齿轮钢中硫化锰夹杂物热变形行为研究

2022-11-05孙雅平李永亮杨玉厚

钢铁钒钛 2022年5期

孙雅平，杨丽*，李永亮，杨玉厚

（1.唐山科技职业技术学院,河北唐山 063001；2.唐山钢铁集团有限责任公司技术中心,河北唐山 063016）

0 引言

汽车齿轮主要安装在变速器与差速器中，起传动、调速作用，在工作时主要受到交变载荷的冲击力、摩擦力、接触应力等多种应力的综合作用。随着时间和成本的要求越来越高，齿轮生产厂家将齿轮加工多种步骤整合到一台机床，使用一把刀具，该刀具十分昂贵，因此在齿轮钢中添加硫元素作为易切削元素，减少加工过程中对刀具的磨损。而钢在锻造或者轧制过程中，硫化物容易沿着轧制方向伸长，从而使钢的横向性能明显降低。同时齿轮工作时受到交变载荷的应力作用易在长条状硫化物尖端产生应力集中，成为裂纹源，并沿着硫化物扩展，最终造成齿轮的开裂失效[1-3]。因此如何在易切削齿轮钢中获得长宽比小的球状或椭球状硫化物至关重要。

前人对于钢中MnS 夹杂物在变形过程中的形貌控制进行了较多的研究。邵肖静[4]等在研究非调质钢中MnS 夹杂物的热变形行为时发现，随着变形温度的增加，长度大于5 μm 的MnS 数量呈减少趋势，变形量对MnS 的相对塑性影响较大，随着变形量从10%增加到50%，MnS 的相对塑性平均值从2.26 减小到0.30，同时变形速率对MnS 夹杂物的长度和相对塑性没有明显的影响。此外，娄德春[5-7]等认为硫化物的碎化是随着变形量呈周期性的变化，周期点和碎化程度与变形温度有关。

为了充分了解MnS 夹杂物在钢基体变形过程中碎化的周期性变化，笔者利用Gleeble-1500 热-力学模拟试验机在相同变形速率下对试样在不同温度、不同变形量下进行压缩变形，对MnS 夹杂物的形貌与尺寸进行统计分析，根据应力-应变曲线对MnS夹杂物的碎化进行分析，最后根据MnS 夹杂物与基体之间的相对塑性确定适宜的轧制参数，以便对实际生产中的轧制工艺进行理论指导。

1 试验材料和方法

为了研究变形温度及变形量对MnS 夹杂物的影响，从Cr-Ni-Mo 系齿轮钢连铸坯中取样并加工成Ø8 mm×15 mm 的圆柱，按图1 所示的加热和变形制度进行试验。试验钢化学成分如表1 所示。试样首先以10 ℃/s 的加热速率加热到1 300 ℃，保温180 s 以得到均匀的奥氏体组织，然后以10 ℃/s 的速率降温到变形温度后保温30 s 以均匀试样温度，接着以0.01 s-1的变形速率分别进行压缩变形到变形量20%、40%、60%，达到设定变形量后立刻水淬以保留奥氏体组织。将变形后的试样从剖面切开，经镶嵌、打磨、抛光后在光学显微镜下观察MnS 夹杂物的形貌，每个试样连续拍摄五十个视场用来统计MnS 夹杂物的长宽比及其分布。

图1 Gleeble-1500 热-力学模拟试验机加热及变形制度Fig.1 Heating and deformation schedule of Gleeble-1500 thermo-mechanical simulator

表1 试验钢化学成分Table 1 Chemical composition of test steel %

压缩过程中MnS 与齿轮用钢基体间的相对塑性计算采用Malkiewicz 与Rudnik[5-7]的定义公式，即MnS 相对塑性ν为：

式中，εi代表MnS 真应变，εm代表试验钢基体真应变，λ0和λ代表MnS 轧制前后的长宽比，h0和h代表试样原始长度和压缩后长度。

2 试验结果与讨论

2.1 MnS 夹杂物分析

2.1.1 MnS 夹杂物形貌

基体的压缩变形温度和变形量对MnS 夹杂物形貌的影响如图2 所示，可以看出，在20%变形量下，随着温度升高，MnS 尺寸逐渐长大后减小，在1 100 ℃时达到最大；在40%变形量下，随着温度升高，MnS 尺寸同样呈现先长大后减小的趋势，在1 000 ℃时达到最大；在60 %变形量下，MnS 尺寸呈现逐渐长大的趋势。在900 ℃和1 200 ℃时，MnS 夹杂物尺寸呈现规律性变化，900 ℃时，随着变形量增加，MnS 尺寸逐渐降低；在1 200 ℃时随着变形量增加，MnS 尺寸逐渐升高；在1 000 ℃和1 100 ℃时，MnS 尺寸无明显的规律性。这说明在变形过程中MnS 的长大和碎化同时发生，在不同温度和不同变形量下，长大和碎化分别占据主要地位。从图中可以看出，随着温度的增加，MnS 达到碎化状态所需变形量在逐渐降低。在900 ℃-60%和1 200 ℃-20%时，MnS 夹杂物的尺寸较小，数量较多，且此时形貌比较规则，呈椭圆形或圆形，说明此时碎化在变形过程中占据主要地位，实际轧制过程中宜选用低温大变形量或者高温小变形量轧制制度。

图2 变形温度和变形量对MnS 夹杂物形貌的影响Fig.2 Effect of deformation temperature and deformation amount on morphology of MnS inclusions

2.1.2 MnS 夹杂物尺寸分布

根据试验结果，统计了不同变形参数下MnS 的长宽比及其分布情况，如图3 所示。在900 ℃下，随着变形量的增加，长宽比小于2 的MnS 数量大大增加，MnS 的状态由长大变为碎化；而在1 200 ℃下，随着变形量的增加，长宽比小于2 的MnS 数量呈现降低的趋势，MnS 的状态由碎化变为长大，在1 200 ℃-40%下进行压缩变形时，虽然长宽比小于2 的MnS 数量较多，同时长宽比大于4 的MnS 数量同样较多。长宽比小于2 的MnS 可以视为圆形或者椭圆型，在900 ℃-60%和1 200 ℃-20%时能够获得较多数量的长宽比小于2 的MnS，这与MnS夹杂物形貌分析结果一致。

2.2 应力应变分析

图4 为试样在不同变形条件下的应力应变曲线图。从图4 中可以看出，随着压缩变形的进行，应力随着应变逐渐增加而逐渐增加，当应力增加到一定值后，增加趋势放缓，最终成为一条平缓的平直曲线，达到稳定的状态。这是由于在变形的初期，应变引起位错密度的增加，导致基体的加工硬化，此时应力快速增加，随着变形的增加，动态回复也逐渐增加，使得位错相互抵消，位错密度降低，动态回复造成的软化效果抵消了部分加工硬化效果，使得应力上升趋势放缓，在变形的后期发生动态再结晶，使得应力不在增加甚至出现下降的趋势。MnS 夹杂物在凝固过程中由于偏析多在奥氏体晶界处析出，然后在轧制过程中被拉伸变长，由于动态再结晶，晶界的移动将会使得拉长的MnS 夹杂物分割、断裂，最终碎化[8]。

在低温（900 ℃）进行压缩变形时，由于动态回复与动态再结晶不明显，因此在变形的初期只发生夹杂物的长大现象，当变形量达到60%时，基体中开始出现动态再结晶才会出现夹杂物的碎化现象。在1 200 ℃时进行压缩变形，应变在20%时已经出现明显的动态再结晶，在晶界的移动下拉长的MnS夹杂物被分割而碎化，但是已经碎化的MnS 在后续变形的过程中会继续发生长大现象，因为高温时合金元素的扩散速度较快，MnS 的Ostwald 熟化现象能够进行的比较充分[9-10]。

2.3 MnS 夹杂物相对塑性

MnS 夹杂物的相对塑性指的是在变形过程中MnS 相对于基体的变形能力，与MnS 的形貌、尺寸有重要关系，如相对塑性越大，在基体变形过程中MnS 更易变形，易于沿轧制方向伸长呈长条状，如相对塑性较小，说明MnS 的变形能力较弱，在基体变形的过程中仅轻微变形甚至保持原始形貌。因此，选择MnS 夹杂物相对塑性较小的热变形参数十分重要。

根据公式（1）计算了试样在压缩变形后统计的MnS 夹杂物的相对塑性值，并绘制了图5。从图中可知，随着变形温度或者变形量的增加，MnS 夹杂物的相对塑性逐渐降低，从1.6 降低到0.25，说明MnS 的平均长宽比逐渐降低，高温、大变形量能够降低MnS 的相对塑性值。值得注意的是，从图3（d）中可以看出，在1 200 ℃进行压缩变形时，变形量为20%和40%仍然能够保持较多数量的长宽比小于2 的MnS，当变形量为60%时，MnS 的数量大量减少，说明在较高温度且大变形量时，MnS 夹杂物发生了粗化，此时相对塑性值有些许回升。

图3 热变形参数对硫化物长宽比分布的影响Fig.3 Effect of thermal deformation parameters on the aspect ratio distribution of sulfide

图4 试验钢的真应力应变曲线Fig.4 True stress-strain curve of test steel

图5 变形参数对硫化物相对塑性的影响Fig.5 Effect of deformation parameters on relative plasticity of sulfide

高温、大变形量能够降低MnS 的相对塑性值的机理是：高温下，合金元素扩散速度快，促进了MnS的熔断和重新形核，同时大变形量引发的动态再结晶能够将拉长后的MnS 切割，促进MnS 的碎化。由于低硫易切削钢在1 000 ℃和1 100 ℃下变形的无规律性，考虑到实际轧制过程中变形温度和变形量不能精准控制，应当避免在1 000～1 100 ℃下进行轧制，选择低温大变形量或者高温小变形量较为合适。