溫度制度對(duì)齒輪鋼帶狀組織的影響

呂霞，毛建強(qiáng)，范黎明，袁淑君，杜國(guó)強(qiáng)

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271104）

溫度制度對(duì)齒輪鋼帶狀組織的影響

呂霞，毛建強(qiáng)，范黎明，袁淑君，杜國(guó)強(qiáng)

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 萊蕪 271104）

結(jié)合20CrMnTiH鋼生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際的溫度控制情況，分析了軋制工藝對(duì)帶狀組織的影響。綜合考慮組織與性能，不宜采用高的加熱溫度來(lái)控制帶狀組織；最佳的終軋溫度應(yīng)該在950～1 000℃；軋后冷卻速度的增加，帶狀組織級(jí)別減小。萊鋼通過(guò)降低加熱溫度、控制終軋溫度及軋后冷卻速度等措施，將20CrMnTiH帶狀組織控制在2.0級(jí)以下。

齒輪鋼；20CrMnTiH；帶狀組織；終軋溫度；冷卻速度

1 前言

齒輪鋼帶狀組織是內(nèi)部缺陷之一，對(duì)鋼材的性能和齒輪的加工具有不利影響。在外力作用下，帶狀組織中鐵素體比珠光體更容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致鐵素體和珠光體帶之間產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了材料的整體力學(xué)性能。萊鋼特鋼廠年產(chǎn)160萬(wàn)t軋材，其中齒輪鋼59萬(wàn)t，作為齒輪鋼主要生產(chǎn)企業(yè)之一，萊鋼特鋼廠提出將帶狀組織控制在2.0級(jí)以下的要求。為了提高齒輪鋼的產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)固和擴(kuò)展齒輪鋼方面的優(yōu)勢(shì)、滿(mǎn)足“特鋼做特”的發(fā)展要求，同時(shí)為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)做好基礎(chǔ)性工作，分析軋制工藝對(duì)帶狀組織的影響，對(duì)齒輪鋼的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，取得了較好的效果。

2 實(shí)測(cè)軋制溫度

萊鋼特鋼廠大型軋鋼車(chē)間生產(chǎn)的20CrMnTiH齒輪鋼均由特鋼第二煉鋼廠提供，鑄批規(guī)格為260 mm×300 mm；澆鑄溫度高于液相線(xiàn)溫度10～30℃；連鑄工作拉速控制在0.57 m/min；末端采用電磁攪拌。在澆鑄溫度等工藝參數(shù)相同的條件下，獲得了較理想的鑄態(tài)組織。

表1是跟蹤的部分20CrMnTiH齒輪鋼生產(chǎn)過(guò)程中的溫度控制情況。

表1 現(xiàn)場(chǎng)跟蹤記錄的生產(chǎn)過(guò)程溫度控制數(shù)據(jù)℃

從表1可以看出，開(kāi)軋溫度和終軋溫度均控制在合理范圍內(nèi)；從開(kāi)軋到終軋，溫降在150～160℃；終軋溫度較低塑性區(qū)溫度高100℃左右。圖1是抽測(cè)的終軋溫度分布情況。

從圖1可以看出，終軋溫度集中在950～1 030℃，占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的80％以上，同時(shí)，兩次抽測(cè)了下冷床溫度。由于產(chǎn)品規(guī)格不同，在冷床上冷卻的速度以及下冷床溫度有差異。第1次抽測(cè)的規(guī)格為φ 130 mm棒材，其下冷床的平均溫度為675.2℃；第2次規(guī)格為φ150 mm棒材，其下冷床的平均溫度為854.5℃。兩次抽測(cè)的溫度差別較大，具體情況還需進(jìn)一步分析。正常情況下，棒材在冷床上的停留時(shí)間為5～7 min。

圖1 萊鋼生產(chǎn)20CrMnTiH鋼終軋溫度分布情況

開(kāi)軋溫度、終軋溫度以及軋制后冷卻速度對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量、尺寸精度、淬透性以及帶狀組織等都有影響。而帶狀組織的存在使20CrMnTiH齒輪鋼的組織不均勻，對(duì)鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能造成不利影響。因此，本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，分析軋制工藝溫度對(duì)20CrMnTiH齒輪鋼帶狀組織的影響。

3 軋制工藝對(duì)帶狀組織的影響

20CrMnTiH齒輪鋼在凝固過(guò)程中產(chǎn)生直徑偏析，軋制時(shí)的變形使枝晶偏析拉長(zhǎng)，并沿著軋制方向產(chǎn)生互相平行的碳與合金元素的貧化帶和富化帶。熱軋工藝的變化對(duì)奧氏體、鐵素體晶粒及γ-α相變都會(huì)產(chǎn)生重要影響，而這些綜合影響因素直接會(huì)引起帶狀組織的變化。

3.1 加熱制度對(duì)帶狀組織的影響

就帶狀組織而言，加熱溫度、加熱時(shí)間控制不好，會(huì)使形成枝晶偏析的元素（如Mn等）、殘余碳化物擴(kuò)散不均勻，達(dá)不到理想的奧氏體均勻化，同時(shí)也不能減輕原始帶狀組織。綜合表1和圖1的數(shù)據(jù)，可以看出，開(kāi)軋溫度是影響終軋溫度的直接因素。因?yàn)槿R鋼特鋼廠大型軋鋼車(chē)間使用的是推鋼式加熱爐，加之煤氣壓力不穩(wěn)定，致使鋼坯不可避免地出現(xiàn)黑印。為了減輕黑印對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸精度以及φ650軋機(jī)電機(jī)負(fù)荷的影響，現(xiàn)場(chǎng)采取較高溫度出鋼。高的出鋼溫度雖然有利于元素?cái)U(kuò)散、降低鑄態(tài)組織中的元素偏析，從而減輕帶狀組織，但是由于容易粗化晶粒、降低軋制性能、增加生產(chǎn)成本，同時(shí)萊鋼特鋼無(wú)控冷設(shè)施，因此不宜通過(guò)提高加熱溫度和延長(zhǎng)加熱時(shí)間來(lái)控制帶狀組織。

3.2 終軋溫度的影響

終軋溫度對(duì)帶狀組織的影響是復(fù)雜的，因?yàn)榻K軋溫度對(duì)組織的轉(zhuǎn)變和晶粒度等都起著極其重要的作用。這些因素對(duì)帶狀組織起著交互作用。

熱塑性變形使奧氏體的自由能和熱力學(xué)不穩(wěn)定性因晶格畸變而升高，同時(shí)增大奧氏體向該條件下更穩(wěn)定相分解的趨勢(shì)。對(duì)于亞共析鋼，低于Ar3點(diǎn)以下，析出相是鐵素體，熱變形的作用會(huì)使奧氏體分解的臨界點(diǎn)提高，塑性變形對(duì)奧氏體固溶行為的作用可與冷卻的影響相比。由于奧氏體固溶體過(guò)飽和的結(jié)果，在溫度降至Ar3與Ar1之間時(shí)，冷卻導(dǎo)致奧氏體分解成鐵素體，與冷卻不同的是變形促使固溶到奧氏體中的原子擴(kuò)散移動(dòng)增加，即加速了奧氏體的分解。因此，凡是提高奧氏體晶格畸變的軋制參數(shù)，都促使奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)提高，即變形誘導(dǎo)γ-α轉(zhuǎn)變。終軋溫度無(wú)疑對(duì)亞共析鋼γ-α的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響。

為了探討20CrMnTiH合理的終軋溫度，首先了解該鋼種的最佳塑性區(qū)域，從中找出適合20CrMn-TiH塑性變形最合理的溫度范圍。圖2為萊鋼特鋼廠生產(chǎn)的20CrMnTiH鋼橫向斷面收縮率及抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖2 20CrMnTiH鋼橫向斷面收縮率與抗拉強(qiáng)度曲線(xiàn)

根據(jù)熱塑性曲線(xiàn)可將塑性變形過(guò)程分為3個(gè)溫度區(qū)，大致范圍為I區(qū)（1 300～1 200℃）—韌脆性轉(zhuǎn)變區(qū)；Ⅱ區(qū)（1 200～900℃）—奧氏體區(qū)，一般為最佳塑性區(qū)；Ⅲ區(qū)（900～600℃）—低塑性區(qū)，該區(qū)內(nèi)出現(xiàn)塑性最低值。從強(qiáng)度曲線(xiàn)上可觀察到強(qiáng)度隨溫度的升高連續(xù)下降的趨勢(shì)。

由圖2可見(jiàn)，在1 300～875℃，隨著溫度的降低，20CrMnTiH鋼試樣的強(qiáng)度上升緩慢；在875℃時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度僅為82 MPa；溫度低于875℃以后，試樣的強(qiáng)度迅速上升；當(dāng)溫度降到700℃時(shí)，試樣的強(qiáng)度達(dá)到186 MPa。由斷面收縮率隨溫度的變化曲線(xiàn)可知，20CrMnTiH鋼在925～1 300℃溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，試樣的斷面收縮率皆在60％以上波動(dòng)；在925～1 100℃，斷面收縮率上升迅速；在925～700℃，斷面收縮率下降較平緩。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，20CrMnTiH鋼最佳的終軋溫度應(yīng)該在950～1 000℃。在保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)又考慮軋機(jī)負(fù)荷的前提下，合理控制終軋溫度。

3.3 冷卻速度的影響

冷卻速度對(duì)帶狀組織影響的機(jī)制主要是對(duì)碳的擴(kuò)散速度的控制。當(dāng)軋后控制冷卻速率大于臨界冷卻速率時(shí)，抑制碳和其他元素的擴(kuò)散，可降低帶狀組織等級(jí)，如圖3所示，隨著冷卻速度的增加，帶狀組織級(jí)別減小或消除。

圖3 帶狀組織與冷卻速度的關(guān)系

消除帶狀組織的臨界冷卻速度VK不是一個(gè)恒定值，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)16Mn的VK得出了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：美國(guó)J.A.Eckert等人的結(jié)論為1～5℃/s[1]；捷克人認(rèn)為是40～100℃/s[2]；北京科技大學(xué)李文卿的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為4.3℃/s[3]；上海大學(xué)林大為采用試驗(yàn)條件下的外推法測(cè)得不同壓下率下的不同臨界值[4]。

現(xiàn)行連軋終軋溫度控制在950～1 070℃，范圍較大，滿(mǎn)足不了軋后控冷對(duì)終軋溫度的要求。所以，只得尋求對(duì)軋后控冷溫度的控制來(lái)彌補(bǔ)終軋溫度較高的不足。軋后控冷關(guān)鍵是控制終軋溫度、冷卻終止溫度及平衡溫度。控冷工藝使鋼材在軋后數(shù)秒時(shí)間內(nèi)急冷下來(lái)，其冷卻速度遠(yuǎn)大于臨界冷卻速度，鋼材的組織轉(zhuǎn)變是在返紅時(shí)開(kāi)始進(jìn)行的。返紅溫度高低取決于鋼材冷卻程度。冷卻強(qiáng)度小，鋼材很快返紅，返紅溫度高則鐵素體粗大；冷卻強(qiáng)度大，鋼材返紅慢，返紅溫度較低，鋼材組織越細(xì)小均勻；冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鋼材表面溫度難以回升，可能造成鋼材冷裂，達(dá)不到控冷目的。冷卻強(qiáng)度的大小取決于冷卻水的水壓、水量及終止冷卻溫度。

由圖2分析知，20CrMnTiH鋼的第Ⅲ脆性區(qū)為925～700℃。鋼材在進(jìn)精軋到上冷床這一冷卻過(guò)程中應(yīng)避開(kāi)這一溫度區(qū)域，從而避免裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于含碳量0.20％的亞共析結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō)，約從750～900℃開(kāi)始析出鐵素體。因此，鋼的終軋溫度應(yīng)高于925℃，軋后要盡快避開(kāi)925～700℃的溫度區(qū)域。終軋溫度越接近臨界溫度，晶粒越細(xì)小，一般要求終軋溫度盡可能接近奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

加熱制度控制不好，就不能消除或減輕原始帶狀組織，也會(huì)直接影響終軋溫度；終軋溫度控制不合理，就不能細(xì)化奧氏體晶粒，鐵素體晶粒隨之增大，從而不能加大其與富錳帶間距之間的差別，達(dá)不到減輕帶狀組織的目的；同時(shí)，軋后冷卻速度控制不好，就不能抑制碳在原始帶狀組織基礎(chǔ)上的長(zhǎng)距離擴(kuò)散，不能消除或減輕鐵素體和珠光體的帶狀組織，也不能控制魏氏組織缺陷。

萊鋼特鋼廠大型軋鋼車(chē)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)降低加熱溫度、控制終軋溫度及軋后冷卻速度等措施，將20CrMnTiH鋼帶狀組織控制在2.0級(jí)以下，提高了齒輪鋼的產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]Eckert J.A.Howell P.R.Banding and the nature of large,irregular pearlite nodules in a hot-rolled lowalloy plate steel[J].Journal of Materials Science，1993，28（16）：4 412-4 419.

[2]Anon.Effect of Pearlit Banding on Mechanical Properties of Hot-rolled Steel Plates[J].ISIJ International,1991，31（12）：1 445-1 446.

[3]李文卿.控制軋制和控制冷卻對(duì)16Mn鋼板帶狀組織的影響[J].物理測(cè)試，1990（4）：23-26.

[4]林大為.消除鋼鐵16Mn鋼板帶狀組織的臨界冷卻速度的測(cè)定與計(jì)算[J].鋼鐵，2000，35（7）：40-43.

Influence of Temperature System on the Zone Structure of Gear Steel

Lü Xia,MAO Jian-qiang,FAN Li-ming,YUAN Shu-jun,DU Guo-qiang
（The Technology Center of Laiwu Iron and Steel Group Corporation,Laiwu 271104,China）

Combining with practical control temperatures in the production course of 20CrMnTiH steel,this article analyzed the influences of rolling process on the zone structure.Integrating the microstructure and the properties,it was inadvisable to control the zone structure by high heating temperature.The best finishing temperature should be between 950℃and 1 000℃.With the increase of cooling speed after rolling,the zone structure grade decreased.Through reducing the heating temperature and controlling the finishing temperature and the cooling speed after rolling,Laiwu Steel controlled the zone structure of the 20CrMnTiH steel to No.2.0 grade below.

gear steel;20CrMnTiH;zone structure;finishing temperature;cooling speed

TG335.11

A

1004-4620（2011）04-0027-03

2010-12-14

呂霞，女，1979年生，2000年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。現(xiàn)為萊鋼技術(shù)中心工程師，從事技術(shù)管理工作。