20CrMnTi齒輪鋼鍛打開裂原因分析及措施

劉年富

(廣東韶鋼技術(shù)研究中心，廣東韶關(guān) 512123)

20CrMnTi齒輪鋼鍛打開裂原因分析及措施

劉年富

(廣東韶鋼技術(shù)研究中心，廣東韶關(guān) 512123)

20CrMnTi齒輪鋼經(jīng)加熱鍛打成齒輪毛坯后，綜合分析了表面開裂試樣的外觀、化學(xué)成分、非金屬夾雜物、金相組織等。結(jié)果表明，齒輪鋼加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，并形成魏氏組織，導(dǎo)致鍛打毛坯開裂。并提出預(yù)防鍛打開裂的措施。

齒輪鋼;鍛打開裂;原因;措施

20CrMnTi是一種性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。主要用于生產(chǎn)汽車、摩托車、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械用的齒輪、軸類、活塞類零配件以及其它各種零部件。

2013 年我公司接到1位客戶的反饋，我公司生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪鋼在鍛打成齒輪毛坯時表面出現(xiàn)了大量的表面裂紋。對此技術(shù)人員立即對存在表面裂紋的齒輪毛坯開裂原因進(jìn)行分析，以便制定相應(yīng)措施，杜絕齒輪鋼鍛打開裂問題的再現(xiàn)。

1 裂紋試樣的檢測分析

根據(jù)試樣開裂情況，選取有代表性的兩處裂紋進(jìn)行金相分析，具體取樣位置如圖1所示，試樣分析面為縱向。并將1#、2#試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。

圖1 裂紋取樣位置圖Fig.1 The location of crack simpling

試樣采用鋸切取樣，為防止試樣加工過熱影響分析結(jié)果，嚴(yán)格控制鋸切速度，并采用專用鋸切冷卻液冷卻鋸片。

1.1 化學(xué)成分分析

取1#、2#試樣進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 裂紋試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of crack sample(ω，%)

從表1可以看出，1#、2#試樣的化學(xué)成分均與出廠圓鋼成品成分基本一致，可見化學(xué)成分正常。

1.2 組織分析

取1#、2#試樣進(jìn)行組織分析，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)拋并清洗后分析裂紋形貌，結(jié)果如圖2所示。

(a)1#試樣;(b)2#試樣圖2 裂紋尖端附近形貌(a)1#Sample;(b)2#SampleFig.2 Morphology near the crack tip

采用正置式光學(xué)顯微鏡的刻度尺對裂紋尺寸進(jìn)行測量，1#試樣開裂位置寬度為2.1 mm，裂紋長度(即由表面往基體延伸的深度)為2.46 mm;2#試樣開裂位置寬度為1.8 mm，裂紋長度2.3 mm。裂紋與試樣表面呈約45°向里延伸。從裂紋尖端的形貌可知，裂紋附近無異常的非金屬夾雜物。

將試樣進(jìn)行腐蝕，觀察其金相組織，見圖3、圖4、圖5、圖6。結(jié)果表明，1#、2#試樣的裂紋附近都存在異常的魏氏組織(根據(jù)GB/T 13299標(biāo)準(zhǔn)，可評級為最嚴(yán)重的5級)，而且魏氏組織達(dá)到360 um厚;裂紋周邊的晶粒異常粗大。

圖3 1#試樣裂紋附近的異常組織Fig.3 Abnormal structure near crack of 1#sample

圖4 1#試樣裂紋表面異常組織Fig.4 Abnormal structure at the surface of crack in 1#sample

2 鍛打開裂產(chǎn)生原因分析

魏氏組織，也即魏氏體，在0.15% ～0.50%C的鋼中產(chǎn)生，在鑄造、鍛造和焊接加工時，由于加熱溫度過高，導(dǎo)致奧氏體晶粒較粗;冷卻時，產(chǎn)生的先共析鐵素體呈片狀或粗大羽毛狀，與原奧氏體有一定位向關(guān)系，這種組織稱為魏氏體組織。在亞共析鋼中常見的魏氏組織呈羽毛狀，有呈等邊三角形的，有與鐵素體相互垂直的，也有混合型的魏氏組織。

圖5 2#試樣裂紋表面組織Fig.5 Surface microstructure of crack in 2#sample

圖6 2#試樣表面組織異常及晶粒粗大Fig.6 Abnormal structure at the surface and coarse grains in 2#sample

2.1 產(chǎn)生異常組織的原因

魏氏組織產(chǎn)生主要原因是鍛造時的加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，冷卻時產(chǎn)生魏氏組織［1-2］。魏氏組織容易出現(xiàn)在過熱鋼中，因此，奧氏體晶粒越粗大，越容易出現(xiàn)魏氏組織。低合金鋼的鍛造加熱一般在氧化性氣氛中進(jìn)行，如發(fā)生過燒現(xiàn)象，也形成嚴(yán)重的魏氏體組織，過燒組織在隨后的熱處理過程中是無法修復(fù)的。魏氏組織常伴隨著奧氏體晶粒粗大而出現(xiàn)，也即晶粒粗大與過熱魏氏組織是相隨相生的。鋼由高溫較快地冷卻下來往往容易出現(xiàn)魏氏組織，慢冷則不易出現(xiàn)。在低合金鋼的鍛造過程中，即使始鍛、終鍛溫度合適，如鍛后冷卻不規(guī)范，也有可能形成魏氏體組織。結(jié)合金相分析結(jié)果來看，鋼的表面形成大量魏氏組織，但脫碳現(xiàn)象不是特別嚴(yán)重，因此，可能只是加熱溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大、形成魏氏組織，在過熱溫度段停留時間不是特別長而未造成嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象。

2.2 齒輪毛坯鍛打開裂的原因

鋼由于加熱溫度過高導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，并產(chǎn)生魏氏組織，會導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低，同時使脆性轉(zhuǎn)折溫度升高，即增加鋼的脆性，因此嚴(yán)重的魏氏組織會導(dǎo)致后續(xù)鍛打加工時產(chǎn)生開裂。結(jié)合鍛打試樣的形貌，裂紋向基體延伸與鋼的表面基本呈特定的方向(30°、45°角)，這與魏氏組織與原奧氏體有一定位向是對應(yīng)的。可見鍛打裂紋的形貌及組織分析結(jié)果都表明，導(dǎo)致鍛打開裂的原因是鋼過熱導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大、產(chǎn)生魏氏組織。

3 齒輪鋼鍛打開裂預(yù)防措施

預(yù)防鍛打開裂主要就是防止產(chǎn)生異常組織，而魏氏組織及晶粒粗大的控制預(yù)防措施有:1)控制好加熱溫度，不宜過高，防止過熱。對于20CrMnTi齒輪鋼，一般加熱溫度應(yīng)控制在≤1220℃，短時(10 min左右)超溫≤1250℃;定時檢測加熱爐的熱電偶，防止熱電偶溫度漂移，導(dǎo)致溫度超過。2)控制冷卻速度，鍛造過程或鍛后的冷卻速率，防止快冷。鍛后不宜風(fēng)冷，防止鍛后冷速過快開裂。

4 結(jié)論

1)通過化學(xué)成分、非金屬夾雜物、金相組織等分析，表明鍛打開裂的齒輪毛坯試樣存在異常的魏氏組織及晶粒粗大現(xiàn)象;

2)分析魏氏組織及晶粒粗大產(chǎn)生原因可知，導(dǎo)致鍛打開裂的主要原因是毛坯加熱溫度過高，導(dǎo)致奧氏體晶粒異常粗大，同時產(chǎn)生魏氏組織，使齒輪毛坯的脆性轉(zhuǎn)折溫度升高，即增加鋼的脆性，最終導(dǎo)致鍛打時開裂;

3)預(yù)防齒輪鋼鍛打開裂的主要措施是控制好加熱溫度，防止過熱，并控制鍛后冷卻速度，防止冷速過快。

［1］趙品，謝輔洲，孫文山.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版，1999:183.

［2］溫新林，孫法林，張大慶，等.魏氏組織在27SiMn鋼管中的形成條件［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2008，29(2)，:28-29.

Causes Analysis and Measure of Forging Cracking of 20CrMnTi Gear Steel

LIU Nian-fu
(The Technology Research Center of Shaoguan Iron＆ Steel，Shaoguan Guangdong 512123，China)

Appearance，chemical composition，non-metallic inclusions and microstructures were made comprehensive analysis on the surface cracking sample for 20CrMnTi gear blank after heating and forged.The results showed that the heating temperature of gear steel was too high，resulting in the austenite grain coarsening and forming widmannstatten structure，causing forging blank cracking.Then preventive measure of forging cracking was put forward.

gear steel;forging cracking;cause;measure

TG316.1+92

A

1673-4971(2014)05-0034-03

2014-06-28

劉年富(1981-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事鋼鐵新產(chǎn)品開發(fā)。

聯(lián)系電話:0751-8783627;E-mail:liunf2004@163.com

汽車零部件用高品質(zhì)特殊鋼的關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)(2011A091102005)