20CrMnTiH齒輪鋼頂鍛表面裂紋工藝研究探討

楊 彬

(新疆八一鋼鐵股份有限公司 軋鋼廠棒線分廠，新疆 烏魯木齊 830022)

1 20CrMnTiH齒輪鋼的應用基本要求

1.1 加工性要求

衡量齒輪鋼的質量，“可加工性”質量是前提，齒輪鋼的可加工性要求主要包括：尺寸精度、熱加工性能(包括熱頂鍛和鍛后可加工性能)、對熱處理工藝的適應性、切削加工性等。但隨著齒輪行業的發展，用戶對淬透帶的要求將越來越高，目前，高檔次的齒輪加工廠都對入廠齒輪鋼的淬透帶值提出了嚴于標準的要求。

1.2 使用性要求

齒輪行業最重要的任務是生產出優質的齒輪，即較高的“使用性”質量。研究表明：就齒輪鋼的使用而言，齒輪的失效大部分是疲勞引起的，疲勞損壞中的主要表現形態是表面接觸疲勞，它是齒輪失效最普遍的形式，主要表現為點(坑)蝕或剝落。接觸疲勞損壞的主要內因是鋼中難變形的氧化物夾雜(如Al2O3等)與基體的界面處在運轉過程中過早地萌生裂紋，在交變應力的作用下促使裂紋擴展，導致齒輪過早失效。

2 20CrMnTiH齒輪鋼的質量現狀與質量控制

2.1 尺寸精度的現狀與質量控制

近幾年來，特別是在實施了“特鋼核竟工程”后，特鋼廠已將老式的橫列式軋機進行了半連軋或成品軋機單拖改造，并將膠木瓦支承改為軸承，鋼材的尺寸精度有了較大的提高，基本能夠滿足GB/T702中的2組尺寸精度，尤其是小型車間成品孔設計上采用了由孔型兩側用切線連接的擴張角法代替了原來的雙半徑圓弧法，鋼材的尺寸精度又有較大的提高。因此，目前，齒輪鋼尺寸控制的重點主要是：孔型的加工精度;坯料加熱的溫度和均勻性;換輥和配輥制度的合理性;調整工的操作技能和責任心。

2.2 熱加工質量現狀與質量控制

2.2.1 熱加工質量現狀

衡量鋼材的熱加工質量，主要從兩個方面：一是，鋼材的熱頂鍛質量;二是，頂后毛坯的可加工性，它主要受鋼材表面質量和內部裂紋的影響。目前，隨著生產設備的不斷改進、工藝水平和操作技能的不斷提高，我廠齒輪鋼的表面質量和低倍質量大幅度提高，一次頂鍛合格率和低倍檢驗合格率也逐步上升，熱加工質量總體較好。

2.2.2 連鑄坯質量控制重點

20CrMnTiH齒輪鋼在頂鍛時，較易出現裂紋，顯微發現：裂紋處基體組織為不平衡的鐵素體和珠光體，裂紋邊緣為1.5mm的脫碳層，裂紋處光滑，無裂紋延伸。分析其成因：組織缺陷由于連鑄坯中存在的表層(表面)缺陷，如果在軋鋼過程中不能消除，就會暴露在鋼材上或熱頂鍛試樣上。

(1)皮下氣泡、表面氣孔等缺陷。這類缺陷是造成熱頂鍛開裂的主要原因之一。在熱頂鍛不合的試樣中占較大的比重。圖1是連鑄坯橫斷面上存在嚴重皮下氣泡(含表面氣孔)的照片。

(2)表面夾渣及表層夾雜物。有表面夾渣的鋼材，經熱頂鍛后一般表現出的缺陷比較明顯，圖2所示。

圖2 夾渣引起的開裂

圖2裂縫中還有白色渣相殘留的白色渣相，開裂缺陷雜亂，常與結疤、翹皮類缺陷并存。此類缺陷，極易認定為輥印引起的簇帶狀折疊缺陷。然而，仔細觀察會發現裂口的側壁是不光滑的，帶有一定的撕裂口。

2.2.3 連軋過程中質量控制重點

軋鋼工序可以改善鋼的鑄態組織，減輕甚至消除一些煉鋼缺陷，比如較小的皮下氣泡、縮孔等。但是，若軋制工藝不合理，尤其加熱制度和加熱工藝不合理，反而會使煉鋼缺陷擴大化。在加熱爐能力低于軋機能力的情況下，難免采用強化加熱，爐溫偏高，鋼坯表面尤其鋼坯角部就容易出現過熱甚至過燒。如果遇到所用燒嘴的火焰較長(比如空煤比不合適時產生的火焰)，則更易在鋼坯的角部出現局部過燒現象。

(1)折疊。在熱頂鍛試樣缺陷中，有相當大的比重是折疊問題。折疊大多是由于某一軋制道次出現過充滿現象(耳子)，在后部道次中再軋時形成折疊。還有一些折疊是因為中間道次軋件上出現較深的劃傷或軋件“缺肉”等因素造成的凹溝，經后部道次軋制時形成折疊。一般情況下，折疊缺陷最明顯的特點是沿著鋼材長度方向延伸的直線型裂口，長度通常較大;裂口的側壁經過了輥軋比較光滑。在熱頂鍛試樣上，最常見的折疊表現形式有三種：①清晰的開裂。它的特點是在試樣上表現為一條(或二條)沿試樣長度方向貫通的裂縫，裂縫的兩側壁清晰較光滑，與非折疊試樣裂壁的外觀有明顯的區別。②一側呈鋸齒形或褶皺形的通長開裂。它與試件表面的夾角一般小于300，是在軋制時由于出現薄而寬的耳子，經再軋折合而成。③接近壓合的折疊。這種折疊在熱軋鋼材表面較難看出，在一條直紋上有粘連的地方，但它的裂口比較清晰，是一條整體的長折線，與鋼質問題造成的撕裂性裂口有明顯的區別。

(2)輥印和褶皺。當軋槽使用過度或鋼軋輥由于冷卻效果不好而在軋槽上結瘤時，會在軋件上軋出網狀凹凸不平的缺陷，這種缺陷經過再軋會造成長度較短、密集分布的折疊。通常在有嚴重不均勻變形的孔型中容易出現，比如用箱型孔、平輥軋制方斷面軋件時，在軋槽的側壁與軋件首先接觸的地方常出現結瘤帶，所以我們將由此在鋼材上引起的折疊稱為輥痕形簇帶狀折疊。軋件尺寸較大時，對于側邊平直的軋件，若使側邊在無約束狀態下壓縮量過大，就容易在軋件側邊出現褶，尤其在加熱時間過長，或在氧化氣氛過高的條件下強化加熱，鋼坯表面會形成較厚的氧化鐵皮，當鐵皮剝落后，鋼表面凹凸不平的現象會加劇，并且，鋼坯表面的不均勻脫碳現象會使表層金屬的剛性和塑性出現較大的差異，這時更容易在軋件的側邊出現褶皺，褶皺嚴重時就形成了褶皺形折疊。

(3)成品劃傷。在齒輪鋼生產時，劃傷是常見的缺陷，這種缺陷在熱頂鍛之后不會擴大，反而隨變形量的加大，紋痕越來越淺。綜合以上研究，可以得出這樣的結論：從裂口的側壁區分夾雜物引起的裂口，由于是將強度低的夾雜物拉斷，所以裂縫側壁不可能是光滑的，而是帶有尖刺狀的撕裂斷口;氣泡引起的開裂，由于裂縫側壁原是自由表面，所以裂縫側壁不會太光滑，也不會有尖刺狀撕裂斷口;耳子類折疊引起的開裂，由于裂縫側壁是經過輥軋的表面，所以裂縫側壁是比較光滑的;褶皺、輥痕引起的開裂，經過了在自由表面上變形，與氣孔引起的開裂側壁相近。

從裂口的分布區分煉鋼工序造成的熱頂鍛開裂缺陷的分布一般是沒有規律的，隨機分布在棒材的周圍;軋鋼工序造成的熱頂鍛開裂缺陷的分布是有一定規律的，其位置比較固定，耳子類折疊長度較大，經常貫穿整支軋件，簇帶狀折疊雖然每條裂縫的長度較小，但所有裂縫都集中在一個沿棒材長度方向的條帶上。

從裂口的形狀區分氣孔、夾雜物、夾渣、輥痕、褶皺等引起的開裂，其裂縫的橫斷面與棒材外表面基本垂直;耳子類折疊、部分淺層爆裂的皮下氣泡引起的開裂，其橫斷面與棒材表面有一定的傾角;局部過燒引起的開裂都處于一條皺面帶上，且有一些細小的雞爪形裂紋。

3 軋鋼工序在齒輪鋼熱頂鍛表面裂紋產生時應注意的問題及應采取相應的措施

3.1 加熱缺陷

(1)根據加熱爐及燃料特點，合理制定加熱制度。

(2)合理布置加熱爐的測溫點，準確完整地反映爐內的溫度狀況，便于正確控制爐溫。

(3)根據火焰特點，合理調節各供熱點的供熱量，使鋼坯加熱均勻。準確預見停軋事故的處理時間，禁止盲目強化加熱。

(4)合理控制爐內氣氛，減少氧化程度，防止脫碳。

3.2 折疊

(1)有導衛、軋槽的使用、安裝標準。

(2)及時更換、調整導衛，達到穩定軋制。

(3)勤查看各道料形，保證鋼料斷面尺寸和形狀符合要求。

3.3 簇帶狀折疊

(1)嚴格執行換槽制度，防止軋槽過度使用。

(2)選用合理的孔型系統，減少造成缺陷的因素。

(3)嚴格執行加熱制度，減少鐵皮厚度，防止鋼坯表面脫碳。

3.4 劃傷

(1)合理選用導衛材質。

(2)保證有效冷卻導衛，防止粘鐵皮。

(3)及時清除輥道上有可能劃傷鋼材的隱患。

4 改進后的質量現狀

八鋼小型軋鋼機組通過對軋鋼工序工藝優化，齒輪鋼產品質量已趨于穩定，產品表面質量通過熱頂鍛檢測，屬于軋鋼缺陷造成的裂紋總量已得到控制。后期小型軋鋼機組將完善細化鞏固措施，并持續改進，提高工藝設備功能精度來消除軋鋼缺陷所造成的齒輪鋼裂紋現象。