙103 3∙14 0∙272 8∙34 57600 0∙294 11∙4 0∙086 3∙33 0∙527 20∙4 0∙103 3∙96 0∙272 10∙5 4 结论 本文主要对20CrMnTi 渗碳齿轮钢中 Ti（CN） 在930℃保温时 Ostwald 熟化规律进行了计算．结 果表明在930℃渗碳温度下分别保温1、2、4、8、 16h后Ti（CN）第二相颗粒的粗化行为并不明显 对钉扎奥氏体晶界起主要影响作用的是第二相颗粒 的初始尺寸这对于20CrMnTi 齿轮钢的渗碳工艺 有一定的指导意义． 参 考 文 献 ［1］ Huang B H．Carbonized gear steel for automobile． A utomobile Technol Mater2004（9）：6 （皇百红．汽车用渗碳齿轮钢．汽车工艺与材料2004（9）：6） ［2］ Lu M XNie A CZhou X Met al．Quality analysis on concast billet rolled productof gear steel 20CrMnTiH． Special Steel 200122（6）：50 （卢明霞聂爱诚周小明等．齿轮钢20CrMnTiH 连铸坯轧材 的质量分析．特殊钢200122（6）：50） ［3］ Xia Z HWu Q M．Effect of microalloyed Ti on quality of gear steel20CrMnTi．Special Steel200829（4）：45 （夏政海吴清明．微合金元素 Ti 对20CrMnTi 齿轮钢质量的 影响特殊钢200829（4）：45） ［4］ Chen FChen S LDu C X．Present status and development of gear steel．Special Steel200223（Suppl1）：41 （陈锋陈思联杜彩霞．齿轮钢的现状与发展．特殊钢2002 23（增刊1）：41） ［5］ Yong Q L．The Second Phase in Steel Material．Beijing：Metallurgical Industry Press2006：430 （雍岐龙．钢铁材料中第二相．北京：冶金工业出版社2006： 430） ·184· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1