18CrNiMo7-6鋼齒輪組織性能異常分析

張 寧， 高 星， 王芝林， 蔣 波， 劉雅政

(1. 北京科技大學 材料科學與工程學院， 北京 100083； 2. 西寧特殊鋼股份有限公司， 青海 西寧 810005)

齒輪是實現機械設備相交軸運動傳遞的關鍵零件之一，廣泛應用于航空航天、汽車生產、采礦、起重運輸設備中。由于其服役條件苛刻，要求其具有良好的心部韌性和高的表面硬度，以確保其壽命和安全性。德國DIN標準的18CrNiMo7-6鋼作為生產齒輪材料的低碳高合金滲碳鋼，具有高強度、高韌性和高淬透性的特點，是一種具有優良綜合性能的表面硬化鋼[1]。該鋼種生產的齒輪能夠很好地滿足在惡劣環境下的工作要求，制造成本較低，并且擁有較長的使用壽命，逐漸代替了過去機械設備中常使用的20CrMnTi齒輪鋼[2-3]。

18CrNiMo7-6齒輪鋼生產工藝主要包括齒輪鋼冶煉、加熱及軋制3個階段，生產出齒輪鋼棒材還要經過下料鍛造、等溫正火、車削、銑齒等一系列的熱處理和機加工工序。18CrNiM07-6鋼連續冷卻后極易得到貝氏體組織，由于貝氏體的存在使硬度較高，不利于切削加工和后續滲碳淬火處理[4]。在18CrNiMo7-6齒輪鋼生產的機加工過程中若存在難加工的情況，不僅影響工藝進度，造成打刀，還提高生產成本，18CrNiMo7-6齒輪鋼生產的機加工存在難加工的情況往往與組織性能異常有關。本研究針對18CrNiMo7-6鋼生產的齒輪在銑齒過程中出現難加工的情況，對其組織、成分進行分析，探究該齒輪鋼組織性能異常的具體原因，提出建議以避免18CrNiMo7-6鋼生產的齒輪因組織性能異常而出現難加工情況。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某企業用18CrNiMo7-6齒輪鋼實際生產出的螺旋錐齒輪試樣和齒輪生產用原始軋材(直徑φ180 mm)，其化學成分見表1。參考德國DIN標準中18CrNiMo7-6鋼的化學成分要求，試驗所用18CrNiMo7-6鋼化學成分符合標準要求。螺旋錐齒輪生產流程：下料鍛造→等溫正火→車削加工→面錐粗銑齒(→精銑齒→滲碳淬火)，在進行面錐粗銑齒時，齒根部位出現難加工，存在加工困難和打刀的情況。產品等溫正火工藝：加熱溫度940 ℃，保溫時間4 h；等溫630 ℃，保溫時間2.5 h。等溫后對同一個產品的不同位置進行硬度檢驗，分別為169、172、170、171、174 HBW，均超過160 HBW的要求，硬度偏高。

表1 18CrNiMo7-6鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

齒輪產品顯微組織及成分分析。缺陷齒輪試樣經研磨拋光后，用硝酸酒精進行侵蝕，利用Zeiss Scope A1光學顯微鏡(OM)對齒輪①～④部位的顯微組織進行觀察分析，用ULTRA 55場發射掃描電鏡(FESEM)對①號和④號部位觀察(見圖1(a))，用JXA8230電子探針(EPMA)對齒輪組織中元素分布進行分析。

圖1 取樣部位示意圖(a)齒輪取樣；(b)原始軋材取樣Fig.1 Schematic diagram of sampling locations(a) gear sampling; (b) original rolling material sampling

齒輪生產用原始軋材顯微組織及成分分析。對原始軋材表面、1/2半徑以及心部取樣，經研磨拋光、硝酸酒精侵蝕后，利用Zeiss Scope A1光學顯微鏡(OM)以及JXA8230電子探針(EPMA)對原始軋材不同部位的顯微組織以及元素分布進行觀察分析。原始軋材不同取樣部位如圖1(b)所示。

材料特性計算。在對試樣顯微組織及內部元素的偏析情況進行觀察之后，還需要進一步分析驗證不同元素的偏析情況對鋼材性能所造成的影響。用JMatPro軟件對偏析元素進行模擬計算，通過改變各偏析元素在鋼材中的含量探究其對貝氏體組織相變規律的影響，從而找到對形成貝氏體組織影響產生強烈作用的合金元素。

2 試驗結果及分析

2.1 齒輪組織與成分分析

2.1.1 齒輪顯微組織分析

圖2為齒輪試樣①～④號部位的OM顯微組織，圖3是齒輪試樣①號和④號部位的FESEM顯微組織。從圖2(a～c)可以看出，在①～③號部位，齒輪內部的顯微組織主要由鐵素體、珠光體和貝氏體組成，在少量部位還存在馬氏體組織，見圖3(b)。在齒頂部位，顯微組織主要由鐵素體、珠光體組成，如圖2(d)和圖3(c) 所示。各組織在齒輪內部的分布非常不均勻，存在著大塊聚集的現象，甚至還表現出一定的帶狀。隨著觀察位置由①→④變化，即試樣位置由齒輪齒根處向齒頂處移動，顯微組織中貝氏體逐漸減少，各組織也逐漸變細。當所觀察的部位移動到齒頂處位置時，已經觀察不到貝氏體。

圖2 齒輪試樣不同位置的光學顯微組織(a)①號位置；(b)②號位置；(c)③號位置；(d)④號位置Fig.2 Optical microstructure of the gear specimen at different positions(a) No.1 position; (b) No.2 position; (c) No.3 position; (d) No.4 position

圖3 齒輪試樣不同位置的場發射掃描電鏡顯微組織(a,b)①號位置；(c)④號位置Fig.3 FESEM microstructure of the gear specimen at different positions(a,b) No.1 position; (c) No.4 position

齒輪的齒根位置存在的貝氏體組織導致硬度大幅度提高，從而造成難加工的問題。齒根位置形成貝氏體的原因通常從熱處理冷卻速率以及材料內部元素偏析這兩方面進行考慮[5]。正火冷卻速度較小時，組織為典型的先共析鐵素體+珠光體；冷卻速度較大時，為典型的貝氏體組織[6-7]。在齒輪熱處理過程中，齒輪頂部冷卻速率較大，而根部冷卻速率較小，因此應該在齒輪頂部更容易形成貝氏體組織；而試樣中所觀察到的貝氏體組織卻存在于齒輪的根部位置，頂部反而沒有觀察到貝氏體組織。這與常規正火后所形成的組織情況相反，并且在齒輪內部還觀察到了一定的帶狀組織，故可排除熱處理過程中冷卻速率對貝氏體形成的影響，應考慮齒輪試樣本身是否存在元素偏析的問題。

2.1.2 齒輪組織EPMA電子探針元素分析

圖4為齒輪試樣顯微組織的EMPA電子探針結果，由圖4可以看出，貝氏體區域與其它部位相比，各元素都出現了不同程度的波動，C、Mn、Cr的波動較為明顯。因此可以判斷在貝氏體區域內存在較為明顯的C、Mn、Cr元素偏析現象，其它元素也存在著一定的偏析，但其偏析程度不如C、Mn、Cr元素明顯。已有大量的研究表明，C、Mn能夠顯著地提高奧氏體穩定性，從而導致鋼材的淬透性增加，齒輪根部更容易產生貝氏體或馬氏體組織；Mn可以減小冷卻時的臨界速率，使鋼在較小的冷卻速率下獲得更多的貝氏體[8-11]。齒輪根部的貝氏體致使硬度大幅提高，所以在后續的機加工過程中存在難加工的問題。

圖4 齒輪內部貝氏體區域的電子探針線掃描Fig.4 EPMA line scan of the bainite area inside the gear

2.2 齒輪原始軋材組織與成分分析

2.2.1 軋材顯微組織分析

對生產齒輪所用直徑φ180 mm的原始軋材的顯微組織進行觀察分析，進一步判斷原始軋材的偏析情況，以驗證分析結果。圖5為原始軋材試樣OM顯微組織。從圖5可看出，原始軋材邊部以及1/2半徑處的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成，軋材心部由珠光體、鐵素體和貝氏體組成。軋材不同部位處的組織分布不均勻，邊部組織與心部組織之間存在著比較大的粗細差異，心部組織明顯比邊部組織粗。大塊的珠光體與鐵素體表現出聚集的狀態，并且在軋材的不同部位均存在明顯的帶狀組織，如圖5(b)中不同部位均可看見明顯的帶狀組織，經檢驗，帶狀組織評級均在3級及以上。帶狀組織是影響齒輪鋼內在質量的主要因素之一，元素偏析是產生帶狀組織的重要原因[12-13]。

圖5 軋材試樣不同位置的OM圖(a)橫向；(b)軋向Fig.5 OM images of the rolling material specimens at different positions(a) cross direction; (b) rolling direction

2.2.2 軋材組織EPMA電子探針元素分析

圖6為軋材心部顯微組織EPMA電子探針的線掃描元素分析結果。由圖6可以看出，軋材心部所觀察到帶狀組織中存在明顯的元素偏析現象。特別是C、Mn、Cr在帶狀組織中的含量差異比較明顯，珠光體帶中合金元素與C的含量較高，而鐵素體帶中合金元素與C的含量較低，貝氏體帶中的C與合金元素含量均高于其它組織中的含量。研究發現C、Mn的帶狀偏聚是產生帶狀組織的主要原因[14-15]。對原始軋材的觀察結果顯示，原始軋材存在組織粗細不均，帶狀組織，成分偏析嚴重等問題。因此，在后續加工過程中，將會使生產的齒輪組織不均勻，有帶狀組織，偏析嚴重。

圖6 軋材試樣心部電子探針線掃描Fig.6 EPMA line scan of the core of rolling material specimen

2.3 JmatPro偏析元素的模擬

根據齒輪取樣組織所觀察到的偏析情況，利用材料基本特性軟件JMatPro，分析偏析較為明顯的C、Mn、Cr成分含量的變化在18CrNiMo7-6鋼冷卻過程中對相變組織的影響。圖7為JMatPro計算出的C含量不同的18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線。由圖7(a，b)可知，C含量增加降低了貝氏體的臨界轉變速率，C含量從0.15%增加到0.21%時，貝氏體的臨界轉變速率從0.04 ℃/s 降到0.03 ℃/s；隨C含量增加，貝氏體轉變的溫度范圍也逐漸擴大，例如在0.1 ℃/s的冷速下，wC=0.15%時，貝氏體轉變開始到結束的溫度差為17 ℃，而wC=0.21%時達到29 ℃。

圖7 不同C含量18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線Fig.7 CCT curves of the 18CrNiMo7-6 steel with different C contents(a) wC=0.15%; (b) wC=0.21%

圖8和圖9分別為JMatPro計算出的Mn、Cr含量不同的18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線。可以看出，隨著Mn和Cr含量的增加，貝氏體轉變的溫度范圍逐漸擴大。在0.1 ℃/s的冷速下，Mn含量從0.5%增加到0.8%，貝氏體轉變開始到結束的溫差從27 ℃ 擴大到37 ℃；Cr含量從1.5%增加到1.8%，貝氏體轉變開始到結束的溫差從15 ℃擴大到30 ℃。貝氏體轉變的臨界冷速也隨Mn和Cr含量的增加而降低，含量同樣增加了0.3%，Mn使貝氏體轉變的臨界冷速從0.04 ℃/s降低到0.03 ℃/s，Cr使貝氏體轉變的臨界冷速從0.05 ℃/s降低到0.03 ℃/s。合金元素Mn、Cr、Ni互相結合能有效促進貝氏體轉變進行，使鋼在較寬冷速范圍內得到貝氏體[16]。上述計算結果表明，除C外，合金元素Mn、Cr對貝氏體相變的影響較為顯著，其中Cr的影響最為強烈。

圖8 不同Mn含量18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線Fig.8 CCT curves of the 18CrNiMo7-6 steel with different Mn contents(a) wMn=0.5%; (b) wMn=0.8%

圖9 不同Cr含量18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線Fig.9 CCT curves of the 18CrNiMo7-6 steel with different Cr contents(a) wCr=1.5%; (b) wCr=1.8%

圖10(a)為各元素含量控制在標準下限的18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線，圖10(b)為主要偏析元素含量增加50%后的18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線。由圖10可以看出，隨著C與各合金元素含量的增加，貝氏體轉變的臨界冷速明顯降低，溫度范圍明顯擴大。當C與合金偏析元素含量增加50%左右時，貝氏體轉變的臨界冷速從0.1 ℃/s降低為0.02 ℃/s；具有低合金元素含量的18CrNiMo7-6鋼在1 ℃/s冷速下貝氏體轉變開始到結束的溫差只有37 ℃，然而C與各合金元素的含量增加50%后，在0.1 ℃/s冷速下，貝氏體轉變開始到結束的溫差已達到49 ℃。合金元素含量的增加擴大了形成貝氏體所需的溫度范圍，使得貝氏體轉變區范圍增加，并降低了貝氏體轉變的臨界冷卻速率，使鋼材在冷卻過程中更容易產生貝氏體組織。這也驗證了在原始軋材中存在的化學成分偏析現象，最終會導致生產出的齒輪偏析部位貝氏體硬相的出現。為了消除貝氏體硬相，改善加工性能，應合理控制鋼中C與合金元素含量，特別是Cr和Mn，盡可能地控制在標準下限。

圖10 18CrNiMo7-6鋼的CCT曲線(a)元素含量控制在標準下限；(b)C及合金元素含量增加50%Fig.10 CCT curves of the 18CrNiMo7-6 steel(a) element content controlled at the standard lower limit; (b) C and alloying element content increased by 50%

3 結論

1) 齒輪取樣部位的顯微組織主要由鐵素體、珠光體組成；在齒輪的齒根部位有貝氏體，少量部位還存在馬氏體，在齒頂部位無貝氏體。齒輪試樣內部存在元素分布不均、偏析現象嚴重的問題，特別是C、Mn、Cr的元素偏析。生產齒輪用原始軋材不同部位的組織分布不均勻，邊部與心部組織粗細差異較大，不同部位均存在明顯的帶狀組織，心部甚至發現貝氏體，且心部的帶狀組織存在明顯的C、Mn、Cr元素偏析現象。

2) 18CrNiMo7-6鋼中C與合金元素含量增加，貝氏體轉變的溫度范圍擴大，臨界冷速也有所降低，使鋼能夠在較低的冷卻速率下產生貝氏體組織，合金元素中Cr、Mn對貝氏體轉變的影響效果最為顯著。當C與合金元素Mn、Cr的含量同時增加50%左右時，貝氏體轉變的臨界冷速由0.1 ℃/s降低為0.02 ℃/s，0.1 ℃/s 冷速下貝氏體轉變溫度范圍擴大到49 ℃。

3) 18CrNiMo7-6鋼生產的齒輪具有明顯的組織性能異常現象，齒根位置出現大量貝氏體致使硬度過高，貝氏體的出現與原始軋材中顯微組織粗細不均勻、帶狀組織以及成分偏析嚴重有關。為了消除貝氏體硬相，改善加工性能，應改善軋材組織均勻性以及偏析的問題，合理控制鋼中C與合金元素含量，特別是Cr和Mn，盡量控制在標準下限以減少貝氏體的形成。