重載齒輪鋼退火態(tài)帶狀組織控制

劉永昌，袁淑君，戈文英

（1山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南250100；2山鋼股份萊蕪分公司，山東 濟(jì)南271104）

1 前 言

對于齒輪鋼而言，帶狀組織是一種很嚴(yán)重的內(nèi)部缺陷，對齒輪鋼的性能和加工、熱處理等帶來嚴(yán)重的影響:破壞了鋼基體的連續(xù)性，使鋼的力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，降低了橫向性能；惡化了鋼的切削性能，使齒輪表面光潔度降低；導(dǎo)致齒輪滲碳硬度不均勻、淬火變形不均勻，影響齒輪的使用壽命［1］。

萊鋼生產(chǎn)齒輪鋼歷史悠久，年生產(chǎn)量近50萬t。萊鋼齒輪鋼帶狀組織在熱軋態(tài)下一般控制在2.5級以下，可滿足大部分用戶使用要求。但隨著下游重載汽車齒輪生產(chǎn)廠家對鋼的帶狀組織日益嚴(yán)格的要求，且引入退火態(tài)帶狀組織的檢驗要求，萊鋼現(xiàn)帶狀組織控制水平無法滿足此項要求。因此針對重載汽車齒輪生產(chǎn)廠家要求退火態(tài)帶狀組織≤2.5級的要求，萊鋼開展了齒輪鋼退火態(tài)帶狀組織工藝控制研究工作。

2 帶狀組織簡介

帶狀組織是指在熱軋低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列，形成層狀或條帶狀分布的鐵素體晶粒與珠光體晶粒［2］。鋼的帶狀組織檢驗通用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13299《鋼的顯微組織評定方法》，其根據(jù)帶狀鐵素體數(shù)量增加，并考慮帶狀貫穿視場的程度、連續(xù)性和變形鐵素體晶粒多少的原則進(jìn)行評定。

形成帶狀組織的直接原因是元素偏析:由于各合金元素的擴(kuò)散速度不一致，在鑄坯凝固過程中產(chǎn)生枝晶偏析，導(dǎo)致鋼中枝晶和枝干部分Ar3溫度不一致，進(jìn)而先共析鐵素體形核時間與速率不同；冷卻過程中，Ar3溫度較高的區(qū)域優(yōu)先析出鐵素體，隨著溫度的下降，此區(qū)域的碳元素向Ar3溫度較低區(qū)域富集，最終此區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，從而形成鐵素體-珠光體帶狀組織［3-4］。

采用不同的熱處理手段可以改變帶狀組織級別，這主要是通過控制冷卻速度來進(jìn)行改善或惡化的。對熱軋圓鋼進(jìn)行退火處理，其冷卻速度較慢，在先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)域停留時間過長，先共析鐵素體得到充分的析出長大，因此帶狀組織變得更加嚴(yán)重［5］。從萊鋼同一爐鋼材在熱軋態(tài)、退火態(tài)下帶狀組織檢驗情況（見圖1）可看出，退火態(tài)帶狀組織相較熱軋態(tài)下將提高1.0～2.5級左右，退火態(tài)帶狀組織嚴(yán)重時可達(dá)5.0級。

重載汽車齒輪與普通齒輪相比，需承受更高的抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度，要求更高的耐磨性，從而要求所使用的齒輪鋼淬透性更高、韌性更好，因此一般為CrMo、CrNiMo系齒輪鋼。此類鋼種在熱軋態(tài)下，其組織一般為鐵素體+珠光體+貝氏體非平衡組織；而在退火態(tài)下，其組織成為鐵素體+珠光體平衡組織，因此檢驗此類鋼種在退火狀態(tài)下的帶狀組織是比較合理的。

3 生產(chǎn)工藝改進(jìn)

針對CrMo、CrNiMo系重載齒輪鋼退火態(tài)帶狀組織≤2.5級的控制目標(biāo)要求，在前期理論研究工作的基礎(chǔ)上，萊鋼通過成分優(yōu)化設(shè)計、連鑄工藝優(yōu)化、軋制工藝優(yōu)化3個方面對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了調(diào)整。以22CrMoH齒輪鋼為例，具體如下。

3.1 成分優(yōu)化設(shè)計

對于22CrMoH齒輪鋼，其主要合金元素Si、Mn、Cr、Mo均會發(fā)生微觀偏析，其中Si、Mo為提高Ar3溫度元素，Mn、Cr為降低Ar3溫度元素，因此通過合理設(shè)計上述4個元素的含量，使其對Ar3溫度的影響相互抵消，從而減輕鋼中不同區(qū)域Ar3溫度差，可以改善帶狀組織。同時，結(jié)合后續(xù)退火工藝?yán)渌俾奶攸c，可適當(dāng)增加Si、Mo元素（提高Ar3溫度的元素）含量，也可改善帶狀組織。會形成加重偏析的P、S有害元素，盡量往低水平控制。結(jié)合各元素對鋼種淬透性的影響，對主要元素含量進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計，具體優(yōu)化情況見表1。

圖1 不同狀態(tài)下帶狀組織100×

表1 22CrMoH齒輪鋼內(nèi)控成分%

3.2 連鑄工藝優(yōu)化

控制好鑄坯的枝晶偏析和促進(jìn)合金元素的均勻化是減輕帶狀組織的有利手段。連鑄工序中，需先控制好鑄坯疏松、裂紋等宏觀缺陷，再獲得細(xì)小、致密的凝固組織可促使合金元素的均勻分布。即可采用低過熱度澆注、“三恒”操作、加大末端電磁攪拌強(qiáng)度以及合理設(shè)置二冷參數(shù)等控制手段來達(dá)到改善帶狀組織的目的。優(yōu)化后連鑄主要工藝參數(shù)見表2。

表2 連鑄工藝參數(shù)

同時優(yōu)化生產(chǎn)組織，對于每一澆次前兩爐非穩(wěn)態(tài)澆注的爐次不能用于生產(chǎn)對退火態(tài)帶狀組織要求嚴(yán)格的品種。杜絕鑄坯熱裝熱送，應(yīng)采用冷裝冷送工藝，即鑄坯需入坑緩冷后，再進(jìn)行軋制生產(chǎn)。這是因為鑄坯溫降至室溫過程中，奧氏體組織發(fā)生相變，生成鐵素體和珠光體等組織；相變時，鐵素體和珠光體等組織形核長大，并伴隨著元素的擴(kuò)散。相變發(fā)生后，顯微組織細(xì)化，元素偏析減小，因此鑄坯采用冷裝冷送工藝可以降低鋼材上帶狀組織等級。

3.3 軋制工藝優(yōu)化

合理的軋制工藝將有效地抑制帶狀組織的形成，尤其加熱制度、開軋溫度、變形量以及冷卻速度等參數(shù)影響較大。結(jié)合萊鋼軋線配置、軋機(jī)能力以及冷卻能力，為改善退火態(tài)帶狀組織，重點從優(yōu)化加熱制度方面著手研究。適當(dāng)提高加熱溫度和延長高溫段保溫時間，使鑄坯中元素擴(kuò)散更加充分、均勻，可以達(dá)到改善帶狀組織的作用。同時通過較長時間加熱可以使鋼中奧氏體晶粒長大，使鐵素體形核核心減少，也可以達(dá)到改善帶狀組織的作用。加熱制度優(yōu)化前后情況見表3。

表3 加熱制度

4 生產(chǎn)情況

4.1 小批量試制情況

結(jié)合上述優(yōu)化措施，組織生產(chǎn)了一澆次共8爐22CrMoH齒輪鋼，鑄坯坯型為Φ500 mm，其中后6爐判定為要求退火態(tài)帶狀組織的22CrMoH齒輪鋼；成材規(guī)格為Φ120～150 mm。其實物化學(xué)成分見表4，淬透性以及退火態(tài)帶狀組織檢驗情況見表5，退火態(tài)帶狀組織檢驗圖見圖2。

表4 實物化學(xué)成分%

圖2 退火態(tài)帶狀組織

表5 淬透性及退火態(tài)帶狀組織

從表5可以看出，此小批量試制的22CrMoH齒輪鋼退火態(tài)帶狀組織控制在1.0～2.0級水平，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；同時其淬透性值J15均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明適當(dāng)?shù)某煞謨?yōu)化調(diào)整未影響到鋼的淬透性性能。因此可以判定本次工藝優(yōu)化調(diào)整對改善退火態(tài)帶狀組織是可行的、有利的。

4.2 批量生產(chǎn)情況

對后續(xù)生產(chǎn)的90余爐次22CrMoH齒輪鋼檢驗情況進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 帶狀組織控制情況

從圖3可以看出，共92爐次齒輪鋼中退火態(tài)帶狀組織控制在1.0級的有10爐，1.5級的有54爐，2.0級的有28爐，均控制在2.5級以下。

5 結(jié)語

針對CrMo、CrNiMo系重載齒輪鋼原先退火態(tài)帶狀組織控制在3.0～5.0級的情況，萊鋼通過成分優(yōu)化設(shè)計、連鑄工藝優(yōu)化（低過熱度澆注、“三恒”操作、鑄坯冷裝冷送）、軋制工藝優(yōu)化（提高加熱溫度、延長加熱時間）等工藝優(yōu)化措施的實施，較好的改善了鑄坯及鋼材成分和組織的均勻性，退火態(tài)帶狀組織穩(wěn)定控制在2.5級以下水平，滿足了技術(shù)要求。