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(yīng)用基本要求

1.1 加工性要求

衡量齒輪鋼的質(zhì)量，“可加工性”質(zhì)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(yīng)性、切削加工性等。但隨著齒輪行業(yè)的發(fā)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(yán)于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 使用性要求

齒輪行業(yè)最重要的任務(wù)是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的齒輪，即較高的“使用性”質(zhì)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(xiàn)形態(tài)是表面接觸疲勞，它是齒輪失效最普遍的形式，主要表現(xiàn)為點(diǎn)(坑)蝕或剝落。接觸疲勞損壞的主要內(nèi)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中過早地萌生裂紋，在交變應(yīng)力的作用下促使裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致齒輪過早失效。

2 20CrMnTiH齒輪鋼的質(zhì)量現(xiàn)狀與質(zhì)量控制

2.1 尺寸精度的現(xiàn)狀與質(zhì)量控制

近幾年來，特別是在實(shí)施了“特鋼核竟工程”后，特鋼廠已將老式的橫列式軋機(jī)進(jìn)行了半連軋或成品軋機(jī)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(shè)計(jì)上采用了由孔型兩側(cè)用切線連接的擴(kuò)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(diǎn)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(diào)整工的操作技能和責(zé)任心。

2.2 熱加工質(zhì)量現(xiàn)狀與質(zhì)量控制

2.2.1 熱加工質(zhì)量現(xiàn)狀

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

2.2.2 連鑄坯質(zhì)量控制重點(diǎn)

20CrMnTiH齒輪鋼在頂鍛時(shí)，較易出現(xiàn)裂紋，顯微發(fā)現(xiàn)：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(yán)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(jīng)熱頂鍛后一般表現(xiàn)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(jié)疤、翹皮類缺陷并存。此類缺陷，極易認(rèn)定為輥印引起的簇帶狀折疊缺陷。然而，仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)裂口的側(cè)壁是不光滑的，帶有一定的撕裂口。

2.2.3 連軋過程中質(zhì)量控制重點(diǎn)

軋鋼工序可以改善鋼的鑄態(tài)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(kuò)大化。在加熱爐能力低于軋機(jī)能力的情況下，難免采用強(qiáng)化加熱，爐溫偏高，鋼坯表面尤其鋼坯角部就容易出現(xiàn)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(shí)產(chǎn)生的火焰)，則更易在鋼坯的角部出現(xiàn)局部過燒現(xiàn)象。

(1)折疊。在熱頂鍛試樣缺陷中，有相當(dāng)大的比重是折疊問題。折疊大多是由于某一軋制道次出現(xiàn)過充滿現(xiàn)象(耳子)，在后部道次中再軋時(shí)形成折疊。還有一些折疊是因?yàn)橹虚g道次軋件上出現(xiàn)較深的劃傷或軋件“缺肉”等因素造成的凹溝，經(jīng)后部道次軋制時(shí)形成折疊。一般情況下，折疊缺陷最明顯的特點(diǎn)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(cè)壁經(jīng)過了輥軋比較光滑。在熱頂鍛試樣上，最常見的折疊表現(xiàn)形式有三種：①清晰的開裂。它的特點(diǎn)是在試樣上表現(xiàn)為一條(或二條)沿試樣長度方向貫通的裂縫，裂縫的兩側(cè)壁清晰較光滑，與非折疊試樣裂壁的外觀有明顯的區(qū)別。②一側(cè)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(shí)由于出現(xiàn)薄而寬的耳子，經(jīng)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(zhì)問題造成的撕裂性裂口有明顯的區(qū)別。

(2)輥印和褶皺。當(dāng)軋槽使用過度或鋼軋輥由于冷卻效果不好而在軋槽上結(jié)瘤時(shí)，會在軋件上軋出網(wǎng)狀凹凸不平的缺陷，這種缺陷經(jīng)過再軋會造成長度較短、密集分布的折疊。通常在有嚴(yán)重不均勻變形的孔型中容易出現(xiàn)，比如用箱型孔、平輥軋制方斷面軋件時(shí)，在軋槽的側(cè)壁與軋件首先接觸的地方常出現(xiàn)結(jié)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(shí)，對于側(cè)邊平直的軋件，若使側(cè)邊在無約束狀態(tài)下壓縮量過大，就容易在軋件側(cè)邊出現(xiàn)褶，尤其在加熱時(shí)間過長，或在氧化氣氛過高的條件下強(qiáng)化加熱，鋼坯表面會形成較厚的氧化鐵皮，當(dāng)鐵皮剝落后，鋼表面凹凸不平的現(xiàn)象會加劇，并且，鋼坯表面的不均勻脫碳現(xiàn)象會使表層金屬的剛性和塑性出現(xiàn)較大的差異，這時(shí)更容易在軋件的側(cè)邊出現(xiàn)褶皺，褶皺嚴(yán)重時(shí)就形成了褶皺形折疊。

(3)成品劃傷。在齒輪鋼生產(chǎn)時(shí)，劃傷是常見的缺陷，這種缺陷在熱頂鍛之后不會擴(kuò)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(jié)論：從裂口的側(cè)壁區(qū)分夾雜物引起的裂口，由于是將強(qiáng)度低的夾雜物拉斷，所以裂縫側(cè)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(cè)壁原是自由表面，所以裂縫側(cè)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(cè)壁是經(jīng)過輥軋的表面，所以裂縫側(cè)壁是比較光滑的;褶皺、輥痕引起的開裂，經(jīng)過了在自由表面上變形，與氣孔引起的開裂側(cè)壁相近。

從裂口的分布區(qū)分煉鋼工序造成的熱頂鍛開裂缺陷的分布一般是沒有規(guī)律的，隨機(jī)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(guī)律的，其位置比較固定，耳子類折疊長度較大，經(jīng)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(gè)沿棒材長度方向的條帶上。

從裂口的形狀區(qū)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(xì)小的雞爪形裂紋。

3 軋鋼工序在齒輪鋼熱頂鍛表面裂紋產(chǎn)生時(shí)應(yīng)注意的問題及應(yīng)采取相應(yīng)的措施

3.1 加熱缺陷

(1)根據(jù)加熱爐及燃料特點(diǎn)，合理制定加熱制度。

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

(3)根據(jù)火焰特點(diǎn)，合理調(diào)節(jié)各供熱點(diǎn)的供熱量，使鋼坯加熱均勻。準(zhǔn)確預(yù)見停軋事故的處理時(shí)間，禁止盲目強(qiáng)化加熱。

(4)合理控制爐內(nèi)氣氛，減少氧化程度，防止脫碳。

3.2 折疊

(1)有導(dǎo)衛(wèi)、軋槽的使用、安裝標(biāo)準(zhǔn)。

(2)及時(shí)更換、調(diào)整導(dǎo)衛(wèi)，達(dá)到穩(wěn)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(yán)格執(zhí)行換槽制度，防止軋槽過度使用。

(2)選用合理的孔型系統(tǒng)，減少造成缺陷的因素。

(3)嚴(yán)格執(zhí)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(dǎo)衛(wèi)材質(zhì)。

(2)保證有效冷卻導(dǎo)衛(wèi)，防止粘鐵皮。

(3)及時(shí)清除輥道上有可能劃傷鋼材的隱患。

4 改進(jìn)后的質(zhì)量現(xiàn)狀

八鋼小型軋鋼機(jī)組通過對軋鋼工序工藝優(yōu)化，齒輪鋼產(chǎn)品質(zhì)量已趨于穩(wěn)定，產(chǎn)品表面質(zhì)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(jī)組將完善細(xì)化鞏固措施，并持續(xù)改進(jìn)，提高工藝設(shè)備功能精度來消除軋鋼缺陷所造成的齒輪鋼裂紋現(xiàn)象。