20CrMnTi齿轮钢锻打开裂原因分析及措施

刘年富

(广东韶钢技术研究中心，广东韶关 512123)

20CrMnTi齿轮钢锻打开裂原因分析及措施

刘年富

(广东韶钢技术研究中心，广东韶关 512123)

20CrMnTi齿轮钢经加热锻打成齿轮毛坯后，综合分析了表面开裂试样的外观、化学成分、非金属夹杂物、金相组织等。结果表明，齿轮钢加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，并形成魏氏组织，导致锻打毛坯开裂。并提出预防锻打开裂的措施。

齿轮钢;锻打开裂;原因;措施

20CrMnTi是一种性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用于生产汽车、摩托车、农机、工程机械用的齿轮、轴类、活塞类零配件以及其它各种零部件。

2013 年我公司接到1位客户的反馈，我公司生产的20CrMnTi齿轮钢在锻打成齿轮毛坯时表面出现了大量的表面裂纹。对此技术人员立即对存在表面裂纹的齿轮毛坯开裂原因进行分析，以便制定相应措施，杜绝齿轮钢锻打开裂问题的再现。

1 裂纹试样的检测分析

根据试样开裂情况，选取有代表性的两处裂纹进行金相分析，具体取样位置如图1所示，试样分析面为纵向。并将1#、2#试样进行化学成分分析。

图1 裂纹取样位置图Fig.1 The location of crack simpling

试样采用锯切取样，为防止试样加工过热影响分析结果，严格控制锯切速度，并采用专用锯切冷却液冷却锯片。

1.1 化学成分分析

取1#、2#试样进行光谱化学成分分析，分析结果如表1所示。

表1 裂纹试样的化学成分(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of crack sample(ω，%)

从表1可以看出，1#、2#试样的化学成分均与出厂圆钢成品成分基本一致，可见化学成分正常。

1.2 组织分析

取1#、2#试样进行组织分析，试样经粗磨、细抛并清洗后分析裂纹形貌，结果如图2所示。

(a)1#试样;(b)2#试样图2 裂纹尖端附近形貌(a)1#Sample;(b)2#SampleFig.2 Morphology near the crack tip

采用正置式光学显微镜的刻度尺对裂纹尺寸进行测量，1#试样开裂位置宽度为2.1 mm，裂纹长度(即由表面往基体延伸的深度)为2.46 mm;2#试样开裂位置宽度为1.8 mm，裂纹长度2.3 mm。裂纹与试样表面呈约45°向里延伸。从裂纹尖端的形貌可知，裂纹附近无异常的非金属夹杂物。

将试样进行腐蚀，观察其金相组织，见图3、图4、图5、图6。结果表明，1#、2#试样的裂纹附近都存在异常的魏氏组织(根据GB/T 13299标准，可评级为最严重的5级)，而且魏氏组织达到360 um厚;裂纹周边的晶粒异常粗大。

图3 1#试样裂纹附近的异常组织Fig.3 Abnormal structure near crack of 1#sample

图4 1#试样裂纹表面异常组织Fig.4 Abnormal structure at the surface of crack in 1#sample

2 锻打开裂产生原因分析

魏氏组织，也即魏氏体，在0.15% ～0.50%C的钢中产生，在铸造、锻造和焊接加工时，由于加热温度过高，导致奥氏体晶粒较粗;冷却时，产生的先共析铁素体呈片状或粗大羽毛状，与原奥氏体有一定位向关系，这种组织称为魏氏体组织。在亚共析钢中常见的魏氏组织呈羽毛状，有呈等边三角形的，有与铁素体相互垂直的，也有混合型的魏氏组织。

图5 2#试样裂纹表面组织Fig.5 Surface microstructure of crack in 2#sample

图6 2#试样表面组织异常及晶粒粗大Fig.6 Abnormal structure at the surface and coarse grains in 2#sample

2.1 产生异常组织的原因

魏氏组织产生主要原因是锻造时的加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷却时产生魏氏组织［1-2］。魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。低合金钢的锻造加热一般在氧化性气氛中进行，如发生过烧现象，也形成严重的魏氏体组织，过烧组织在随后的热处理过程中是无法修复的。魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现，也即晶粒粗大与过热魏氏组织是相随相生的。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。在低合金钢的锻造过程中，即使始锻、终锻温度合适，如锻后冷却不规范，也有可能形成魏氏体组织。结合金相分析结果来看，钢的表面形成大量魏氏组织，但脱碳现象不是特别严重，因此，可能只是加热温度过高导致晶粒粗大、形成魏氏组织，在过热温度段停留时间不是特别长而未造成严重脱碳现象。

2.2 齿轮毛坯锻打开裂的原因

钢由于加热温度过高导致奥氏体晶粒粗大，并产生魏氏组织，会导致钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高，即增加钢的脆性，因此严重的魏氏组织会导致后续锻打加工时产生开裂。结合锻打试样的形貌，裂纹向基体延伸与钢的表面基本呈特定的方向(30°、45°角)，这与魏氏组织与原奥氏体有一定位向是对应的。可见锻打裂纹的形貌及组织分析结果都表明，导致锻打开裂的原因是钢过热导致奥氏体晶粒粗大、产生魏氏组织。

3 齿轮钢锻打开裂预防措施

预防锻打开裂主要就是防止产生异常组织，而魏氏组织及晶粒粗大的控制预防措施有:1)控制好加热温度，不宜过高，防止过热。对于20CrMnTi齿轮钢，一般加热温度应控制在≤1220℃，短时(10 min左右)超温≤1250℃;定时检测加热炉的热电偶，防止热电偶温度漂移，导致温度超过。2)控制冷却速度，锻造过程或锻后的冷却速率，防止快冷。锻后不宜风冷，防止锻后冷速过快开裂。

4 结论

1)通过化学成分、非金属夹杂物、金相组织等分析，表明锻打开裂的齿轮毛坯试样存在异常的魏氏组织及晶粒粗大现象;

2)分析魏氏组织及晶粒粗大产生原因可知，导致锻打开裂的主要原因是毛坯加热温度过高，导致奥氏体晶粒异常粗大，同时产生魏氏组织，使齿轮毛坯的脆性转折温度升高，即增加钢的脆性，最终导致锻打时开裂;

3)预防齿轮钢锻打开裂的主要措施是控制好加热温度，防止过热，并控制锻后冷却速度，防止冷速过快。

［1］赵品，谢辅洲，孙文山.材料科学基础［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版，1999:183.

［2］温新林，孙法林，张大庆，等.魏氏组织在27SiMn钢管中的形成条件［J］.热处理技术与装备，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

刘年富(1981-)，男，工程师，现主要从事钢铁新产品开发。

联系电话:0751-8783627;E-mail:liunf2004@163.com

汽车零部件用高品质特殊钢的关键技术研究及产业化攻关(2011A091102005)