作者：冯桂萍（抚顺特殊钢股份有限公司技术中心）文章已刊载在《模具制造》月刊，版权归作者所有，转载请注明出处，谢谢！
介绍了低碳齿轮钢带状组织形成原因及危害，从热加工工艺、热处理方面对带状影响因素进行试验分析，指导生产工艺，并得出结论：铸坯进行适当高温扩散，即控制铸坯均热温度1,℃～1,℃，扩散时间≥1h，终轧温度℃～℃，带状组织得到明显改善。采用等温正火处理后带状组织可满足≤2.0级。
关键词：带状组织；枝晶偏析；扩散温度；终轧温度；等温正火
1引言
齿轮钢带状组织是钢液凝固过程中，由于选择结晶作用产生成分分布的不均匀性的枝晶组织，在轧制后沿钢材轧制方向形成的以先共析铁素体为主和珠光体交替分布的带状组织。带状组织是影响齿轮钢内在质量的主要因素之一，它造成钢的各向异性，降低钢的横向塑性、韧性，影响切削加工。严重的带状组织会导致淬火后硬度不均，增大齿轮渗碳淬火变形量，导致齿轮啮合困难，运行震荡、噪音大，从而导致齿轮的提前失效。低碳齿轮钢常用钢种系列主要为CrMnTi系列、MnCr系列、CrMo系列、CrNiMo系列、CrNi2Mo系列。本文主要围绕以20CrMnTiH、20CrNiMoH为代表的齿轮钢枝晶偏析、高温扩散、终轧温度和热处理工艺因素对带状组织的影响进行分析。2带状组织影响因素研究分析2.1枝晶偏析的影响连铸坯宏观组织形貌通常由3个晶区组成，即外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，根据浇注条件的不同，晶区的数目和相对厚度均可以改变。外表层的细晶区又称为激冷区，细晶区组织致密，成分均匀，偏析较小，细晶区的厚度主要取决于结晶器过冷度和中包浇注温度，过冷度越大，浇注温度越低，则增加细晶区的厚度[1]。柱状晶区由垂直于型壁的粗大的柱状晶所构成，柱状晶区的形成因素主要与散热的方向性和晶体生长的各向异性有关，柱状晶的长大速度与已凝固固相和液相的温度梯度有关，固相的温度梯度越大，则柱状晶的长大速度越快。中心等轴晶区是心部液态金属温度全部降低到熔点以后，晶核在液体中自由生长，各个方向长大速度相近，形成等轴晶。低碳齿轮钢20CrMnTiH钢×mm连铸坯表面到心部的宏观组织形貌如图1所示。将×mm连铸坯轧制圆钢80mm后，热轧材的带状组织从表面至中心逐渐加重，如图2所示。图CrMnTiH连铸坯宏观组织
图2热轧材带状组织×
a——钢材近表面
b——钢材半径1/2处
c——钢材中心
从以上标定情况可知，钢材近表面为细晶区，组织致密，成分均匀，偏析较小，带状组织较好；钢材半径1/2处位于等柱状晶区，柱状晶的位向都是一次晶轴方向，性能显示各向异性，在柱状晶界间富集了杂质，并加大了元素的偏析，带状组织较差；钢材中心区为等轴晶区，树枝晶比较发达，分枝多，组织不致密，带状组织最严重。目前，通常用铸坯的二次枝晶间距大小来表征元素偏析状况，二次枝晶间距越小表明元素分布越均匀，进而形成带状组织的级别越低。国外很多研究表明[2~4]，即便钢中存在合金元素偏聚的情况，若二次枝晶间距相对于奥氏体晶粒尺寸较小时，带状组织也不会形成。目前，国内从提高连铸坯凝固组织方面进行相关研究，如优化过热度、拉速及二冷系统参数等进行工艺试验，提高细晶区和柱状晶区减少中心等轴晶区，可降低带状组织；其次从连铸冷却设备方面进行改进，在连铸坯冷却过程中采用振荡装置，有利于枝晶破碎，均取得一定成效。2.2高温扩散
低碳齿轮钢生产流程基本采用连铸连轧生产，铸坯保温时间短，合金成分及碳元素偏析来不及进行扩散，从而导致带状组织严重。采用合适的扩散温度和保温时间，对改善带状组织尤为重要。试验材料牌号为20CrMnTiH，取自热轧材，工艺路线：电炉＋LF＋VD＋连铸＋铸坯加热＋轧制，连铸坯型×mm，成品规格80mm，化学成分如表1所示。表1化学成分%
在钢材上按GB/T标准取样，数量12个，分别在不同温度和保温时间下进行处理，高温扩散温度分别为：1,℃、1,℃、1,℃、1,℃，分别保温1～3h，经℃保温1h后转炉到℃保温1h，空冷后按GB/T标准制样、磨制，采用4%硝酸酒精腐蚀后观察其带状组织的变化，组织形貌如图3所示。
从图3组织图片对比可知，试样经过1,℃保温1～3h扩散后，带状组织没有得到明显改善，带状组织级别3~4级；试样经过1,℃以上温度保温1～2h扩散后，带状组织改善明显，带状级别达到2级以下，保温3h以上，带状组织为1级。此试验表明，钢材的加热温度只有达到1,℃以上，钢材的带状组织才会有明显改善，随着保温时间的延长，带状组织趋于均匀。
图3不同加热温度和保温时间对带状组织的影响
a——1,℃保温1hb——1,℃保温2hc——1,℃保温3hd——1,℃保温1he——1,℃保温2hf——1,℃保温3hg——1,℃保温1hh——1,℃保温2hi——1,℃保温3hj——1,℃保温1hk——1,℃保温2hl——1,℃保温3h
根据扩散第一定律，温度越高，则扩散效果越明显。但如果铸坯加热过高或在高温保温时间过长易造成脱碳严重、晶粒粗大，严重会产生过热、过烧，为此，在改善铸坯带状组织的前提下，铸坯保温段温度按1,℃～1,℃控制，保温时间1～2h。
2.3终轧温度的影响
文献[5]认为，合适的终轧温度及较大的道次变形量易于破碎枝晶，随着终轧温度降低，轧后快冷可抑制碳的不均匀性分布，使之形成较均匀的先共析铁素体和珠光体，从而能有效控制带状组织形成。
终轧温度对带状组织的影响主要是通过改变相对晶粒δ的大小。其中：δ=（d-s）/s，式中：d为过冷奥氏体转变后的铁素体平均晶粒直径（μm）；s为富锰带带间距（μm）。这主要分3种情况[2]：
（1）当d=s时，铁素体最易在两个富锰带中间形核，然后逐渐长大，在即将转变结束时，过饱和析出的碳原子恰好扩散至富锰带，形成该处较大程度的碳原子富集；
（2）当d≤s时，铁素体最易在中间位置形核，但由于终轧温度低，形变储存能高引起形核率较高，则在中间晶粒未长大前，在贫锰带中心附近也会形成新晶核。这样在相变后由于晶间吸附了一定量的碳原子，会降低富锰带碳原子的富集，最终减轻了对富锰带发生铁素体转变的抑制作用；
（3）当d＞s时，铁素体形核也处于中间位置，但由于终轧温度高而形核率较低，当中间晶粒长大至富锰带时，在此富锰带外侧还存在未转变的奥氏体。若此时富锰带还未达转变温度Ar1，中间晶粒就会超过富锰带继续长大，而将碳原子向富锰带外侧扩散。这就在富锰带位置出现了铁素体，减轻了富锰带形成连续珠光体的趋势。所以，d越偏离s，带状组织级别越轻。
据文献[6]试验总结，在通常的变形量条件下，终轧温度为1,℃～1,℃时所得到的铁素体晶粒尺寸与富锰带带间距s相差不大，所以带状组织明显；而终轧温度为℃～℃时，d和s相差较大，所以带状组织较轻，故合适的终轧温度应控制在℃～℃。
2.4热处理工艺的影响
针对CrMnTi系列、MnCr系列热轧态可获得平衡组织，而CrMo系列、CrNiMo系列、CrNi2Mo系列，热轧空冷后易得到贝氏体组织，这给带状组织评级带来困扰，为有效的评定带状组织，选择合适的热处理工艺对带状组织严重程度有直接影响，如图4所示。
图4不同热处理工艺对带状组织的影响
a——不处理b——等温正火
c——等温退火d——完全退火
选取钢种20CrNiMoH，取自热轧材，工艺路线：电炉+LF+VD+连铸+铸坯加热+轧制，连铸坯型×mm，成品规格80mm，化学成分如表2所示。按GB/T标准取样，试样分别在热轧、等温正火、等温退火、完全退火等状态下按GB/T标准检验带状组织，试验结果如表3所示。
表2化学成分%表3不同热处理状态下的带状组织
从以上试验得出，热轧态组织为贝氏体组织，采用等温正火、等温退火和完全退火均可获得F+P平衡组织。采用℃×30min转炉到℃×1h，组织较为均匀，带状组织级别为1.5级，采用缓慢冷却方式，带状组织均较严重，达到3~3.5级。
由于合金元素的偏析，钢材在随后的热处理冷却过程中，将会加重碳元素的条带状偏析，即在固态条件下碳发生不均匀的重新分布，称为二次碳偏析。先共析铁素体优先在碳含量低、Ar3高的位置析出，同时向相邻区尚处于奥氏体区内排出碳，进一步造成碳分布的不均匀性，这个过程在奥氏体化后冷却过程中发生，冷却越慢，先共析铁素体转变越充分，碳元素富集区转变为珠光体组织，碳元素分布越不均，带状组织越严重，直到温度降低到Ar1时，保留到最后的奥氏体转变成珠光体[7]。故通过两相区的快冷可有效抑制先共析铁素体的生成，防止碳的扩散，快速冷却到珠光体转变区，这样避免带状组织严重。
采用等温正火工艺，即将齿轮毛坯加热奥氏体化后，快速冷却到等温转变温度，使过冷奥氏体在等温温度下进行等温转变，能有效防止产生粒状贝氏体，获得均匀带状组织，大大改善锻坯的加工性能，并提高热处理变形的规律性。
3结论（1）通过优化过热度、拉速及二冷系统参数、枝晶破碎等措施，可减少带状组织偏析。
（2）低碳齿轮钢铸坯加热温度控制在1,℃～1,℃，保温时间≥1h，适当的高温扩散有助于改善带状组织。
（3）终轧温度应控制在℃～℃，可有效改善二次相变产生的带状组织。
（4）提高铸坯凝固组织、采用适当扩散工艺和终轧温度，结合等温正火热处理工艺，钢材带状组织可满足≤2.0级。