重載齒輪鋼退火態帶狀組織控制

劉永昌，袁淑君，戈文英

（1山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南250100；2山鋼股份萊蕪分公司，山東 濟南271104）

1 前 言

對于齒輪鋼而言，帶狀組織是一種很嚴重的內部缺陷，對齒輪鋼的性能和加工、熱處理等帶來嚴重的影響:破壞了鋼基體的連續性，使鋼的力學性能出現各向異性，降低了橫向性能；惡化了鋼的切削性能，使齒輪表面光潔度降低；導致齒輪滲碳硬度不均勻、淬火變形不均勻，影響齒輪的使用壽命［1］。

萊鋼生產齒輪鋼歷史悠久，年生產量近50萬t。萊鋼齒輪鋼帶狀組織在熱軋態下一般控制在2.5級以下，可滿足大部分用戶使用要求。但隨著下游重載汽車齒輪生產廠家對鋼的帶狀組織日益嚴格的要求，且引入退火態帶狀組織的檢驗要求，萊鋼現帶狀組織控制水平無法滿足此項要求。因此針對重載汽車齒輪生產廠家要求退火態帶狀組織≤2.5級的要求，萊鋼開展了齒輪鋼退火態帶狀組織工藝控制研究工作。

2 帶狀組織簡介

帶狀組織是指在熱軋低碳結構鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列，形成層狀或條帶狀分布的鐵素體晶粒與珠光體晶粒［2］。鋼的帶狀組織檢驗通用標準為GB/T 13299《鋼的顯微組織評定方法》，其根據帶狀鐵素體數量增加，并考慮帶狀貫穿視場的程度、連續性和變形鐵素體晶粒多少的原則進行評定。

形成帶狀組織的直接原因是元素偏析:由于各合金元素的擴散速度不一致，在鑄坯凝固過程中產生枝晶偏析，導致鋼中枝晶和枝干部分Ar3溫度不一致，進而先共析鐵素體形核時間與速率不同；冷卻過程中，Ar3溫度較高的區域優先析出鐵素體，隨著溫度的下降，此區域的碳元素向Ar3溫度較低區域富集，最終此區域轉變為珠光體，從而形成鐵素體-珠光體帶狀組織［3-4］。

采用不同的熱處理手段可以改變帶狀組織級別，這主要是通過控制冷卻速度來進行改善或惡化的。對熱軋圓鋼進行退火處理，其冷卻速度較慢，在先共析鐵素體轉變區域停留時間過長，先共析鐵素體得到充分的析出長大，因此帶狀組織變得更加嚴重［5］。從萊鋼同一爐鋼材在熱軋態、退火態下帶狀組織檢驗情況（見圖1）可看出，退火態帶狀組織相較熱軋態下將提高1.0～2.5級左右，退火態帶狀組織嚴重時可達5.0級。

重載汽車齒輪與普通齒輪相比，需承受更高的抗彎強度、接觸疲勞強度，要求更高的耐磨性，從而要求所使用的齒輪鋼淬透性更高、韌性更好，因此一般為CrMo、CrNiMo系齒輪鋼。此類鋼種在熱軋態下，其組織一般為鐵素體+珠光體+貝氏體非平衡組織；而在退火態下，其組織成為鐵素體+珠光體平衡組織，因此檢驗此類鋼種在退火狀態下的帶狀組織是比較合理的。

3 生產工藝改進

針對CrMo、CrNiMo系重載齒輪鋼退火態帶狀組織≤2.5級的控制目標要求，在前期理論研究工作的基礎上，萊鋼通過成分優化設計、連鑄工藝優化、軋制工藝優化3個方面對生產工藝進行了調整。以22CrMoH齒輪鋼為例，具體如下。

3.1 成分優化設計

對于22CrMoH齒輪鋼，其主要合金元素Si、Mn、Cr、Mo均會發生微觀偏析，其中Si、Mo為提高Ar3溫度元素，Mn、Cr為降低Ar3溫度元素，因此通過合理設計上述4個元素的含量，使其對Ar3溫度的影響相互抵消，從而減輕鋼中不同區域Ar3溫度差，可以改善帶狀組織。同時，結合后續退火工藝冷速慢的特點，可適當增加Si、Mo元素（提高Ar3溫度的元素）含量，也可改善帶狀組織。會形成加重偏析的P、S有害元素，盡量往低水平控制。結合各元素對鋼種淬透性的影響，對主要元素含量進行合理優化設計，具體優化情況見表1。

圖1 不同狀態下帶狀組織100×

表1 22CrMoH齒輪鋼內控成分%

3.2 連鑄工藝優化

控制好鑄坯的枝晶偏析和促進合金元素的均勻化是減輕帶狀組織的有利手段。連鑄工序中，需先控制好鑄坯疏松、裂紋等宏觀缺陷，再獲得細小、致密的凝固組織可促使合金元素的均勻分布。即可采用低過熱度澆注、“三恒”操作、加大末端電磁攪拌強度以及合理設置二冷參數等控制手段來達到改善帶狀組織的目的。優化后連鑄主要工藝參數見表2。

表2 連鑄工藝參數

同時優化生產組織，對于每一澆次前兩爐非穩態澆注的爐次不能用于生產對退火態帶狀組織要求嚴格的品種。杜絕鑄坯熱裝熱送，應采用冷裝冷送工藝，即鑄坯需入坑緩冷后，再進行軋制生產。這是因為鑄坯溫降至室溫過程中，奧氏體組織發生相變，生成鐵素體和珠光體等組織；相變時，鐵素體和珠光體等組織形核長大，并伴隨著元素的擴散。相變發生后，顯微組織細化，元素偏析減小，因此鑄坯采用冷裝冷送工藝可以降低鋼材上帶狀組織等級。

3.3 軋制工藝優化

合理的軋制工藝將有效地抑制帶狀組織的形成，尤其加熱制度、開軋溫度、變形量以及冷卻速度等參數影響較大。結合萊鋼軋線配置、軋機能力以及冷卻能力，為改善退火態帶狀組織，重點從優化加熱制度方面著手研究。適當提高加熱溫度和延長高溫段保溫時間，使鑄坯中元素擴散更加充分、均勻，可以達到改善帶狀組織的作用。同時通過較長時間加熱可以使鋼中奧氏體晶粒長大，使鐵素體形核核心減少，也可以達到改善帶狀組織的作用。加熱制度優化前后情況見表3。

表3 加熱制度

4 生產情況

4.1 小批量試制情況

結合上述優化措施，組織生產了一澆次共8爐22CrMoH齒輪鋼，鑄坯坯型為Φ500 mm，其中后6爐判定為要求退火態帶狀組織的22CrMoH齒輪鋼；成材規格為Φ120～150 mm。其實物化學成分見表4，淬透性以及退火態帶狀組織檢驗情況見表5，退火態帶狀組織檢驗圖見圖2。

表4 實物化學成分%

圖2 退火態帶狀組織

表5 淬透性及退火態帶狀組織

從表5可以看出，此小批量試制的22CrMoH齒輪鋼退火態帶狀組織控制在1.0～2.0級水平，滿足標準要求；同時其淬透性值J15均滿足標準要求，表明適當的成分優化調整未影響到鋼的淬透性性能。因此可以判定本次工藝優化調整對改善退火態帶狀組織是可行的、有利的。

4.2 批量生產情況

對后續生產的90余爐次22CrMoH齒輪鋼檢驗情況進行分析，見圖3。

圖3 帶狀組織控制情況

從圖3可以看出，共92爐次齒輪鋼中退火態帶狀組織控制在1.0級的有10爐，1.5級的有54爐，2.0級的有28爐，均控制在2.5級以下。

5 結語

針對CrMo、CrNiMo系重載齒輪鋼原先退火態帶狀組織控制在3.0～5.0級的情況，萊鋼通過成分優化設計、連鑄工藝優化（低過熱度澆注、“三恒”操作、鑄坯冷裝冷送）、軋制工藝優化（提高加熱溫度、延長加熱時間）等工藝優化措施的實施，較好的改善了鑄坯及鋼材成分和組織的均勻性，退火態帶狀組織穩定控制在2.5級以下水平，滿足了技術要求。