低碳齒輪鋼帶狀組織影響因素研究

馮桂萍

（撫順特殊鋼股份有限公司技術中心，遼寧撫順113001）

1 引言

齒輪鋼帶狀組織是鋼液凝固過程中，由于選擇結晶作用產生成分分布的不均勻性的枝晶組織，在軋制后沿鋼材軋制方向形成的以先共析鐵素體為主和珠光體交替分布的帶狀組織。帶狀組織是影響齒輪鋼內在質量的主要因素之一，它造成鋼的各向異性，降低鋼的橫向塑性、韌性，影響切削加工。嚴重的帶狀組織會導致淬火后硬度不均，增大齒輪滲碳淬火變形量，導致齒輪嚙合困難，運行震蕩、噪音大，從而導致齒輪的提前失效。低碳齒輪鋼常用鋼種系列主要為CrMnTi系列、MnCr系列、CrMo系列、CrNiMo系列、CrNi2Mo系列。本文主要圍繞以20CrMnTiH、20CrNiMoH為代表的齒輪鋼枝晶偏析、高溫擴散、終軋溫度和熱處理工藝因素對帶狀組織的影響進行分析。

2 帶狀組織影響因素研究分析

2.1 枝晶偏析的影響

連鑄坯宏觀組織形貌通常由3個晶區組成，即外表層的細晶區、中間的柱狀晶區和心部的等軸晶區，根據澆注條件的不同，晶區的數目和相對厚度均可以改變。外表層的細晶區又稱為激冷區，細晶區組織致密，成分均勻，偏析較小，細晶區的厚度主要取決于結晶器過冷度和中包澆注溫度，過冷度越大，澆注溫度越低，則增加細晶區的厚度[1]。柱狀晶區由垂直于型壁的粗大的柱狀晶所構成，柱狀晶區的形成因素主要與散熱的方向性和晶體生長的各向異性有關，柱狀晶的長大速度與已凝固固相和液相的溫度梯度有關，固相的溫度梯度越大，則柱狀晶的長大速度越快。中心等軸晶區是心部液態金屬溫度全部降低到熔點以后，晶核在液體中自由生長，各個方向長大速度相近，形成等軸晶。低碳齒輪鋼20CrMnTiH鋼240×240mm連鑄坯表面到心部的宏觀組織形貌如圖1所示。將240×240mm連鑄坯軋制圓鋼φ80mm后，熱軋材的帶狀組織從表面至中心逐漸加重，如圖2所示。

圖1 20CrMnTiH連鑄坯宏觀組織

圖2 熱軋材帶狀組織100×

從以上標定情況可知，鋼材近表面為細晶區，組織致密，成分均勻，偏析較小，帶狀組織較好；鋼材半徑1/2處位于等柱狀晶區，柱狀晶的位向都是一次晶軸方向，性能顯示各向異性，在柱狀晶界間富集了雜質，并加大了元素的偏析，帶狀組織較差；鋼材中心區為等軸晶區，樹枝晶比較發達，分枝多，組織不致密，帶狀組織最嚴重。

目前，通常用鑄坯的二次枝晶間距大小來表征元素偏析狀況，二次枝晶間距越小表明元素分布越均勻，進而形成帶狀組織的級別越低。國外很多研究表明[2~4]，即便鋼中存在合金元素偏聚的情況，若二次枝晶間距相對于奧氏體晶粒尺寸較小時，帶狀組織也不會形成。目前，國內從提高連鑄坯凝固組織方面進行相關研究，如優化過熱度、拉速及二冷系統參數等進行工藝試驗，提高細晶區和柱狀晶區減少中心等軸晶區，可降低帶狀組織；其次從連鑄冷卻設備方面進行改進，在連鑄坯冷卻過程中采用振蕩裝置，有利于枝晶破碎，均取得一定成效。

2.2 高溫擴散

低碳齒輪鋼生產流程基本采用連鑄連軋生產，鑄坯保溫時間短，合金成分及碳元素偏析來不及進行擴散，從而導致帶狀組織嚴重。采用合適的擴散溫度和保溫時間，對改善帶狀組織尤為重要。

試驗材料牌號為20CrMnTiH，取自熱軋材，工藝路線：電爐＋LF＋VD＋連鑄＋鑄坯加熱＋軋制，連鑄坯型240×240mm，成品規格φ80mm，化學成分如表1所示。

表1 化學成分%

在鋼材上按GB/T 13298標準取樣，數量12個，分別在不同溫度和保溫時間下進行處理，高溫擴散溫度分別為：1,150℃、1,180℃、1,200℃、1,230℃，分別保溫1～3h，經930℃保溫1h后轉爐到650℃保溫1h，空冷后按GB/T 13299標準制樣、磨制，采用4%硝酸酒精腐蝕后觀察其帶狀組織的變化，組織形貌如圖3所示。

從圖3組織圖片對比可知，試樣經過1,150℃保溫1～3h擴散后，帶狀組織沒有得到明顯改善，帶狀組織級別3~4級；試樣經過1,180℃以上溫度保溫1～2h擴散后，帶狀組織改善明顯，帶狀級別達到2級以下，保溫3h以上，帶狀組織為1級。此試驗表明，鋼材的加熱溫度只有達到1,180℃以上，鋼材的帶狀組織才會有明顯改善，隨著保溫時間的延長，帶狀組織趨于均勻。

圖3 不同加熱溫度和保溫時間對帶狀組織的影響

根據擴散第一定律，溫度越高，則擴散效果越明顯。但如果鑄坯加熱過高或在高溫保溫時間過長易造成脫碳嚴重、晶粒粗大，嚴重會產生過熱、過燒，為此，在改善鑄坯帶狀組織的前提下，鑄坯保溫段溫度按1,180℃～1,220℃控制，保溫時間1～2h。

2.3 終軋溫度的影響

文獻[5]認為，合適的終軋溫度及較大的道次變形量易于破碎枝晶，隨著終軋溫度降低，軋后快冷可抑制碳的不均勻性分布，使之形成較均勻的先共析鐵素體和珠光體，從而能有效控制帶狀組織形成。

終軋溫度對帶狀組織的影響主要是通過改變相對晶粒δ的大小。其中：δ=（d-s）/s，式中：d為過冷奧氏體轉變后的鐵素體平均晶粒直徑（μm）；s為富錳帶帶間距（μm）。這主要分3種情況[2]：

（1）當d=s時，鐵素體最易在兩個富錳帶中間形核，然后逐漸長大，在即將轉變結束時，過飽和析出的碳原子恰好擴散至富錳帶，形成該處較大程度的碳原子富集；

（2）當d≤s時，鐵素體最易在中間位置形核，但由于終軋溫度低，形變儲存能高引起形核率較高，則在中間晶粒未長大前，在貧錳帶中心附近也會形成新晶核。這樣在相變后由于晶間吸附了一定量的碳原子，會降低富錳帶碳原子的富集，最終減輕了對富錳帶發生鐵素體轉變的抑制作用；

（3）當d＞s時，鐵素體形核也處于中間位置，但由于終軋溫度高而形核率較低，當中間晶粒長大至富錳帶時，在此富錳帶外側還存在未轉變的奧氏體。若此時富錳帶還未達轉變溫度Ar1，中間晶粒就會超過富錳帶繼續長大，而將碳原子向富錳帶外側擴散。這就在富錳帶位置出現了鐵素體，減輕了富錳帶形成連續珠光體的趨勢。所以，d越偏離s，帶狀組織級別越輕。

據文獻[6]試驗總結，在通常的變形量條件下，終軋溫度為1,000℃～1,050℃時所得到的鐵素體晶粒尺寸與富錳帶帶間距s相差不大，所以帶狀組織明顯；而終軋溫度為900℃～950℃時，d和s相差較大，所以帶狀組織較輕，故合適的終軋溫度應控制在900℃～950℃。

2.4 熱處理工藝的影響

針對CrMnTi系列、MnCr系列熱軋態可獲得平衡組織，而CrMo系列、CrNiMo系列、CrNi2Mo系列，熱軋空冷后易得到貝氏體組織，這給帶狀組織評級帶來困擾，為有效的評定帶狀組織，選擇合適的熱處理工藝對帶狀組織嚴重程度有直接影響，如圖4所示。

圖4 不同熱處理工藝對帶狀組織的影響

選取鋼種20CrNiMoH，取自熱軋材，工藝路線：電爐+LF+VD+連鑄+鑄坯加熱+軋制，連鑄坯型240×240mm，成品規格φ80mm，化學成分如表2所示。按GB/T 13298標準取樣，試樣分別在熱軋、等溫正火、等溫退火、完全退火等狀態下按GB/T 13299標準檢驗帶狀組織，試驗結果如表3所示。

表2 化學成分 %

表3 不同熱處理狀態下的帶狀組織

從以上試驗得出，熱軋態組織為貝氏體組織，采用等溫正火、等溫退火和完全退火均可獲得F+P平衡組織。采用930℃×30min轉爐到650℃×1h，組織較為均勻，帶狀組織級別為1.5級，采用緩慢冷卻方式，帶狀組織均較嚴重，達到3~3.5級。

由于合金元素的偏析，鋼材在隨后的熱處理冷卻過程中，將會加重碳元素的條帶狀偏析，即在固態條件下碳發生不均勻的重新分布，稱為二次碳偏析。先共析鐵素體優先在碳含量低、Ar3高的位置析出，同時向相鄰區尚處于奧氏體區內排出碳，進一步造成碳分布的不均勻性，這個過程在奧氏體化后冷卻過程中發生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉變越充分，碳元素富集區轉變為珠光體組織，碳元素分布越不均，帶狀組織越嚴重，直到溫度降低到Ar1時，保留到最后的奧氏體轉變成珠光體[7]。故通過兩相區的快冷可有效抑制先共析鐵素體的生成，防止碳的擴散，快速冷卻到珠光體轉變區，這樣避免帶狀組織嚴重。

采用等溫正火工藝，即將齒輪毛坯加熱奧氏體化后，快速冷卻到等溫轉變溫度，使過冷奧氏體在等溫溫度下進行等溫轉變，能有效防止產生粒狀貝氏體，獲得均勻帶狀組織，大大改善鍛坯的加工性能，并提高熱處理變形的規律性。

3 結論

（1）通過優化過熱度、拉速及二冷系統參數、枝晶破碎等措施，可減少帶狀組織偏析。

（2）低碳齒輪鋼鑄坯加熱溫度控制在1,180℃～1,220℃，保溫時間≥1h，適當的高溫擴散有助于改善帶狀組織。

（3）終軋溫度應控制在900℃～950℃，可有效改善二次相變產生的帶狀組織。

（4）提高鑄坯凝固組織、采用適當擴散工藝和終軋溫度，結合等溫正火熱處理工藝，鋼材帶狀組織可滿足≤2.0級。