Austenite Grain Growth Behavior of 20Mn5 Steel Used for Heavy Hydro-Generator Shaft

Abstract

20Mn5 steel is widely used in the manufacture of heavy hydro-generator shaft due to its good performance of strength, toughness and wears resistance. Some researches about its hot deformation and recrystallization behavior were reported. However, the austenite grain growth behavior of 20Mn5 steel when heated under high temperature was not studied. The austenite grain growth behavior determines the grain size of steel ingot before hot forging and has a great influence on the microstructure evolution during hot forging. In this study, samples from 20Mn5 hollow steel ingot are heated to different temperatures of 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, and 1200°C and held for different times of 1, 3, 5, 7, 9, and 11 h before being quenched with water. The experimental results show that the austenite grain size increases with increasing temperature and holding time. When heating temperature ranges from 850 to 1050°C, the growth velocity of austenite grain is small; when heating temperature ranges from 1050 to 1200°C, the growth velocity of austenite grain increases remarkably. A two-stage grain growth model is established to predict the austenite grain size after holding under high temperature. The predicted austenite grain sizes are in good agreement with the experimental ones, which indicates that the model is reliable.

Сталь 20Mn5 широко используется в производстве валов мощного гидрогенератора благодаря высокой прочности, пластичности и износостойкости. Некоторые исследователи отмечали явления деформирования при нагреве и рекристаллизации. Рост аустенитных зерен в стали при высокой температуре не изучен. Скорость роста зерен определяет их размеры в стальном слитке перед горячей ковкой, что существенно влияет на формирование микроструктуры. Образцы, вырезанные из полого слитка стали 20Mn5, нагревали до различных температур (850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 и 1200°С) с выдержкой в течение 1, 3, 5, 7, 9 и 11 ч перед закалкой в воде. Показано, что рост аустенитных зерен зависит от температуры и времени выдержки. В интервале температур 850...1050°С скорость их роста мала, при температурах 1050...1200°С она значительно увеличивается. Построена двухступенчатая модель роста зерен для прогнозирования их размеров после выдержки при высокой температуре. Прогнозируемые размеры аустенитных зерен хорошо согласуются с экспериментальными, что подтверждает надежность модели.

Сталь 20Mn5 широко використовується у виробництві валів потужного гідрогенератора завдяки високій міцності, пластичності та зносостійкості. Деякі дослідники відмічали явища деформування при нагріванні і рекристалізації. Ріст аустенітних зерен у сталі за високої температури не вивчався. Швидкість росту зерен визначає їх розміри в стальному злитку перед гарячим куванням, що суттєво впливає на формування мікроструктури. Зразки з порожнистого злитка сталі 20Mn5 нагрівали до різних температур (850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150 і 1200°С) із витримкою протягом 1, 3, 5, 7, 9 та 11 годин перед закалюванням у воді. Показано, що ріст аустенітних зерен залежить від температури і часу витримки. В інтервалі температур 850...1050°С швидкість їх росту мала, за температур 1050...1200°С вона значно збільшується. Побудовано двоступеневу модель росту зерен для прогнозу їх розмірів після витримки за високої температури. Прогнозовані розміри аустенітних зерен добре узгоджуються з експериментальними, що підтверджує надійність моделі.