SAE4320H往往用于耐冲击耐磨损的高端制造业零件，热轧状态或退火状态进行锻造，其热处理相关的研究较少。为探究不同热处理下组织转变和力学性能的变化，将一炼钢通过 BOF-LF-VD-CC工艺生产的差速器齿轮用 SAE4320H钢采用水淬、油淬、空冷和炉冷的热处理工艺进行冷却并测定力学性能。试验结果表明：淬火对齿轮用 SAE4320H钢的屈服强度和抗拉强度有着明显的提升，其中水淬的屈服强度和抗拉强度最高，但塑性最差。925 ℃正火-880 ℃淬火-180 ℃回火后，水淬得到回火马氏体组织，油淬得到回火马氏体+回火贝氏体+少量铁素体组织，空冷得到 P+B+F组织，炉冷得到 P+F 组织。
原苏联 20XH2M 钢的替代品 SAE4320H 是美国汽车工程师学会(SAE)的钢材牌号，常用于制造处于传动轴与左右半轴的交汇点的差速器齿轮，一些竞速类以及越野类的车辆由于对驱动轮性能要求较高，通常会加装限滑差速器以便于左右半轴的转速差过大时锁止普通差速器使左右两侧半轴合理分配动力。差速器的应用环境往往比较恶劣，所以对拉伸冲击和抗腐蚀性能的要求远胜于相似C、Si含量的CrMn系钢材。由郭佳等学者对耐候钢局部腐蚀深度统计与锈层截面微观形貌的研究可知，双峰尺度晶粒尺寸分布的钢材具有较相同碳含量钢材更优异的拉伸和抗腐蚀性能。国外的一些学者通过变形、相变与再结晶结合的方式提高钢的延伸率，武会宾等学者利用退火过程马氏体的逆相变和奥氏体的再结晶相结合提高钢的综合力学性能。如果能够将双峰尺度晶粒尺寸分布技术通过控制淬火方式的工艺应用到实际生产中，将对齿轮用钢的性能带来升级性的优化。本文以差速器齿轮用SAE4320H钢为研究对象，采用空冷、水淬、油淬和炉冷的热处理并测定力学性能，通过结合金相组织的综合分析选定合理的淬火工艺为双峰尺度晶粒尺寸分布技术的工业化应用研究提供基本实验数据。
一、试验材料与方法
试验使用一炼钢生产的差速器齿轮用 SAE4320H钢，化学成分见下表1。将40支同炉不同支热轧材按照标准 GB/T 2 975-2 018 制成 40 个标准试样后，热处理过程如下图1所示。按照GB/ T 13 298-2 015制备标准试样，将抛光面经4%硝酸酒精溶液处理后，在德国AXIO VerA1蔡氏金相显微镜下观察显微组织。40个试样的机械性能根据不同的热处理工艺随机等分成4组，采取925 ℃正火-880 ℃淬火-180 ℃回火后，检测抗拉、屈服、延伸、面缩等指标。
二、试验结果及讨论
不同淬火方式下的组织形貌
试验用钢在轧钢厂小棒线由 250×280 mm规格的连铸方坯在搭配了KOCKS公司减定径机组、控轧控冷机组及配套设施的意大利 POMINI 公司连轧机组轧制生产。
下图 2-1 和 2-2 是根据表 1 的成分使用 JMat-Pro热力学计算软件计算得出的CCT曲线和TTT曲线，终轧温度在 880~920 ℃时钢的组织由奥氏体相、铁-氮化物相、铁-磷-硫化物相、硼-氮化物相以及铝-氮化物相组成，其中在1107℃开始析出的铝-氮化物相是一种硬化相，可以增加钢的耐磨性和耐蚀性。
根据计算出来的TTT曲线可知铁素体、珠光体和贝氏体组织的开始析出温度分别为 774 ℃、694 ℃和574 ℃，其中贝氏体的鼻尖温度为514 ℃，在此温度保温55.5 s后全部转变为贝氏体。
设定终轧后上冷床的温度为 650~550 ℃，由 CCT 曲线可知只要临界冷却速度大于 1 ℃/s 得到的组织就会全是贝氏体，故为了保证在贝氏体转变温度上停留足够的时间，在冷床上冷却时加扣保温罩，在现场对生产的热轧圆钢进行抽验得到的组织结果均为贝氏体和铁素体。
下图3是500倍下热轧态齿轮用SAE4320H钢观察得到的金相图，铁素体晶粒分布较为均匀，其中贝氏体呈现羽毛状是因为该钢种在设计时添加了一定的 Si、Al 和 Ni 元素，延缓了铁素体相、珠光体相的析出，在TTT曲线图中体现为扩展了贝氏体相的转变区，也就是在热轧态就可以得到大量的上贝氏体组织。
按照表 1 的成分通过 JMatPro 计算发现其 Ac3 点为832 ℃，因此热处理时加热至880 ℃后能够实现完全奥氏体化。
经四种不同方式热处理后获得的显微组织如图4所示。水淬-回火状态下得到单一回火马氏体组织。油淬-回火形成回火马氏体+回火贝氏体+少量铁素体，这表明试验钢的淬透性良好，虽然在油淬的条件下未能完全转变为马氏体，但由于快速冷却至室温，这些游离于晶界的铁素体只能沿着上贝氏体体的晶面生长，最后形成细长的铁素体聚集区，如图4 b)所示。
880 ℃奥氏体化时的晶粒尺寸较细小，晶界较多，位错等晶体缺陷较多且分布不均匀，因此有些区域会作为障碍区不利于边界继续向前推移，导致贝氏体亚结构边界出现凸起结构，故 c)中组织为铁素体、粒状贝氏体和片状珠光体混合沿晶分布的珠光体。由d)可见，随炉冷却-回火后得到平衡态的粗大铁素体和珠光体组织，因样品较小，空冷冷速较快，故加热后获得奥氏体晶粒较为粗大。
不同热处理下的力学性能
表 2 是 40 个试样的机械性能指标，由表 2 的数据及图3的结果可以看出，冷却速度越慢，组织类型越接近于平衡态，铁素体越表现出等轴晶生长的特征，无形中降低了屈服强度和抗拉强度，而当冷却速度加快时，多种合金元素的复合固溶强化弥补了析出相的损耗，在细小的铁素体晶粒相变后围绕位错形成了较大的多边形铁素体，得到双峰尺度铁素体组织，使其室温屈服强度和抗拉强度明显提高。
水淬的冷却速度最快，在回火后的金相虽然是较为统一的回火马氏体，但由于位错马氏体的阻碍作用产生内应力，因此塑性要差于油淬。
三、结论
(1)水淬/油淬-回火时，将得到回火马氏体组织，炉冷得到的粗大的铁素体会降低材料的屈服强度(低于空冷159~180 MPa)和抗拉强度(低于空冷 188~201 MPa)。
(2)相较于空冷，水淬的屈服强度(由540→ 1 250 MPa)和抗拉强度(由750→1 440 MPa)的提升极为明显，油淬次之，但油淬的各项机械性能指标最为集中，淬透性更佳。
(3)淬火组织中由于存在大量的界面缺陷阻碍位错运动，因此表现为连续屈服且抗拉强度均大于1 000 MPa。
参考文献略.