热处理工艺对低碳齿轮钢的影响范文

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带状组织是指出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒。根据带状铁素体数量增加，并考虑带状贯穿视场的程度、连续性和变形铁素体晶粒多少的原则确定带状评级。在低碳齿轮钢带状检验过程中，热轧状态钢材中经常出现贝氏体等非平衡态组织，对带状评级造成一定的影响。在这种情况下，对钢材进行适当的热处理以获得完全的铁素体+珠光体组织，可提高带状评级的准确性。通过20CrMnTiH、20CrMoH和SAE8620H代表Cr－Mn－Ti系、Cr－Mo系和Cr－Ni－Mo系齿轮钢，研究不同热处理工艺对低碳齿轮钢带状评级的影响，提高了产品的实物质量。

1试验材料和方法

试验钢的化学成分如表1所示，试料均取自80mm热轧圆钢的1/2半径处，试料尺寸为20mm×20mm×20mm。每个样品取4支试样，按照GB/T13299－1991评定其热轧状态、正火状态、完全退火状态、等温退火状态的带状级别。热处理工艺见图1所示，加热设备为GXJ2－18－12型箱式电阻炉。样品用5%的硝酸酒精溶液腐蚀，在100倍下观察。

2试验结果及分析

2．1热轧状态的带状组织热轧状态下试样的带状组织如图2所示。20CrMnTiH钢组织为铁素体+珠光体，带状评级为2．5级;20CrMoH钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体，带状评级为2．5级;SAE8620H钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体，带状评级为1．5级。热轧状态下钢材带状组织的形成机理，一般认为是元素偏析造成的。连铸坯在凝固过程中，由于钢中各元素的扩散速度不一样，容易产生枝晶偏析。碳元素容易均匀扩散，而其他合金元素扩散较困难且不容易均匀化，所以一直保持着枝晶偏析的状态。铸坯在进行轧制的时候，粗大的枝晶沿变形方向拉长，并逐渐与变形方向一致，形成碳及合金元素的贫化带与富化带彼此交替堆叠的带状区。在随后的缓冷过程，先在碳及合金元素贫化带形成以铁素体为主的带，而碳及合金元素富化带在其后形成以珠光体为主的带，最后形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。

2．2正火处理后的带状组织正火状态下试样的带状组织如图3所示。由图3可见正火后的20CrMnTiH钢组织仍为铁素体+珠光体，但铁素体条带更加清晰，带状评级为2．0级;正火后的20CrMoH钢和SAE8620H钢中贝氏体虽然有所减少，但并没用完全消除，带状评级分别为2．5级和2．0级。

2．3完全退火处理后的带状组织完全退火状态下试样的带状组织如图4所示。20CrMnTiH钢组织为铁素体+珠光体，带状评级为3．0级，相比热轧状态和正火状态，铁素体条带宽度明显增加;20CrMoH钢和SAE8620H钢中已没有贝氏体组织，为清晰的铁素体+珠光体条带，带状评级分别为3．5级和2．5级。

2．4等温退火处理后的带状组织等温退火状态下试样的带状组织如图5所示。三个样品均呈现清晰的铁素体+珠光体条带，没有贝氏体等非平衡态组织，20CrMnTiH钢带状评级为2．0级，20CrMoH钢带状评级为3．0级，SAE8620H钢带状评级为2．0级。

2．5结果讨论热处理后钢材带状评级对比见图6。对比不同热处理状态下的带状评级结果，正火处理后的组织与热轧状态组织相似，铁素体条带较热轧状态更加清晰，但不能有效消除试料中的贝氏体等非平衡态组织，评级结果与热轧状态无异。因Ni、Mo等强碳化物形成元素的加入，过冷奥氏体稳定性增大，奥氏体向珠光体的转变孕育期加长，而贝氏体转变的孕育期缩短，C曲线右移的同时形状也发生变化，出现两个鼻子，因此在低冷却速度下也易形成贝氏体组织。所以Cr－Mo系和Cr－Ni－Mo系低碳齿轮钢无法通过正火来消除组织中的贝氏体。

完全退火处理后试料中的贝氏体组织已完全消除，呈现清晰的铁素体+珠光体条带，但部分样品中铁素体带的宽度明显增加。在GB/T13299－91中并没用将铁素体条带宽度作为带状级别评价准则，但在一些齿轮行业标准中，铁素体条带宽度是带状评级的重要量化指标。从图6中也可以看出，20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H钢完全退火后其带状级别均比热轧状态或正火、等温退火处理后的样品要明显偏高一些。等温退火后的组织为清晰的铁素体+珠光体条带，不存在贝氏体等非平衡态组织，其带状评级与热轧状态及正火状态无明显差异。

之所以会出现以上差异，原因在于在热处理加热及保温过程中，奥氏体中的碳元素已经充分扩散，但其中合金元素扩散的速度较慢，因而存在成分的偏析。在冷却过程中，先共析铁素体在A3温度较高的负偏析区域首先形核，而碳元素则被排挤到临近的A3温度较低的区域，形成了碳元素的重新分布与浓度的起伏。在完全退火处理时，冷却速度慢，试料在先共析铁素体转变区域停留的时间过长，先共析铁素体得以充分的析出长大，形成较为严重的带状组织。而正火及等温退火处理时，先共析铁素体转变区的冷却速度很快，抑制了先共析铁素体的析出，铁素体条带不明显，带状评级较低。

3结论

1)不同热处理状态下的低碳齿轮钢带状组织存在明显差异。2)正火处理后的样品与热轧状态下的组织相似，但铁素体条带更加清晰;完全退火处理和等温退火处理可以有效消除Cr－Mo系和Cr－Ni－Mo系低碳齿轮钢中的贝氏体等非平衡态组织。3)正火处理及等温退火处理后的样品与热轧状态相比带状评级无明显差别，完全退火处理后的样品带状评级较热轧状态偏高。4)不易产生贝氏体组织的Cr－Mn－Ti系低碳齿轮钢，可以在热轧状态或正火处理后进行带状评级;Cr－Mo系和Cr－Ni－Mo系低碳齿轮钢，应进行完全退火或等温退火处理消除贝氏体等非平衡态组织后再进行带状评级。

作者：任琪 崔长安 程文华 单位：特钢事业部