齿轮钢SAE5120H是一种常见的渗碳齿轮钢，也是一种保淬透性的低合金结构钢，因其成分设计和生产成本相对较低的优势，且具有出色的强韧性、疲劳强度和耐磨性等综合性能，目前广泛应用在汽车变速齿轮箱等领域。典型的以AlN来细化晶粒的此类钢种，表现出在成分控制范围窄、低倍组织均匀、纯净度高、末端淬透性稳定、晶粒度细小、脱碳层深度浅等优点。
该齿轮钢具有优异的综合性能主要取决于微观组织的合理控制，且高温渗碳晶粒度是一项衡量其性能的重要指标，对后期客户加工和产品服役有着重要的影响。本文通过热模拟试验机、高温显微镜、扫描电镜和透射电镜等对SAE5120H钢微观组织结构等进行相关研究。
一、试验材料与方法
本次实验研究中所用的试样取自兴澄生产的 SAE5120H钢，主要化学成分如表1所示。
在热模拟试验机上测量试验钢种的静态CCT 曲线，先以每小时不超过200 ℃的速度缓慢加热测量 Ac3，确定奥氏体化温度和保温时间，然后分别以不同冷却速度冷至室温，从降温膨胀曲线上读取各个相变点的温度，结合金相组织来绘制 CCT 曲线。同时，在高温显微镜上，以相同的工艺来实时观察过冷奥氏体冷却过程中的组织转变，并与热模拟的实验结果比对;在高温显微镜上模拟不同的伪渗碳温度和时间来实时观察晶粒度的变化。
对实验钢种进行金相、扫描电镜和透射电镜微观分析和表征，对试样依次经过研磨、抛光和腐蚀得到不同的金相显微组织和晶粒度;对试样研磨抛光后在扫描电镜高倍下对析出相的形貌和分布进行表征;利用磨玻璃将试样磨至60 μm，然后电解双喷减薄至 100 nm 以下在 Talos F200X G2 高分辨场发射透射电镜下观察析出相的形貌和成分。
二、试验结果和分析
CCT曲线
CCT曲线绘制
以 180℃/h 的加热速度将试样从室温升至 1000 ℃，从升温膨胀曲线上读取开始奥氏体化温度 Ac1和完全奥氏体化温度 Ac3，分别是 745 ℃和 869 ℃，以此来确定奥氏体化条件为 930 ℃，保温 10 min，将不同冷却膨胀曲线上物理意义相同的点连接起来，即可得到如图1所示的实验钢的CCT曲 线。从曲线中可看出，冷却速度在0.1~1 ℃/s时，组织转变为铁素体+珠光体;冷却速度在1~3 ℃/s，组织中开始出现贝氏体和马氏体，随着冷速的增加，贝氏体和马氏体的含量明显增加;当冷却速度超过 3 ℃/s 时，珠光体消失，组织主要以铁素体+贝氏体+马氏体存在;当冷却速度约超过 70 ℃/s 时，铁素珠消失，组织主要是贝氏体+马氏体;进一步提高冷却速度至 130 ℃/s 时，实验钢种淬透，组织全部为马氏体组织。
金相组织分析
对不同冷却速度下的试样经过4%硝酸酒精腐蚀，得到不同状态下的金相组织，如图2所示。
从图2中可以看出，当冷却速度为2 ℃/s时，以铁素体和珠光体为主，少量贝氏体和马氏体;当冷却速度为 5 ℃/s 时，以贝氏体和马氏体为主，少量铁素体;当冷却速度为20 ℃/s时，几乎都是贝氏体和马氏体，极少量的铁素体，当冷却速度增加到 130 ℃/s时，钢中全部为马氏体组织。
高温显微镜结果
高温显微镜组织
在高温显微镜上对实验钢种进行相同的奥氏体化条件加热，然后以相同的冷却速度冷至室温，可实时观察试样的组织转变过程。
从图 3 中可以实时的观察试样从奥氏体化保温到冷却至室温过程的组织转变，整个冷却过程以视频的形式记录，可以选择性观察任一感兴趣温度点的组织转变情况。将高温显微镜的高温状态下的实时照片与热模拟的实验结果比对，具有很好的一致性。
伪渗碳实验结果
对实验钢种分别加热至 1 100 ℃、930 ℃、960 ℃和 980 ℃，保温 7 min 观察保温过程中晶粒度的长大情况。
加热温度1 100 ℃下晶粒度变化：由于高温显微镜单次实验时间总长的局限性，先以20 ℃/s的速度快速将试样升温至700 ℃，再以 2 ℃/s的速度升温至1 100 ℃，保温8 min，分别截取保温 1 min，4 min 和 7 min 时试样的实时晶粒度照片如下图4。
从图4中可以看出，试样在刚加热到1 100 ℃ 时晶粒已经粗化，开始长大，且随着保温的延长，晶粒有进一步长大的趋势。这是由于此时的加热温度很高，高的热激活能导致奥氏体晶界的迁移使晶界面积减少，这是奥氏体晶粒长大的驱动力。
加热温度930 ℃下晶粒度变化：考虑实际生产过程中渗碳晶粒度的加热温度，在模拟过程中低温设置在930 ℃，同样的加热方式分别截取保温4 min和7 min时试样的实时晶粒度照片如图5。
从图 5 中可以看出，试样保温 7 min 仍未出现晶粒长大和粗化的现象，在此温度下进行渗碳不会出现混晶，但温度低会很大程度上增加渗碳的时间，影响生产效率。
加热温度960 ℃下晶粒度变化：为进一步研究渗碳温度对晶粒度的影响，将模拟渗碳的温度调至960 ℃，同样的加热方式分别截取保温 1 min，4 min 和 7 min 时试样的实时晶粒度照片如图6。
从图 6 可以看出，试样保温 7 min 也仍未出现晶粒长大和粗化的现象，说明在此温度下进行渗碳不会出现混晶，但渗碳效率已经明显高于930 ℃。
加热温度980 ℃下晶粒度变化：考虑不同的微观组织和析出相对晶粒长大的钉扎作用，继续提升渗碳温度观察晶粒长大情况，将模拟渗碳的温度调至980 ℃，同样的加热方式分别截取保温 1 min，4 min 和 7 min 时试样的实时晶粒度照片如图7。
从图 7 中可以看出，试样在保温 1 min 时晶粒尚未长大，均匀细小;当保温4 min时晶粒开始逐渐长大，有粗化的趋势;当保温7 min时晶粒已经明显长大，开始出现混晶。说明该钢种合适的渗碳温度在960 ℃左右。
不同原始组织对晶粒度长大的影响
根据CCT曲线的检测结果，实验钢种的室温组织主要以F+P，F+P+B+M(少量)，F+B+M，B+M和M 几种类型，选择其中四个不同原始组织的试样进行晶粒度长大速率的测算。图 8—11 为不同条件下初始和长大后的晶粒度尺寸。
从图8中可以看出原始组织为F+P状态下，加热至奥氏体化并保温一段时间前后的奥氏体晶粒尺寸分别为 21.23 μm 和 151.85 μm，时间为 3 min。
从图9中可以看出原始组织为F+B+M状态下，加热至奥氏体化并保温一段时间前后的奥氏体晶粒尺寸分别为 26.56 μm 和 207.29 μm，时间为5 min。
从图 10 中可以看出原始组织为 B+M 状态下，加热至奥氏体化并保温一段时间前后的奥氏体晶粒尺寸分别为 23.64 μm 和 151.04 μm，时间为7 min。
从图 11 中可以看出原始组织为 M 状态下，加热至奥氏体化并保温一段时间前后的奥氏体晶粒尺寸分别为 85.01 μm 和 289.00 μm，时间为 6 min。
奥氏体晶粒长大速率：
式中L2为晶粒长大后的尺寸，L1为刚完成奥氏体化的晶粒尺寸;t2为晶粒长大后的时间，t1为刚完成奥氏体化的时间。
经过计算得到如图12所示的不同原始组织条件下的奥氏体晶粒长大速率，原始组织为F+P的奥氏体晶粒长大速率最大，原始组织为B+M 的奥氏体晶粒长大速率最小，对用户渗碳工艺的制定具有重要的指导意义。
扫描电镜分析结果
为指导该钢种在轧制生产过程中加热炉温度的确定，对该钢种分别加热至 1 200 ℃和 1 250 ℃ 保温5 min后冷却至室温，利用场发射扫描电镜图像拼接功能，对较大宏观范围内的析出相形貌、尺寸和分布进行表征，如图13所示。
从图 13 中可以看出，加热温度为 1 250 ℃的 AlN 析出相的尺寸更加细小，均匀分布，且 AlN 质点数量增多，能有效钉扎奥氏体晶界，抑制晶粒长大。在渗碳处理过程中，组织中的AlN析出相对奥氏体晶粒长大的控制具有重要的作用，但晶粒尺寸较小的AlN对钉扎起不到作用，尺寸较大的AlN 析出相对钉扎反而起不利的作用。在各种生产和热处理等工艺过程中，需要严格控制AlN析出相的尺寸和分布。
透射电镜分析结果
对不同工艺下晶粒度均匀和混晶的两种试样进行透射电镜下的微观表征，经过研磨至 50~60 μm，然后用10%的高氯酸酒精电解双喷减薄，在 Talos F200X G2场发射透射电镜下进行AlN析出相的形貌、成分和分布的分析，对生产具有重要的指导价值。
析出相的形貌分析
混晶试样的透射电镜样品如下图 14，可以明显的看出 AlN 析出相的尺寸不均匀，在部分视场中，同时存在 100~200 nm 和<100 nm 大小的析出相，有些区域也存在均匀分布的析出相。在数量上也存在着不均匀的现象，有的视场中均匀细小的分布，有的视场中则数量较少甚至是没有。
相比于混晶试样，晶粒度均匀试样的析出相如图15所示，分布均匀细小，且没有尺寸较大的析出相，尺寸几乎都是细小的，基本每个视场的分布也更加均匀。
析出相成分分析
对实验钢中的析出相进行 EDS 能谱分析和 Mapping面扫描，以确定其化学成分。其中对析出相的EDS结果如图16所示。
对图中标记的33# 析出相进行ESD分析可知，其主要成分即是Al，是以AlN形式存在的析出相。
同时对部分视场的析出相进行Mapping分析，结果如图17所示。
从Mapping分析结果来看，钢中几处主要析出相也是富Al和N的析出相，应该是AlN析出相，与EDS结果对应。从AlN的形貌来看，呈典型的细条状、六棱形等，也可一定程度上判断析出相的类型。
析出相尺寸统计分析
分别对晶粒均匀和出现混晶两个试样随机取 20 个视场进行析出相数量和尺寸统计分析，结果如图18所示。
从图 18 中可以看出，析出相的总量差距不大，混晶样的析出相数量约低于 10%，而在 50~90 μm 尺寸的析出相中，均匀晶粒的试样中明显高于混晶样，且在大尺寸析出相数量上混晶样略高于晶粒均匀样。当钢中析出相半径超过临界半径，无法起到钉扎作用。要综合考虑第二相粒子数量、尺寸和分布对晶粒度的影响，即增加有效AlN析出相粒子量。
三、结论
(1)在热模拟试验机上测得实验钢种的静态 CCT曲线，为热处理、渗碳和轧后控冷工艺的制定和调整提供依据。
(2)高温显微镜模拟 CCT 曲线测量的相同工艺，可实时观察组织转变过程，并与之互相验证，同时模拟伪渗碳处理过程，实验钢种不发生晶粒长大即混晶的合适温度约为960 ℃。
(3)不同原始组织条件下的奥氏体晶粒长大速率不同，原始组织为F+P的奥氏体晶粒长大速率最大，原始组织为B+M 的奥氏体晶粒长大速率最小，对用户渗碳工艺的制定具有重要的指导意义。
(4)从扫描电镜的分析结果可知轧制加热温度为1 250 ℃时得到的析出相尺寸更加均匀细小，且分布弥散，为轧制工艺加热温度的确定提供依据。
(5)从透射电镜分析结果可知实验钢中主要的析出相为 AlN，析出相的尺寸、数量及分布对晶粒长大的影响尤为关键。
参考文献略.