熱處理工藝對(duì)低碳齒輪鋼帶狀組織評(píng)級(jí)的影響

任琪

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪　271105）

熱處理工藝對(duì)低碳齒輪鋼帶狀組織評(píng)級(jí)的影響

任琪

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪271105）

試驗(yàn)分析了3種低碳齒輪鋼（20CrMnTiH、20CrMoH和SAE8620H）在正火、完全退火、等溫退火等工藝處理后帶狀組織的變化情況，結(jié)果顯示低碳齒輪鋼在不同熱處理制度下的帶狀組織存在明顯差異。完全退火處理后鋼材帶狀組織級(jí)別較熱軋狀態(tài)偏高；正火處理與等溫退火處理后鋼材的帶狀級(jí)別與熱軋狀態(tài)無(wú)明顯差別。不易產(chǎn)生貝氏體組織的Cr-Mn-Ti系低碳齒輪鋼，可以在熱軋狀態(tài)或正火處理后進(jìn)行帶狀組織評(píng)級(jí)；Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系低碳齒輪鋼，應(yīng)進(jìn)行完全退火或等溫退火處理消除貝氏體等非平衡態(tài)組織后再進(jìn)行帶狀組織評(píng)級(jí)。

低碳齒輪鋼；帶狀組織；正火；完全退火；等溫退火

1　前言

帶狀組織是指出現(xiàn)在熱軋低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列、成層狀分布、形同條帶的鐵素體晶粒與珠光體晶粒［1］。常用的帶狀組織評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13299—1991鋼的顯微組織評(píng)定方法。根據(jù)帶狀鐵素體數(shù)量增加，并考慮帶狀貫穿視場(chǎng)的程度、連續(xù)性和變形鐵素體晶粒多少的原則確定帶狀組織評(píng)級(jí)。在低碳齒輪鋼帶狀組織檢驗(yàn)過(guò)程中，熱軋狀態(tài)鋼材經(jīng)常出現(xiàn)貝氏體等非平衡態(tài)組織，對(duì)帶狀組織評(píng)級(jí)造成一定的影響。在這種情況下，對(duì)鋼材進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪垣@得完全的鐵素體+珠光體組織，有利于提高帶狀組織評(píng)級(jí)的準(zhǔn)確性。本研究以20CrMnTiH、20CrMoH和SAE8620H代表Cr-Mn-Ti系、Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，探討不同熱處理工藝對(duì)低碳齒輪鋼帶狀組織評(píng)級(jí)的影響。

2　試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示，試料均取自Ф 80 mm熱軋圓鋼的1/2半徑處，試料尺寸為20 mm× 20 mm×20 mm。每個(gè)樣品取4支試樣，按照GB/T 13299—1991評(píng)定其熱軋狀態(tài)、正火狀態(tài)、完全退火狀態(tài)、等溫退火狀態(tài)的帶狀組織級(jí)別。熱處理工藝如圖1所示，加熱設(shè)備為GXJ2-18-12型箱式電阻爐。樣品用5%的硝酸酒精溶液腐蝕，在100倍下觀察試樣的金相組織。

表1　試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1　試驗(yàn)鋼熱處理工藝曲線

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1熱軋狀態(tài)的帶狀組織

熱軋狀態(tài)下試樣的帶狀組織如圖2所示。20CrMnTiH鋼組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織評(píng)級(jí)為2.5級(jí)；20CrMoH鋼組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，帶狀組織評(píng)級(jí)為2.5級(jí)；SAE8620H鋼組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，帶狀組織評(píng)級(jí)為1.5級(jí)。

熱軋狀態(tài)下鋼材帶狀組織的形成機(jī)理，研究者的觀點(diǎn)基本一致，認(rèn)為是元素偏析造成的［2］。連鑄坯在凝固過(guò)程中，由于鋼中各元素的擴(kuò)散速度不一樣，容易產(chǎn)生枝晶偏析。碳元素容易均勻擴(kuò)散，而其他合金元素?cái)U(kuò)散較困難且不容易均勻化，故一直保持著枝晶偏析的狀態(tài)。鑄坯軋制時(shí)，粗大的枝晶沿變形方向被拉長(zhǎng)，并逐漸與變形方向一致，形成碳及合金元素的貧化帶與富化帶彼此交替堆疊的帶狀區(qū)。在隨后的緩冷過(guò)程，形成了以鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替的帶狀組織［3］。

圖2　3種試驗(yàn)齒輪鋼熱軋態(tài)帶狀組織100×

3.2正火處理后的帶狀組織

正火狀態(tài)下試樣的帶狀組織如圖3所示。正火后的20CrMnTiH鋼組織仍為鐵素體+珠光體，但鐵素體條帶更加清晰，帶狀組織評(píng)級(jí)為2.0級(jí)；正火后的20CrMoH鋼和SAE8620H鋼中貝氏體雖然有所減少，但并沒(méi)用完全消除，帶狀組織評(píng)級(jí)分別為2.5級(jí)和2.0級(jí)。

圖3　3種試驗(yàn)齒輪鋼正火態(tài)帶狀組織100×

3.3完全退火處理后的帶狀組織

完全退火狀態(tài)下試樣的帶狀組織如圖4所示。20CrMnTiH鋼組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織評(píng)級(jí)為3.0級(jí)。相比熱軋狀態(tài)和正火狀態(tài)，鐵素體條帶寬度明顯增加。完全退火處理后，20CrMoH鋼和SAE8620H鋼中已沒(méi)有貝氏體組織，鋼組織為清晰的鐵素體+珠光體條帶，帶狀組織評(píng)級(jí)分別為3.5級(jí)和2.5級(jí)。

圖4　3種試驗(yàn)齒輪鋼完全退火態(tài)帶狀組織100×

3.4等溫退火處理后的帶狀組織

等溫退火狀態(tài)下試樣的帶狀組織如圖5所示。3個(gè)樣品均呈現(xiàn)清晰的鐵素體+珠光體條帶，沒(méi)有貝氏體等非平衡態(tài)組織。20CrMnTiH鋼帶狀組織評(píng)級(jí)為2.0級(jí)，20CrMoH鋼帶狀組織評(píng)級(jí)為3.0級(jí)，SAE8620H鋼帶狀組織評(píng)級(jí)為2.0級(jí)。

3.5結(jié)果討論

對(duì)比不同熱處理狀態(tài)下的帶狀組織評(píng)級(jí)結(jié)果可以看出，正火處理后的組織與熱軋狀態(tài)組織相似，鐵素體條帶較熱軋狀態(tài)更加清晰，但不能有效消除鋼中貝氏體等非平衡態(tài)組織，評(píng)級(jí)結(jié)果與熱軋狀態(tài)無(wú)異。由于Ni、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素的加入，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性增大，奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變的孕育期加長(zhǎng)，而貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期縮短，C曲線右移的同時(shí)形狀也發(fā)生變化，出現(xiàn)兩個(gè)鼻子，在低冷卻速度下也容易形成貝氏體組織。因此，Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系低碳齒輪鋼無(wú)法通過(guò)正火來(lái)消除組織中的貝氏體。

完全退火處理后鋼中的貝氏體組織已完全消除，呈現(xiàn)清晰的鐵素體+珠光體條帶，但部分樣品中鐵素體帶的寬度明顯增加。在GB/T 13299—1991中并沒(méi)用將鐵素體條帶寬度作為帶狀級(jí)別評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，但在一些齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，鐵素體條帶寬度是帶狀組織評(píng)級(jí)的重要量化指標(biāo)［4］。3種試驗(yàn)鋼完全退火后其帶狀級(jí)別均比熱軋狀態(tài)或正火、等溫退火處理后的樣品明顯偏高。等溫退火后鋼的組織為清晰的鐵素體+珠光體條帶，不存在貝氏體等非平衡態(tài)組織，其帶狀組織評(píng)級(jí)與熱軋狀態(tài)及正火狀態(tài)無(wú)明顯差異。

圖5　3種試驗(yàn)齒輪鋼等溫退火態(tài)帶狀組織100×

出現(xiàn)以上差異的原因在于在熱處理加熱及保溫過(guò)程中，奧氏體中的碳元素已經(jīng)充分?jǐn)U散，但其中合金元素?cái)U(kuò)散的速度較慢，因而仍存在成分的偏析。在冷卻過(guò)程中，先共析鐵素體在A3溫度較高的負(fù)偏析區(qū)域首先形核，而碳元素則被排擠到臨近的A3溫度較低的區(qū)域，形成了碳元素的重新分布與濃度的起伏［5］。

在完全退火處理時(shí)，冷卻速度慢，試料在先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)域停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，先共析鐵素體得以充分的析出長(zhǎng)大，形成較為嚴(yán)重的帶狀組織。而正火及等溫退火處理時(shí)，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度很快，抑制了先共析鐵素體的析出，鐵素體條帶不明顯，帶狀組織評(píng)級(jí)較低。

4　結(jié)論

4.1不同熱處理狀態(tài)下的低碳齒輪鋼帶狀組織存在明顯差異。

4.2正火處理后的樣品與熱軋狀態(tài)下的組織相似，但鐵素體條帶更加清晰；完全退火處理和等溫退火處理可以有效消除Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系低碳齒輪鋼中的貝氏體等非平衡態(tài)組織。

4.3正火處理及等溫退火處理后的樣品與熱軋狀態(tài)相比帶狀組織評(píng)級(jí)無(wú)明顯差別，完全退火處理后的樣品帶狀組織評(píng)級(jí)較熱軋狀態(tài)偏高。

4.4不易產(chǎn)生貝氏體組織的Cr-Mn-Ti系低碳齒輪鋼，可以在熱軋狀態(tài)或正火處理后進(jìn)行帶狀組織評(píng)級(jí)；Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系低碳齒輪鋼，應(yīng)進(jìn)行完全退火或等溫退火處理消除貝氏體等非平衡態(tài)組織后再進(jìn)行帶狀組織評(píng)級(jí)。

［1］宋維錫.金屬學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990:315-318.

［2］張延玲，劉海英，阮小江，等.中低碳齒輪鋼中合金元素的偏析行為及其對(duì)帶狀組織的影響［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（S1）:199.

［3］張迎暉，賴泓州，趙鴻金.鋼中帶狀組織的研究現(xiàn)狀［J］.軋鋼，2014，31（3）:45-46.

［4］劉云旭.低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除［J］.金屬熱處理，2000（12）:1-3.

［5］陳濤，時(shí)彥林.20CrMo棒材帶狀組織的控制研究［J］.材料熱處理，2007，36（2）:23-25.

Abstrraacctt::The change of microstructure of three kinds of low carbon gear steel（20CrMnTiH，20CrMoH and SAE8620H）after normalizing，full annealing and isothermal annealing were analyzed.The results showed that there was a significant difference in the banded structure of low carbon gear steel in different heat treatments.The banded structure grade of full annealing was higher than that of hot rolling.There was no significant difference between the banded structure grade of normalizing（or isothermal annealing）and that of hot rolling.Banded structure grade of the low carbon gear steel containing Cr，Mn and Ti can be identified in hot rolling or normalizing state.The low carbon gear steel containing Cr and Mo（or Cr，Ni and Mo）should be full annealed or isothermal annealed before being identified banded structure grade.

Key worrddss::low carbon gear steel；zone structure；normalizing；full annealing；isothermal annealing

Effect of Heat Treatment Process on Identifying Banded Structure Grade of Low Carbon Gear Steel

REN Qi
（The Special Steel Division of Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.，Ltd.，Laiwu 271105，China）

TG142.1；TG161

A

1004-4620（2016）05-0043-03

2016-03-11

任琪，男，1987年生，2009年畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部質(zhì)量檢查站工程師，從事物理檢驗(yàn)工作。