热处理工艺对低碳齿轮钢带状组织评级的影响

任琪

（山钢股份莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜　271105）

热处理工艺对低碳齿轮钢带状组织评级的影响

任琪

（山钢股份莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜271105）

试验分析了3种低碳齿轮钢（20CrMnTiH、20CrMoH和SAE8620H）在正火、完全退火、等温退火等工艺处理后带状组织的变化情况，结果显示低碳齿轮钢在不同热处理制度下的带状组织存在明显差异。完全退火处理后钢材带状组织级别较热轧状态偏高；正火处理与等温退火处理后钢材的带状级别与热轧状态无明显差别。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组织评级；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组织评级。

低碳齿轮钢；带状组织；正火；完全退火；等温退火

1　前言

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［1］。常用的带状组织评级标准为GB/T 13299—1991钢的显微组织评定方法。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组织评级。在低碳齿轮钢带状组织检验过程中，热轧状态钢材经常出现贝氏体等非平衡态组织，对带状组织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，有利于提高带状组织评级的准确性。本研究以20CrMnTiH、20CrMoH和SAE8620H代表Cr-Mn-Ti系、Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系齿轮钢，探讨不同热处理工艺对低碳齿轮钢带状组织评级的影响。

2　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Ф 80 mm热轧圆钢的1/2半径处，试料尺寸为20 mm× 20 mm×20 mm。每个样品取4支试样，按照GB/T 13299—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组织级别。热处理工艺如图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倍下观察试样的金相组织。

表1　试验钢的化学成分（质量分数）%

图1　试验钢热处理工艺曲线

3　试验结果及分析

3.1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，带状组织评级为2.5级；20CrMoH钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体，带状组织评级为2.5级；SAE8620H钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体，带状组织评级为1.5级。

热轧状态下钢材带状组织的形成机理，研究者的观点基本一致，认为是元素偏析造成的［2］。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，故一直保持着枝晶偏析的状态。铸坯轧制时，粗大的枝晶沿变形方向被拉长，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，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［3］。

图2　3种试验齿轮钢热轧态带状组织100×

3.2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。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，带状组织评级为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，带状组织评级分别为2.5级和2.0级。

图3　3种试验齿轮钢正火态带状组织100×

3.3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，带状组织评级为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。完全退火处理后，20CrMoH钢和SAE8620H钢中已没有贝氏体组织，钢组织为清晰的铁素体+珠光体条带，带状组织评级分别为3.5级和2.5级。

图4　3种试验齿轮钢完全退火态带状组织100×

3.4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。3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钢带状组织评级为2.0级，20CrMoH钢带状组织评级为3.0级，SAE8620H钢带状组织评级为2.0级。

3.5结果讨论

对比不同热处理状态下的带状组织评级结果可以看出，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，但不能有效消除钢中贝氏体等非平衡态组织，评级结果与热轧状态无异。由于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的孕育期加长，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，在低冷却速度下也容易形成贝氏体组织。因此，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。

完全退火处理后钢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/T 13299—1991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组织评级的重要量化指标［4］。3种试验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明显偏高。等温退火后钢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，其带状组织评级与热轧状态及正火状态无明显差异。

图5　3种试验齿轮钢等温退火态带状组织100×

出现以上差异的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，因而仍存在成分的偏析。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［5］。

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，带状组织评级较低。

4　结论

4.1不同热处理状态下的低碳齿轮钢带状组织存在明显差异。

4.2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。

4.3正火处理及等温退火处理后的样品与热轧状态相比带状组织评级无明显差别，完全退火处理后的样品带状组织评级较热轧状态偏高。

4.4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组织评级；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组织评级。

［1］宋维锡.金属学［M］.北京:冶金工业出版社，1990:315-318.

［2］张延玲，刘海英，阮小江，等.中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响［J］.北京科技大学学报，2009，31（S1）:199.

［3］张迎晖，赖泓州，赵鸿金.钢中带状组织的研究现状［J］.轧钢，2014，31（3）:45-46.

［4］刘云旭.低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除［J］.金属热处理，2000（12）:1-3.

［5］陈涛，时彦林.20CrMo棒材带状组织的控制研究［J］.材料热处理，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年毕业于北京科技大学材料科学与工程专业。现为山钢股份莱芜分公司特钢事业部质量检查站工程师，从事物理检验工作。