軋制工藝對(duì)20CrMnTiH鋼帶狀組織影響的熱模擬和生產(chǎn)實(shí)踐

王海峰， 白 剛， 曹燕光

（1.本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠， 遼寧 本溪 117000； 2.本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000； 3.鋼鐵研究總院， 北京 100081）

在經(jīng)熱加工的亞共析鋼的顯微組織中，因鐵素體在被拉長(zhǎng)的雜質(zhì)上優(yōu)先成核，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)鐵素體和珠光體沿金屬的加工變形方向呈層狀平行交替分布的條帶狀組織，這種組織稱為帶狀組織[1]。帶狀組織包括一次帶狀組織和二次帶狀組織，產(chǎn)生一次帶狀組織的主要原因是枝晶偏析，通過(guò)控制連鑄水冷可以抑制該帶狀組織的產(chǎn)生，其他方法很難消除；二次帶狀組織主要由于在軋后冷卻過(guò)程中，冷卻速度過(guò)慢，造成先共析鐵素體的生成，從而生成二次帶狀組織，帶狀組織使鋼的力學(xué)性能有一定的方向性，使其橫向塑韌性和斷面收縮率降低，對(duì)硬度的分布也會(huì)產(chǎn)生不利的影響，在隨后的使用過(guò)程中導(dǎo)致工件容易變形等不良后果[2]。目前對(duì)齒輪鋼的淬透性、非金屬夾雜物、顯微組織等都提出了越來(lái)越高的要求，冶金技術(shù)的快速發(fā)展，使齒輪鋼的淬透性、非金屬夾雜物和氧含量的實(shí)物質(zhì)量水平都有了明顯的提高，但對(duì)帶狀組織的控制仍屬于薄弱環(huán)節(jié)。所以，目前許多廠家生產(chǎn)的齒輪鋼均存在帶狀組織嚴(yán)重的問(wèn)題，需進(jìn)一步研究。

雖然有研究表明在軋制過(guò)程中高溫段加熱可以改善帶狀組織，但是效果并不明顯，而且增加成本，不利于在批量生產(chǎn)中應(yīng)用[3-4]。高溫段加熱影響開(kāi)軋溫度，開(kāi)軋溫度是影響終軋溫度的直接因素。本文利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，研究了不同軋制應(yīng)變速率、不同終軋溫度、不同軋后冷速對(duì)20CrMnTiH二次帶狀組織的影響，為實(shí)際生產(chǎn)及工藝控制提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本鋼特鋼廠軋鋼車(chē)間使用的是步進(jìn)梁式加熱爐，20CrMnTiH齒輪鋼均熱溫度為1 180℃±20℃，出爐溫度為1 180℃±10℃，開(kāi)軋溫度為1 050℃±50℃，從開(kāi)軋到終軋，溫降150～200℃。

試驗(yàn)采用20CrMnTiH熱軋態(tài)鋼棒，化學(xué)成分如表1所示。將規(guī)格為Ф120 mm×200 mm的熱軋棒材經(jīng)過(guò)線切割，并切取其沿軋制方向的棒材測(cè)試母材的帶狀組織。由圖1可見(jiàn)，試驗(yàn)用熱軋母材存在嚴(yán)重的帶狀組織，根據(jù)GB/T13299，評(píng)定級(jí)別為4級(jí)。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 %

圖1 20CrMnTiH熱軋棒材帶狀組織

將Ф120 mm×200 mm的熱軋棒材加工成Ф10 mm×120 mm的圓柱試樣，用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬熱軋工藝，其方案如圖2所示。

圖2 Gleeble模擬熱軋工藝方案示意圖

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)前期，試驗(yàn)工藝方案均為將試樣以10℃/s加熱至1 200℃，均熱120 s；再以5℃/s的速率降低至1 100℃后，均熱10 s；在1 100℃開(kāi)軋。軋制變形量分別為15%、40%、20%，設(shè)定軋制應(yīng)變速率為 0.05s-1、0.1 s-1兩組，編號(hào)分別為 No.1、No.2；終軋溫度分為900℃、920℃、940℃三組，編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；軋后冷卻速度分為0.2℃/s、0.5℃/s、0.8℃/s，編號(hào)分別為 1、2、3，最終均冷卻至 550 ℃后空冷。為方便表述，試樣編號(hào)的統(tǒng)一形式為軋制應(yīng)變速率（No.1、No.2）-終軋溫度（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）-軋后冷卻速度（1、2、3），如 No.1-Ⅰ-1 表示 0.05 s-1應(yīng)變速率，900℃終軋，軋后冷卻速度0.2℃/s。

2 Gleeb熱模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

將熱模擬后的試樣按照GB/T 13298要求進(jìn)行試樣準(zhǔn)備，經(jīng)鑲樣、拋光后，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，采用德國(guó)卡爾蔡司Axio Plan2金相顯微鏡觀察試樣帶狀組織，并實(shí)測(cè)其最大鐵素體帶寬。

2.1.1 軋制應(yīng)變速率0.05 s-1、不同終軋溫度、不同軋后冷速的帶狀組織

如圖3所示，應(yīng)變速率0.05s-1、終軋溫度900℃、軋后冷速（0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、0.8 ℃/s），即試樣編號(hào)No.1-Ⅰ-1、No.1-Ⅰ-2、No.1-Ⅰ-3 帶狀組織形貌，其最大鐵素體帶寬分別為32.5μm、36.3μm、45.0μm。

試樣編號(hào) No.1-Ⅱ-1、No.1-Ⅱ-2、No.1-Ⅱ-3，其最大鐵素體帶寬分別為27.4μm、45.5μm、32.9μm；試樣編號(hào) No.1-Ⅲ-1、No.1-Ⅲ-2、No.1-Ⅲ-3，其最大鐵素體帶寬分別為 43.2 μm、30.7 μm、27.3 μm。

2.1.2 軋制應(yīng)變速率0.1 s-1、不同終軋溫度、不同軋后冷速的帶狀組織

測(cè)試結(jié)果為：試樣編號(hào)No.2-Ⅰ-1、No.2-Ⅰ-2、No.2-Ⅰ-3，其最大鐵素體帶寬分別為37.3 μm、35.8μm、50.9μm；No.2-Ⅱ-1、No.2-Ⅱ-2、No.2-Ⅱ-3，其最大鐵素體帶寬分別為32.6μm、45.4μm、42.1μm；No.2-Ⅲ-1、No.2-Ⅲ-2、No.2-Ⅲ-3，其最大鐵素體帶寬分別為 46.7 μm、34.4 μm、32.6 μm。

圖3 應(yīng)變速率0.05 s-1、終軋溫度900℃、軋后冷速0.2℃/s、0.5℃/s、0.8℃/s帶狀組織形貌及最大鐵素體帶寬

2.2 結(jié)果分析與討論

試樣全部測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，試樣編號(hào)No.1-Ⅲ-3鐵素體帶寬（27.3μm）最窄，其次為試樣編號(hào) No.1-Ⅱ-1（27.4μm）、No.1-Ⅲ-2（30.7μm）。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 軋制應(yīng)變速率對(duì)帶狀組織的影響

應(yīng)變速率是影響熱變形組織形貌的重要因素之一，主要包括兩個(gè)方面：在相同的變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，奧氏體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得越充分，晶粒尺寸逐漸減??；應(yīng)變速率的大小決定了變形后鐵素體組織的形貌，隨著應(yīng)變速率的增加，鐵素體組織形貌由不連續(xù)的島狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)閹罘植肌Ｔ诘蛻?yīng)變速率條件下，再結(jié)晶奧氏體晶粒長(zhǎng)大程度明顯，促使帶狀組織的破碎分離；而在高應(yīng)變速率條件下，有利于獲得細(xì)小的奧氏體晶粒尺寸，但奧氏體組織長(zhǎng)大程度有限，再結(jié)晶后的鐵素體呈帶狀保留下來(lái)[5]。

由表2可見(jiàn)，軋制應(yīng)變速率為0.05 s-1，試樣明顯比應(yīng)變速率為0.1 s-1試樣鐵素體帶寬窄。

2.2.2 終軋溫度對(duì)帶狀組織的影響

終軋溫度對(duì)帶狀組織的影響是復(fù)雜的，因?yàn)榻K軋溫度對(duì)組織的轉(zhuǎn)變和晶粒度等都起著極其重要的作用。這些因素對(duì)帶狀組織起著交互作用。終軋溫度越接近臨界溫度，晶粒越細(xì)小，一般要求終軋溫度盡可能接近奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度[6]。

根據(jù)熱塑性曲線可將塑性變形過(guò)程分為三個(gè)溫度區(qū)，大致范圍為：一區(qū)（1 300～1 200℃）-韌脆性轉(zhuǎn)變區(qū)；二區(qū)（1 200～900℃）-奧氏體區(qū)，一般為最佳塑性區(qū)；三區(qū)（900～600℃）-低塑性區(qū)。對(duì)于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.20%左右的亞共析鋼來(lái)說(shuō)，約從750～900℃開(kāi)始析出鐵素體，20CrMnTiH齒輪鋼的第三脆性區(qū)為 925～700 ℃[6]。

通過(guò)上述分析，結(jié)合表2的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，終軋溫度920℃試驗(yàn)結(jié)果最好，終軋溫度940℃次之。但是終軋溫度越低，就要求降低初軋開(kāi)軋溫度，從而導(dǎo)致金屬變形抗力加大，軋機(jī)負(fù)荷增高。如果不降低開(kāi)軋溫度，在軋件經(jīng)過(guò)連軋機(jī)組時(shí)由于變形熱較大而使溫度升高，控制較低的終軋溫度困難較大。若在終軋前等溫來(lái)控制較低的終軋溫度，不但影響產(chǎn)品尺寸公差的穩(wěn)定，且因主軋線沒(méi)有待溫工位，根本無(wú)法實(shí)施。綜合考慮，終軋溫度選擇940℃較合適。

2.2.3 軋后冷卻速度對(duì)帶狀組織的影響

對(duì)于亞共析鋼，在完全奧氏體化溫度開(kāi)始進(jìn)行冷卻時(shí)，有先共析鐵素體生成，如果冷卻速度太慢，則生成的鐵素體越多，這樣在隨后的組織轉(zhuǎn)變中就越容易形成帶狀組織。這是因?yàn)殇撘涸谶B鑄坯冷卻凝固過(guò)程中以枝狀晶的方式長(zhǎng)大，在不同時(shí)期凝固時(shí)，由于選擇性結(jié)晶，造成晶內(nèi)核枝晶間的化學(xué)成分不均勻，枝晶間富集了較多的碳、鉻、錳等合金元素和磷、硫等雜質(zhì)元素，存在合金元素偏析。連鑄坯在變形時(shí)枝干和枝晶間被壓延而伸長(zhǎng)為纖維組織，形成所謂的一次帶狀組織。由于合金元素的帶狀偏析，在鋼材隨后的熱處理和熱加工后的冷卻過(guò)程中，將會(huì)造成碳元素的條帶狀偏析，即在固態(tài)相變中碳發(fā)生不均勻的重新分布，稱為二次碳偏析。不同條件區(qū)域的相變溫度存在著差異，先共析鐵素體優(yōu)先在碳含量低、Ar3高的位置析出，同時(shí)向相鄰區(qū)尚處于奧氏體狀態(tài)的偏析區(qū)內(nèi)排出碳，進(jìn)一步造成碳分布的不均勻，這個(gè)過(guò)程在奧氏體化后的冷卻過(guò)程中發(fā)生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變?cè)匠浞郑荚馗患瘏^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閹钪楣怏w組織，碳元素分布越不均勻，帶狀組織越嚴(yán)重，表現(xiàn)為先共析鐵素體和珠光體交替相間的顯微組織帶狀，直到溫度降低到Ar1時(shí)，保留到最后的奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體[7]。所以可以通過(guò)軋后快速冷卻來(lái)抑制先共析鐵素體的生成，防止碳的擴(kuò)散，讓其快速冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，然后緩冷形成珠光體組織，這樣就避免了二次帶狀組織的形成。

通過(guò)上述論述，20CrMnTiH齒輪鋼應(yīng)選擇合適的、較快的軋后冷卻速度。北京科技大學(xué)孔祥華通過(guò)對(duì)齒輪鋼20CrMnTi兩相區(qū)（F+A）冷速對(duì)帶狀組織的影響研究試驗(yàn)認(rèn)為0.5～1.0℃/s是合適的[7]。但是軋后冷卻速度也不能過(guò)快，尤其是對(duì)于小棒鋼材（規(guī)格≤50 mm）的生產(chǎn)。這是因?yàn)椋盒“翡摬囊话憔捎密埡蟠┧姆绞絹?lái)控制冷卻，其冷卻速度遠(yuǎn)大于臨界冷卻速度，鋼材的組織轉(zhuǎn)變是在返紅時(shí)開(kāi)始進(jìn)行的。返紅溫度的高低取決于鋼材的冷卻程度。冷卻強(qiáng)度小，鋼材返紅很快，返紅溫度高則鐵素體粗大；冷卻強(qiáng)度大，鋼材返紅慢，返紅溫度低，鋼材的組織越細(xì)小均勻；冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鋼材表面溫度難以回升，可能造成鋼材冷裂，達(dá)不到控制冷卻的目的[6]。結(jié)合表2的試驗(yàn)結(jié)果，試樣No.1-Ⅲ-3鐵素體帶寬也是最窄的。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

根據(jù)Gleeble熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，分別試驗(yàn)軋制了Ф80 mm和Ф150 mm棒材各1批次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，在其他工藝條件不變的前提下，只是軋制應(yīng)變速率采用0.05 s-1，終軋溫度控制940℃±5℃，Ф80 mm規(guī)格棒材軋后平均冷卻速度1.0℃/s，Ф150 mm規(guī)格棒材軋后平均冷卻速度0.5℃/s。之后按照標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)兩個(gè)規(guī)格棒材的帶狀組織，結(jié)果顯示，兩個(gè)規(guī)格鐵素體帶寬均不超過(guò)33 μm，帶狀組織級(jí)別均在2.0級(jí)以下。

4 結(jié)論

1）對(duì)于20CrMnTiH齒輪鋼，在軋制過(guò)程中控制合適的軋制應(yīng)變速率、終軋溫度、軋后冷卻速度可以減輕帶狀組織。

2）通過(guò)Gleeble熱模擬試驗(yàn)研究不同軋制應(yīng)變速率、不同終軋溫度、不同軋后冷卻速度對(duì)20CrMnTiH齒輪鋼帶狀組織的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示：軋制應(yīng)變速率0.05 s-1，終軋溫度940℃，軋后冷卻速度0.8℃/s時(shí)，在18個(gè)試樣中其鐵素體帶寬最窄（27.3μm）。

3）通過(guò)Gleeble熱模擬試驗(yàn)得出的工藝參數(shù)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)了Ф80mm、Ф150mm兩個(gè)規(guī)格，軋制應(yīng)變速率0.05 s-1，終軋溫度控制940℃±5℃，Ф80 mm規(guī)格棒材軋后平均冷卻速度1.0℃/s，Ф150 mm規(guī)格棒材軋后平均冷卻速度0.5℃/s，使20CrMnTiH齒輪鋼大、小棒材的帶狀組織級(jí)別在2.0級(jí)以下，達(dá)到了很好的效果。

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