43B17 鋼帶狀組織對滲碳淬火組織的影響及其消除方法探討

周 康

（江蘇聯合職業技術學院常州鐵道分院，常州 213011）

低碳合金滲碳鋼43B17 具有較高的耐磨性、硬度及接觸疲勞強度，且外硬內韌，能承受較高的外界沖擊載荷，是具有優良綜合性能且性價比高的鋼材，廣泛應用于美國機車牽引齒輪和其他大功率傳動部件的主動軸類零件，尤其是在鐵路用零件中起到了至關重要的作用。隨著青藏線高速內燃機機車的開發，這種材料在我國機車的牽引齒輪上開始獲得廣泛的應用。

然而，在對43B17 鋼制齒輪進行熱處理的過程中發現，經過鍛造并退火的齒輪毛坯中出現了比較嚴重的帶狀組織，并且能夠引起鋼機械性能的各向異性，使材料的熱處理工藝性能大大降低。在隨后的滲碳淬火過程中，齒根位置出現大量的非馬和屈氏體組織，從而造成了齒輪硬度和組織不合格。

為了解決帶狀組織對滲碳層的影響，本文通過分析43B17 鋼制齒輪帶狀組織產生的原因，并通過工藝試驗探索出了消除帶狀組織以及其對滲碳層滲碳組織影響的方法。

1 帶狀組織對滲碳淬火組織的影響

43B17 鋼的化學成分見表1，由表1 可以看出43B17 鋼和我國國產鋼材20CrNiMo 鋼的化學成分相近，由于材料中添加了硼（B）元素，大大提高了鋼的淬透性。

表1 鋼化學成分表

圖1 為43B17 鋼制齒坯鍛造退火后的金相圖，其中白色的組織是鐵素體，黑色的組織是珠光體。從圖1 中可以看出，鐵素體和珠光體呈很明顯的帶狀分布，通過評級確定為3 級～4 級的帶狀組織，這說明43B17 鋼制齒輪經過鍛造并正火的組織出現了很嚴重的帶狀分布。

圖1 43B17 鋼制齒坯退火組織金相圖（100×）

齒輪的最終熱處理采用滲碳后空冷+高溫回火+重新加熱淬火的工藝，熱處理后的金相組織如圖2 所示，其中黑色塊狀組織為屈氏體。

圖2 43B17 齒輪經滲碳一次淬火后的金相組織

圖3 是43B17 鋼滲碳淬火顯微硬度分布圖，由圖3 可見，43B17 鋼滲碳淬火顯微硬度分布圖呈現兩種現象：第一，由于表面存在大量非馬組織，導致表面硬度出現不合格的情況（硬度低于650 HV1）；第二，由于帶狀組織的出現，硬度分布出現“鋸齒狀”，情況嚴重的還會影響滲碳層深度的均勻性。

圖3 43B17 鋼滲碳淬火顯微硬度分布圖

2 帶狀組織的產生原因及其對滲碳組織的影響分析

2.1 帶狀組織產生的原因

由上述分析可見，由于金相組織中存在嚴重的帶狀組織，對滲碳淬火后的組織和性能產生了嚴重的影響。為了解決該類問題，要先分析帶狀組織產生的原因。所謂帶狀組織是指珠光體和鐵素體沿鋼材的軋鍛方向呈條帶狀分層分布的組織，其形成一般認為是鋼錠凝固過程中形成的枝晶偏析，在熱變形加工過程中延伸成珠光體與鐵素體交替的條帶。

帶狀組織產生的根本原因在于43B17 鋼中固溶分布的碳和其他合金元素的擴散系數不同[1]，其中碳的擴散系數遠大于其他合金元素的擴散系數，因此在鋼冷卻凝固的過程中，碳和合金元素會一起發生枝晶偏析，在發生先共析鐵素體轉變時，先共析鐵素體優先在碳濃度低的區域形成，而先共析鐵素體的形成又會將碳排擠至碳濃度高的區域，珠光體則是在碳濃度高的區域形成、長大。如果在退火時，冷卻速度相當慢，會使碳在先共析鐵素體轉變區停留的時間過長，從而導致先共析鐵素體形成更加充分，鐵素體晶粒長大并沿著帶狀分布，后生成的珠光體只能在鐵素體臨近碳濃度高的區域生成并以帶狀分布，且冷卻速度越慢，帶狀組織越明顯。43B17 鋼棒生產的工藝是連鑄連軋工藝，此種工藝易造成帶狀組織的形成。

2.2 帶狀組織對滲碳組織的影響分析

43B17 鋼在常規滲碳淬火熱處理和滲碳結束后采用的是空冷工藝。由于冷卻速度過慢，生成了帶狀組織，此后雖然有高溫回火工序，但是回火溫度并不能使碳進行長程擴散，從而導致碳分布不均勻，帶狀組織得不到改善。在接下來的淬火過程中，由于淬火溫度較低和碳元素對材料淬透性及淬硬性的影響，將使齒輪滲碳淬火層的硬度分布變得不均勻，用顯微硬度法測得的滲碳層硬度呈現出“鋸齒狀”，顯微硬度有波動，如圖3 所示。

3 帶狀組織的消除及其對滲碳組織影響的消除

3.1 帶狀組織的消除方法簡介

由上述分析可知，帶狀組織的產生主要是由于工件冷卻速度過慢，使得碳和其他合金元素有足夠的時間發生偏析，同時在先共析鐵素體轉變區停留的時間過長，從而加劇了帶狀組織的形成。

為了解決形成帶狀組織的問題，在齒坯的鍛造過程中，延長了加熱保溫的時間，且在隨后的預備熱處理工藝中，采用了940 ℃的高溫正火工藝，所得到的金相組織如圖4 所示。由此可見，適當延長鍛造保溫時間和將退火工藝改成采用940 ℃的高溫正火工藝能夠減少帶狀組織的產生。

圖4 43B17 鋼制齒坯退火組織金相圖（100×）

3.2 帶狀組織對滲碳組織影響的消除方法探討

由上述分析可知，可以改變鋼在冷卻過程中不存在碳和其他合金元素凝固偏析的動力學條件，即工件在冷卻過程中不經過先共析鐵素體轉變區而直接進行馬氏體轉變，從而避免帶狀組織的形成。為此，調整了43B17 的滲碳工藝，將原來的滲碳空冷+高溫回火+淬火改成了滲碳+直接淬火。經過工藝調整，43B17 鋼直接淬火后的金相組織得到了明顯改善，如圖5 所示，圖5 中的組織為彌散分布的針狀馬氏體，帶狀組織為1 級。同時，其滲碳層深度和硬度也達到了設計要求，且未再出現硬度波動，從表面到心部硬度逐漸下降，如圖6 所示。

圖5 43B17 鋼直接淬火金相圖（100×）

圖6 43B17 鋼直接淬火顯微硬度分布圖

4 結論

（1）43B17 鋼經過滲碳空冷+高溫回火+重新加熱淬火工藝后，所得到滲碳組織中存在非馬組織和屈氏體組織的主要原因在于43B17 鋼中存在帶狀組織，且該帶狀組織在重新加熱淬火后并不能消除，淬火后的工件顯微硬度有明顯波動，從而造成滲碳淬火層的硬度分布變得不均勻。

（2）采用鍛造高溫延長保溫時間和高溫正火工藝能在一定程度上改善帶狀組織。

（3）直接淬火工藝能有效地消除帶狀組織，并改善43B17 鋼的硬度分布。