試驗分析了 18CrNiMo、19CN5 和 20CrMnTiH3 三種低碳齒輪鋼在熱軋、完全退火、等溫正火工藝處理后的顯微組織以及使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991的帶狀檢驗評級情況。結(jié)果顯示低碳齒輪鋼在不同熱處理制度下的帶狀組織存在明顯差異。熱軋態(tài)下，18CrNiMo、19CN5 和20CrMnTiH3含較多貝氏體，使用GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 均難以評定帶狀組織；經(jīng)等溫正火處理后20CrMnTiH3 屬于平衡態(tài)組織，用GB/T 34474.1—2017 和GB/T 13299—1991 都可完成帶狀組織評定，18CrNiMo、19CN5 存在少量馬氏體，與 GB/T 13299—1991 要求的平衡態(tài)組織不相符，但是馬氏體較少，可在 GB/T 34474.1—2017 標準下評定；經(jīng)完全退火處理后三者都屬于平衡態(tài)組織，使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991都可完成帶狀組織評定；完全退火與等溫正火處理后鋼材的帶狀級別存在明顯差別。

齒輪鋼是汽車、鐵路、船舶、工程機械中使用特殊合金鋼中要求較高的關(guān)鍵材料之一，是保證安全的核心部件的制造材料。因其工作場合通常較為復(fù)雜，對力學(xué)性能要求特別高，凡是影響其力學(xué)性能的因素都必須予以消除，而帶狀組織使鋼的力學(xué)性能具有方向性，使鋼的橫向范性和韌性降低，切削性能變壞，表面加工的光潔度降低。因此，帶狀組織是齒輪鋼產(chǎn)品重要的生產(chǎn)檢驗項目。

目前齒輪鋼帶狀組織檢驗工作涉及到的主要檢驗標準包括 GB/T 13299—1991 和 GB?T 34474.1—2017；其中 GB/T 13299—1991 要求試樣組織為珠光體鐵素體組織，即應(yīng)在平衡組織狀態(tài)下對帶狀進行評定；GB?T 34474.1—2017 允許試樣組織中出現(xiàn)貝氏體等其他非平衡組織，但亦規(guī)定“當組織中出現(xiàn)較多的非平衡組織時，不充分反映合金元素的偏析”，因此該標準建議“使用評級標準圖譜評定時，應(yīng)控制非平衡組織含量，要求貝氏體含量小于 30%”。目前在實際生產(chǎn)中，因含有 Cr、Ni、Mo 等多種合金元素成分，經(jīng)連續(xù)冷卻后極易形成貝氏體組織，常出現(xiàn)因貝氏體組織含量不合標準給檢驗工作帶來一定難度。

因此，制定合適的熱處理工藝，形成規(guī)范文件加以固化，對熱軋態(tài)生產(chǎn)來樣進行準確的熱處理，可消除或降低貝氏體等異常組織的形成，保證產(chǎn)品組織狀態(tài)符合檢驗標準，在目前的生產(chǎn)檢驗工作中具有實際意義。 

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試驗材料和方法

試驗鋼的化學(xué)成分如表 1 所示，試料均取自 Ф65mm 熱軋圓鋼的 1/2 半徑處，試料尺寸為 18mm×18mm×15mm。每個樣品取 3 試樣，分別按照熱軋狀態(tài)、完全退火狀態(tài)、等溫正火狀態(tài)處理，熱處理工藝如圖 1 所示，加熱設(shè)備為 SX2-8-12 型號的箱式電阻爐對 9 塊樣品用 4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在 100 倍下分別分別按照 GB/T 13299—1991 和 GB?T 34474.1—2017 完成帶狀組織評級。

表 1 試驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

圖 1 試驗材料的熱處理工藝曲線 

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試驗結(jié)果及分析

熱軋狀態(tài)的帶狀組織

熱軋狀態(tài)下，試樣的顯微組織如圖 2 所示。18CrNiMo 鋼組織為貝氏體+珠光體+少量鐵素體；19CN5 鋼為貝氏體+鐵素體+少量珠光體組織；20CrMnTiH3 鋼為鐵素體+珠光體+貝氏體組織，三者均生成較多的貝氏體組織。

圖 2 三種試驗齒輪鋼熱軋態(tài)帶狀組織 100 倍

考慮到 GB/T 13299—1991 要求試樣組織為珠光體鐵素體組織，即應(yīng)在平衡組織狀態(tài)下對帶狀進行評定；GB?T 34474.1—2017 允許試樣組織中出現(xiàn)貝氏體等其他非平衡組織，但亦規(guī)定“當組織中出現(xiàn)較多的非平衡組織時，不充分反映合金元素的偏析”，該標準規(guī)定“使用評級標準圖譜評定時，應(yīng)控制非平衡組織含量，要求貝氏體含量小于30%”。因此熱軋狀態(tài)的 18CrNiMo、19CN5 和 20CrMnTiH3 三種低碳齒輪鋼無論使用 GB/T 13299—1991 還是 GB?T 34474.1—2017 評定帶狀組織，都存在一定難度。

等溫正火處理后的帶狀組織

為解決該生產(chǎn)檢驗問題，根據(jù)經(jīng)驗和查閱資料，現(xiàn)采用等溫正火處理的方式對三種低碳齒輪鋼進行處理，將三種試樣奧氏體溫度定位 920℃，等溫轉(zhuǎn)變溫度設(shè)為 650℃，使過冷奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成“珠光體+鐵素體”。最終在“920℃保溫時間 40min，轉(zhuǎn) 650℃保溫時間 60min，空冷”等溫正火工藝處理后，三種牌號試樣的帶狀組織如圖 3 所示。

圖 3 三種試驗齒輪等溫正火態(tài)帶狀組織 100 倍

經(jīng)等溫正火處理后，20CrMnTiH3 屬于平衡態(tài)組織，呈現(xiàn)清晰的鐵素體+珠光體組織，使用 GB/T 34474.1 —2017 和 GB/T 13299—1991 都滿足標準，可完成帶狀組織評定，評定結(jié)果無差別，為 1.5 級。但18CrNiMo、19CN5 存在少量馬氏體，與 GB/T 13299—1991 要求的平衡態(tài)組織不相符，但是馬氏體較少，可在 GB/T 34474.1—2017 標準下評定，18CrNiMo 帶狀組織評級為 2.5 級；19CN5 帶狀組織評級為 1.5 級。

完全退火處理后的帶狀組織

完全退火狀態(tài)下，試樣的帶狀組織如圖 4 所示。三者均為清晰的鐵素體+珠光體條帶，使用 GB/T 34474.1 —2017 和 GB/T 13299—1991 都滿足標準規(guī)定的組織狀態(tài)，18CrNiMo、19CN5 均分布著至少 3 條貫穿檢驗視場的連續(xù)交替的鐵素體一珠光體帶，其中 18CrNiMo 帶狀較寬，帶狀組織評級為 3.5 級，19CN5 帶狀組織評級為 3.0 級；20CrMnTiH3 鋼組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織評級為 2.5 級。相比等溫正火狀態(tài)，鐵素體條帶寬度明顯增加，帶狀組織級別亦有所增高。

圖 4 三種試驗齒輪完全退火態(tài)帶狀組織 100 倍

分析討論  

鋼材帶狀組織的形成機理，研究者的觀點基本一致，認為“帶狀組織”是反映合金元素偏析情況的重要指標，通常包括一次帶狀組織和二次帶狀組織。一次帶狀組織為原始帶狀，是由鋼液澆鑄時產(chǎn)生的枝晶偏析造成的；二次帶狀組織是在一次帶狀的基礎(chǔ)上，進行軋制或熱處理過程中，由于合金元素的偏析，造成相變點 Ac3在偏析區(qū)域的不同，A_c3高處，先析出鐵素體，并將碳向兩側(cè)排出，兩側(cè)的碳含量升高，A_c3降低，更不易析出鐵素體，當冷卻溫度達到 A_c1時，生成珠光體，最終在熱處理結(jié)束后先共析鐵素體帶和珠光體帶彼此堆疊的帶狀組織。 

通過對比不同熱處理狀態(tài)下的帶狀組織評級結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等溫正火處理后，20CrMnTiH3 屬于平衡態(tài)組織，呈現(xiàn)清晰的鐵素體+珠光體組織，使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 都滿足標準，可完成帶狀組織評定。但18CrNiMo、19CN5 因存在含量較高的 Ni、Mo，過冷奧氏體穩(wěn)定性增大，奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變的孕育期加長，而貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期縮短，C 曲線右移的同時形狀也發(fā)生變化，出現(xiàn)兩個鼻子，在低冷卻速度下也容易形成貝氏體組織，其淬透性更強，高溫擴散階段未充分轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體等第二類組織。因此，18CrNiMo、19CN5 系低碳齒輪鋼無法通過等溫正火來徹底消除組織中的第二類組織。

完全退火處理后鋼中的貝氏體組織已完全消除，呈現(xiàn)清晰的鐵素體+珠光體條帶，但鐵素體帶的寬度明顯增加。在 GB/T 13299—1991 中并沒用將鐵素體條帶寬度作為帶狀級別評價準則，但在一些齒輪行業(yè)標準中，鐵素體條帶寬度是帶狀組織評級的重要量化指標。三種試驗鋼完全退火后其帶狀級別均比等溫正火處理后的樣品明顯偏高。這是因為在完全退火處理時，冷卻速度慢，試料在先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)域停留的時間過長，先共析鐵素體得以充分的析出長大，形成較為嚴重的帶狀組織。而正火及等溫正火處理時，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度很快，抑制了先共析鐵素體的析出導(dǎo)致的。 

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結(jié)論

（1）不同熱處理狀態(tài)下的低碳齒輪鋼帶狀組織存在明顯差異。對于熱軋狀態(tài)下的低碳齒輪鋼，可通過規(guī)定的熱處理工藝來保證組織狀態(tài)，滿足標準的檢驗需求。 

（2）等溫正火處理可以有效消除 20CrMnTiH3 系低碳齒輪鋼中的貝氏體等非平衡態(tài)組織，但無法徹底消除含 Ni、Mo 較高的 18CrNiMo、19CN5 系低碳齒輪鋼，應(yīng)進行完全退火處理消除其貝氏體等非平衡態(tài)組織。 

（3）完全退火與等溫正火處理后鋼材的帶狀級別存在明顯差別，完全退火處理后的樣品帶狀組織評級較等溫正火處理偏高。因此制定生產(chǎn)檢驗工藝時，應(yīng)保證在客戶協(xié)商的狀態(tài)下共同約定熱處理工藝。 

（4）GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 對于組織級別評定結(jié)果基本一致，但 GB/T 34474 對于第二類組織種類約束較松，允許不超過30%的第二類組織，對于 18CrNiMo、19CN5 系低碳齒輪鋼，可協(xié)議規(guī)定 GB/T 34474.1—2017 進行帶狀組織評級。

文章來源材料熱處理工程師