控制20CrMnTiH齒輪鋼頂鍛表面裂紋的措施

楊 彬

(烏魯木齊新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠棒材分廠，新疆830022)

控制20CrMnTiH齒輪鋼頂鍛表面裂紋的措施

楊 彬

(烏魯木齊新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠棒材分廠，新疆830022)

分析了20CrMnTiH齒輪鋼頂鍛表面裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，結(jié)合開裂成因給出了相應(yīng)的改進措施。

20CrMnTiH齒輪鋼；裂紋；改進措施

20CrMnTiH鋼是目前國內(nèi)用于制造各種工程機械、汽車、農(nóng)用車、摩托車等傳動齒輪、齒輪軸材料中使用量最大的一個鋼種。

20CrMnTiH齒輪鋼在頂鍛時較易出現(xiàn)裂紋，對裂紋進行顯微分析發(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1.5 mm的脫碳層，裂紋處光滑，無裂紋延伸。分析其成因：一是連鑄坯中存在的表層(表面)缺陷在軋鋼過程中未能消除，從而暴露在鋼材上或熱頂鍛試樣上；二是軋制過程中過燒、折疊、劃傷等缺陷造成了開裂。應(yīng)根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)的改進措施。

1 造成頂鍛裂紋的缺陷類型

1.1 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，在熱頂鍛不合格的試樣中占較大的比重。這類缺陷在連鑄坯上的形貌見圖1。

圖1 連鑄坯上的皮下氣泡缺陷Figure 1 Subcutaneous air bubble existing in casting blank

1.2 表面夾渣及表層夾雜物

有表面夾渣的鋼材，經(jīng)熱頂鍛后表現(xiàn)出的缺陷比較明顯，如圖2所示。

圖2 夾渣引起的開裂Figure 2 Crack risen from slag inclusion

圖2裂縫中殘留的白色渣相，開裂缺陷雜亂，常與結(jié)疤、翹皮類缺陷并存。此類缺陷極易被錯誤認定為輥印引起的簇帶狀折疊缺陷。然而，仔細觀察會發(fā)現(xiàn)裂口的側(cè)壁是不光滑的，帶有一定的撕裂口，這種開裂特征與簇帶狀折疊是不同的。

1.3 過熱或過燒缺陷

圖3中的熱頂鍛試樣，開裂所在的區(qū)域呈波浪形皺面，說明這個區(qū)域的塑性與其它部位明顯不同，這個帶已經(jīng)脫碳軟化，它正是連鑄坯的一個角(在爐頭有端部長火焰燒嘴時，這個角一般是鋼坯上表面的前角)。從圖4中波浪形皺面帶上存在的雞爪形細裂紋斷定，該區(qū)域已過燒。將圖3大裂口中部橫向剖開，在顯微鏡下看到了圖4的現(xiàn)象。裂口處于嚴重脫碳區(qū)，裂口的底部明顯是皮下氣泡引起的開裂特征(底部呈鴨蛋尖形)?？坷镞叺臍馀菰陂_裂前未與外界連通，在熱頂鍛過程中才與外邊的裂口連在一起，所以內(nèi)表面無脫碳現(xiàn)象。

1.4 折疊缺陷

折疊大多是由于某一軋制道次出現(xiàn)過充滿現(xiàn)象(耳子)，在后序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(xiàn)較深的劃傷或軋件“缺肉”等因素造成的凹溝，經(jīng)后序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(cè)壁比較光滑。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。形貌如圖5所示。它的特點是在試樣上表現(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，與圖3非折疊試樣裂壁的外觀有明顯的區(qū)別。這種嚴重的折疊一般在較前的軋制道次生成，生成時鋼溫越低，熱頂鍛后開裂越明顯。它的斷面組織形貌如圖6所示，裂口周圍組織與鋼表面相同。它最先在試件鼓形的最凸處表現(xiàn)出來，裂紋的尖端隨試件表面橫向拉應(yīng)力的加大而擴展，從裂尖處可以看到它有繼續(xù)延伸的跡象。由于耳子折疊形成的特殊性，所以從橫斷面上看這種折疊的裂縫與試樣外表面都有一定的傾角。

圖3 開裂處于波浪形皺面帶Figure 3 Crack locating in wavy and wrinkled zone

圖4 加熱擴大的裂口Figure 4 Extended fracture by overheating

圖5 裂邊清晰的折疊Figure 5 Fold of clear fraction edge

圖6 熱頂鍛后的折疊斷面組織形貌Figure 6 Structure appearance of fold fracture after thermal upset

(2)一側(cè)呈鋸齒形或褶皺形的通長開裂。形貌如圖7所示。它與試件表面的夾角一般小于30°，是在軋制時由于出現(xiàn)薄而寬的耳子經(jīng)再軋折合而成。在二次鐵皮較少(一次鐵皮已清除)且鋼溫較高的情況下，由于折合部位的受壓變形程度明顯增大，所以常有部分壓合的現(xiàn)象。從圖8斷面組織結(jié)構(gòu)可以看出，裂根部位正在壓合，向里延伸的是部分壓合的組織側(cè)邊呈鋸齒形折疊斷面。有些較淺的皮下氣泡引起的開裂在熱頂鍛試樣上的形狀與其相似，只是皮下氣泡引起的開裂長度較短，裂尖突然止住，無繼續(xù)延伸的跡象，而折疊是沿鋼材長度方向有相當長度的缺陷。

圖7 側(cè)邊呈鋸齒形折疊Figure 7 Fold of hackle side

圖8 折疊斷面組織結(jié)構(gòu)Figure 8 Configuration of fold fracture

(3)接近壓合的折疊。這種折疊在熱軋鋼材表面較難看出，熱頂鍛后表現(xiàn)為圖9的形貌特征。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。它的斷面組織形貌如圖10所示。從裂口的尖端可看到折回的流線組織，裂口的中部正趨壓合。還有一類折疊在較大規(guī)格圓鋼上較常見，通常是在表面上見到兩條平行的裂紋。這是由于某道次軋件出現(xiàn)較厚的耳子，由于耳子處溫降偏大，厚而窄的耳子不發(fā)生折曲，所以在下一道軋制時整體壓入鋼中，在棒材上形成兩條平行的折線，如圖11所示。

1.5 輥印和褶皺缺陷

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(jié)瘤時，會在軋件上軋出網(wǎng)狀凹凸不平的缺陷，這種缺陷經(jīng)過再軋會生成長度較短、密集分布的折疊。通常在有嚴重不均勻變形的孔型結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)。比如用箱型孔、平輥軋制方斷面軋件時，在軋槽的側(cè)壁與軋件最初接觸的地方常出現(xiàn)結(jié)瘤帶，我們將因此在鋼材上引起的折疊稱為輥痕形簇帶狀折疊。圖12是由于軋輥結(jié)瘤引起的簇帶狀折疊在熱頂鍛試樣上的表現(xiàn)。

圖9 接近壓合的折疊Figure 9 Fold close to pressing

圖10 折疊區(qū)的斷面形貌Figure 10 Fracture appearance of fold location

圖11 壓入鋼中的雙道折疊Figure 11 Dual folds pressed into steel

圖12 試樣上的簇帶狀折疊Figure 12 Ribbon fold existing in specimen

對于尺寸較大、側(cè)邊平直的軋件，若側(cè)邊在無約束狀態(tài)下壓縮量過大就容易出現(xiàn)褶皺。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(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，這會加劇在軋件的側(cè)邊出現(xiàn)褶皺，褶皺嚴重時就形成了褶皺形折疊。由于褶皺形折疊僅在鋼材的一條或?qū)ΨQ的兩條縱帶上分布，所以我們也將其歸屬為簇帶狀折疊。

簇帶狀折疊與氣泡類缺陷引起的開裂相比有以下特點：

(1)裂縫比較清晰，無撕裂性粘連；

(2)無過深的裂縫，裂縫尖端逐漸變淺；

(3)沿鋼材長度方向呈簇帶分布，位置比較固定；

(4)簇帶狀折疊引起的開裂，其橫斷面都與棒材表面基本垂直，而皮下氣泡引起的部分開裂有明顯的傾角；

(5)對于非連續(xù)軋制，可能出現(xiàn)某條鋼上有折疊缺陷，而另一條鋼上無折疊缺陷的情況。這與輥印壓痕或褶皺是否處于咬入面上有關(guān)，若處于咬入面上，可能不出現(xiàn)問題，而處于咬入的側(cè)面時，就容易最終形成缺陷。

圖13是典型的圓鋼表面因褶皺引起的簇帶狀折疊。它出現(xiàn)在沿鋼材全長具有一定寬度的帶上，并且經(jīng)常對稱分布兩條帶，每個裂紋的長度都不大。有這種缺陷的鋼材經(jīng)熱頂鍛后表現(xiàn)為圖14所示的外觀形貌。這些裂口具有簇帶狀折疊開裂的特點。但是大裂口中部卻似乎不具備“清晰無撕裂性粘連”的特點。將該處橫向剖開后，呈現(xiàn)圖15所示的結(jié)構(gòu)。再對小裂口尖端放大觀察，可看到硅酸鹽類夾雜物沿裂尖伸向金屬內(nèi)部，說明這個似撕裂的裂口并不是由于褶皺引起的，而是存在夾雜物的結(jié)果，但它的開裂受到了褶皺的影響。褶皺引起的折疊斷面形貌脫碳區(qū)內(nèi)出現(xiàn)簇帶狀折疊的機率要大一些，裂紋所在的區(qū)域有過熱和脫碳現(xiàn)象，這說明脫碳引起的表層金屬剛性與塑性差異是軋制中出現(xiàn)褶皺的主要因素之一。

1.6 成品劃傷缺陷

在齒輪鋼生產(chǎn)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。劃傷缺陷鋼材在熱頂鍛后的形貌如圖16所示。

圖13 齒輪鋼表面的簇帶狀折疊Figure 13 Ribbon fold on the surface of gear steel

圖14 熱頂鍛后的簇帶狀折疊Figure 14 Ribbon fold after thermal upset

圖15 有粘連處大裂口的橫斷面組織結(jié)構(gòu)Figure 15 Configuration of large-sized fracture cross section at adhesive area

圖16 試樣上的劃傷Figure 16 Scratch of specimen

2 預(yù)防熱頂鍛表面裂紋的措施

根據(jù)造成20CrMnTiH齒輪鋼熱頂鍛裂紋的缺陷類型，采取不同的控制措施。

2.1 針對加熱缺陷的措施

(1)根據(jù)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，準確全面地反映爐內(nèi)的溫度狀況，便于正確控制爐溫；

(3)根據(jù)火焰特點，合理調(diào)節(jié)各供熱點的供熱量，使鋼坯加熱均勻。準確計算停軋事故的處理時間，禁止盲目強化加熱；

(4)合理控制爐內(nèi)氣氛，減少氧化程度，防止脫碳。

2.2 針對折疊缺陷的措施

(1)有導(dǎo)衛(wèi)、軋槽的使用、安裝標準；

(2)及時更換、調(diào)整導(dǎo)衛(wèi)，達到穩(wěn)定軋制；

(3)頻繁檢查各道料形，保證鋼料斷面尺寸和形狀符合要求。

2.3 針對簇帶狀折疊缺陷的措施

(1)嚴格執(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)，防止軋制設(shè)備的缺陷；

(3)嚴格執(zhí)行加熱制度，減少鐵皮厚度，防止鋼坯表面脫碳。

2.4 針對劃傷缺陷的措施

(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)及時清除輥道上有可能劃傷鋼材的隱患。

3 改進后的效果

通過對軋鋼機組軋鋼工序進行工藝優(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有效控制。

編輯 杜 敏

Measures of Control 20CrMnTiH Gear Steel Surface Crack in Upset

YangBin

20CrMnTiH gear steel surface crack origin in upset has been analyzed and relevant improvement measures have been brought up regarding to crack cause.

20CrMnTiH gear steel; crack; improvement measure

TG316.1+92

B

2013—03—18