（冶金工程专业论文）汽车齿轮钢带状组织研究.pdf

摘要 综述了国内外关于带状组织的研究成果，以汽车工业中关键材料汽 车齿轮钢为研究对象，针对尚需进一步研究的问题，从冶炼、n l n 、热 处理三个方面开展了试验工作，较深入的考察了冶炼铸锭方法、终轧温 度、冷却速度、高温奥氏体化后的冷却方式等工艺参数对铁索体一珠光体 带状组织的影响。 为细致考察汽车齿轮钢一次带状组织成因，分析了电炉模铸、电炉 连铸、电渣重熔、再结晶区轧制、控制终轧温度及冷却速度的诸多工艺 参数对带状组织影响的变化规律；通过不同的热处理制度试验，得出了 二次带状组织的产生与严重程度是钢材奥氏体化后冷却过程中的相变产 物的结论；在已有的偏析、扩散和相变原理理论的基础上，解释了降低 终轧温度年n ；o h 大冷却速度导致减轻带状程度的条件；指出了按c b t 1 3 2 9 9 1 9 9 1 标准的图谱比较法对汽车齿轮钢进行带状组织显微评定的 诸多不适应之处及后续的研究方向。 关键词：汽车齿轮钢带状组织电炉电渣重熔连铸热处理控轧控冷 显微评定 a b s t r a c t b a s e do n s u m m a r i z i n g t h eb a n d e ds t r u c t u r e r e l m e d r e s e a r c h a c h i e v e m e n t sb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rt a k e sg e a rs t e e la st h e o b j e c to fs t u d y , w h i c hi sak i n do fk e ym a t e r i a li na u t o m o b i l ei n d u s t r y t e s t s h a v e b e e nd o n e c o v e r i n gm e l t i n g ，h o tr o l l i n g a n dh e a tt r e a t m e n t i n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d eo nt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha s m e l t i n gm e t h o d ，t e e m i n gm e t h o d ，f i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gs p e e d a n dt h e w a yo fc o o l i n g a f t e r h i g ht e m p e r a t u r e a u s t e n i z a t i o n ，o nt h e f e r r i t e p e a r l i t eb a n d e d s t r u c t u r e i no r d e rt os t u d yi n d e t a i lt h ec a u s e so ff o r m i n go fp r i m a r yb a n d e d s t r u c t u r eo fg e a rs t e e lf o ra u t o m o b i l e ，t h er e g u l a r i t i e so fi n f l u e n c eo fp r o c e s s p a r a m e t e r so nb a n d e ds t r u c t u r eh a v eb e e na n a l y z e d ，i n c l u d i n gm e l t i n gi n e l e c t r i ca r cf u r n a c e ，i n g o tc a s t i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，e l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ， r o l l i n g i nr e c r y s t a l l i z a t i o nb a n d e d ，c o n t r o lo nf i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e ， c o o l i n gs p e e d ，e t c c o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e da f t e rt e s t sw i t hd i f f e r e n t h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e st h a tt h eo c c u r r e n c eo fb a n d e ds t r u c t u r ei st h e t r a n s f o r m a t i o np r o d u c td u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s sa f t e rt h ea u s t e n i z a t i o no f s t e e l t h ed e v e l o p m e n to fb a n d e ds t r u c t u r ei sc l o s e l yr e l a t e dw i t hc o o l i n g b a s e do nt h e e x i s t i n g t h e o r i e so fs e g r e g a t i o n ，d i f f u s i o na n d p h a s e t r a n s f o r m a t i o n ，t h ep a p e re x p l a i n s t h ec o n d i t i o n st om i n i m i z eb a n d e d s t r u c t u r eb yr e d u c i n gf i n i s h r o l l i n gt e m p e r a t u r e a n dq u i c k e n i n g c o o l i n g s p e e d t h e p a p e ra l s op o i n t so u tt h a tt h e r ei si n a d a p t a b i l i t yi nr a t i n gb a n d e d s t r u c t u r eo fg e a rs t e e lf o ra u t o m o b i l ew i t h g b t13 2 9 9 - 91s t a n d a r d ， i l l u s t r a t i v ep l a t e sc o m p a r i s o nm e t h o d o r i e n t a t i o no ff u r t h e rr e s e a r c hh a s b e e nt o u c h e d k e yw o r d s ：g e a rs t e e l f o ra u t o m o b i l e ，b a n d e ds t r u c t u r e ，e l e c t r i ca r c f u r n a c e ，e l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g ，h e a tt r e a t m e n t ， t h e r m o - m e c h a n i c a lc o n t r o l l e dp r o c e s s ，r a t i n go fm i c r o s t r u c t u r e 表格清单 表2 - 1 模铸试验涉及主要设备及其参数 表2 2 连铸试验涉及主要设备及其参数 表2 3 各种电磁搅拌所能解决的质量问题 表2 - 4电磁搅拌方向对连铸坯中心碳偏析评级的影响 表2 5电磁搅拌时间对连铸坯中心碳偏析指数的影响 表2 - 6 二冷强度和电磁搅拌时间对连铸坯碳偏析指数的影响 表2 7 二冷强度和电磁搅拌时间对连铸坯低倍评级的影响 表2 - 8电渣重熔试验涉及主要设备及其参数 表2 - 92 0 c r n i 2 m o a8 0 m m 棒材沿锭身及横截面上部分元素的分布 ( w t ) 表3 1轧制线主要设备性能参数 表4 1 热处理试验钢种、规格清单 表4 2 热处理试验钢种的主要化学成分 表4 3 热处理试验工艺及参数设计 表4 4 正火与带状级别关系 表4 5 退火与带状级别关系 表4 - 6 淬火与带状级别关系 表4 7 正火+ 控冷与带状级别关系 插图清单 图1 1带状组织模型 图1 2带状组织与终轧温度关系 图1 3带状组织与冷却速度的关系 图2 - 1电弧炉冶炼装备 图2 - 2炉外精炼装备 图2 - 3浇注过热度对模铸钢锭的锭形偏析影响 图2 4模铸钢锭的碳偏析与成坯率关系 图2 5中一t l , 与1 4 处碳差值分布 图2 - 6连铸装备 图2 7汽车齿轮钢钢液过热度与中心偏析的关系 图2 8电磁搅拌方向对连铸坯等轴晶区面积的影响 图2 - 9电渣炉( e s r ) 冶炼装备 图2 1 02 0 c r n i 2 m o ae 1 ) 8 0 m m 棒材的低倍组织 图2 1 l2 0 c r n i m o a4 0 m m 棒材的低倍组织 图2 1 22 0 c r m n t i h0 3 5 m m 棒材的低倍组织 图2 1 32 0 c r n i 2 m o ao8 0 m m 热轧棒材的带状组织 图2 1 42 0 c r l 订n t i h 中3 5 m m 热轧棒材的带状组织 图2 152 0 c r n i m o a4 0 m m 热轧棒材的带状组织 图3 1 棒材半连轧生产线 图3 22 0 c r n i m o a4 0 m m 棒材的带状组织( 热轧控冷) 图3 32 0 c r m n t i h 3 5 m m 棒材的带状组织( 热轧控冷) 图3 - 42 0 c r n i m o a0 4 0 m m 棒材的带状组织( 热轧空冷) 图3 52 0 c r m n t i h3 5 m m 棒材的带状组织( 热轧空冷) 图3 - 62 0 c r n i m o a4 0 r a m 棒材的带状组织( 热轧缓冷) 图3 72 0 c r m n t i hc p3 5 r a m 棒材的带状组织( 热轧缓冷) 图4 12 0 c r n i 2 m o a 钢的连续冷却转变曲线 图4 22 0 c r m n t i h s 热轧状态的带状组织 图4 32 0 c r m n t i h s 正火处理的带状组织 图4 - 42 0 c r m n t i 不完全退火状态的带状组织 图4 52 0 c r m n t i 高温回火处理的带状组织 图4 - 62 0 c r m n t i 热轧空冷状态的带状组织 图4 72 0 c r 2 n i 4 a 热轧状态的带状组织 图4 82 0 c r 2 n i 4 a 淬火处理的带状组织 图4 - 92 0 c r m n t i h s 热轧状态的带状组织 图4 1 02 0 c r m n t i h s 正火炉冷后的带状组织 图4 1 l2 0 c r m n t i h s 正火空冷后等温( 1 h ) 的带状组织 图4 1 22 0 c r m n t i h s 正火空冷后等温( 3 h ) 的带状组织 图6 - ii b 型控制相变示意图 原创性声明 本人声明：所呈送的论文是本人在导师的指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或 撰写过的研究成果。参与同一工作的其它同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确说明并表示谢意。 签名：盟日期：型! ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雏导师签名：i 监日期：兰塑 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 我国汽车工业的蓬勃发展，不仅使产量有大幅度提高，而且对质量 的要求也登上新台阶，促进了汽车材料的升级换代，齿轮钢是汽车材料 中用量较大，要求较高的关键材料之一，它不仅影响车辆寿命，能耗等 技术经济指标，而且对于满足安全、环保及舒适要求也至关重要。 随着汽车齿轮的质量要求日益提高，从而对齿轮钢的淬透性、非金 属夹杂物、氧含量、显微组织等都提出了越来越高的要求，冶金技术的 快速发展，使齿轮钢的淬透性、非金属夹杂物和氧含量的实物质量水平 都有了明显的提高，但对带状组织的控制还是缺乏有效措施，尚处于薄 弱环节，因此结合材料的研制生产选择本研究课题具有重要意义。 汽车齿轮用钢通常为渗碳钢。生产实践发现，该钢类易产生铁素体 一珠光体交替成层状分布的带状组织。带状组织的出现使渗碳淬火变形 无规律，影响齿轮的使用寿命。因此，高质量、高要求的汽车齿轮用钢 除对钢材的末端淬透性、晶粒度、纯洁度提出了严格要求以外，对钢材 的带状组织同时提出了限制要求，由于带状组织在后序的热加工过程可 予以进一步改善，故有必要对汽车齿轮用钢的带状组织的形成原因及其 影响因素和改善途径进行比较深入细致的研究。 现有的研究已表明，铁素体一珠光体带状组织的出现与成份偏析( 由 枝晶偏析引起) ，夹杂物的分布和奥氏体相区的变形有关，而碳元素的扩 散受合金元素分布影响，同时又和带状组织的形成有密切的联系。因此， 钢锭的结晶条件，奥氏体相区的变形及轧后冷却速度一定会影响到铁素 l 上海大学硕士学位论文 体一珠光体带状组织的形成和变化，通过设计和完成一系列不同的凝固 结晶方式，变形条件及冷却条件的工艺试验来寻找其间的关系，从而为 改进生产工艺来减轻或消除带状组织提供依据。 1 2 文献综述 1 2 1 汽车齿轮钢带状组织的基本概念 钢材带状组织的概念，对不同的钢类有不同的含义。在高碳的滚珠 钢及工模具钢中为碳化物带状。而汽车齿轮用钢一般均为含碳量较低的 亚共析合金结构钢，故一般均指铁素体和珠光体带状。 不同的资料对组织带状分别作了如下的阐述：1 ) 带状组织是经热加 工后，低碳结构钢显微组织中铁索体和珠光体沿加工方向呈层状分布的 条带组织“1 ；2 ) 亚共析钢中枝晶偏析的晶轴和晶轴之间，在热压力加工 过程中延伸呈条带状，冷却后即形成铁素体较多和珠光体较多的条带相 间的带状组织”1 ；3 ) 亚共析钢中带状组织是钢液凝固过程中形成的枝晶 偏析( 如硫、磷及合金元素的偏析) 在热加工时延伸呈铁素体和珠光体 交替的条带。3 。以上三种定义均近似地概述了低碳结构钢带状组织是与 枝晶偏析相关的铁素体和珠光体条带。 1 2 2 带状组织的分类与形式 带状组织包括由枝晶偏析沿热加工方向延伸所形成的原始带状，即 一次带状，和由固态相变所产生的显微组织带状，即二次带状。二者关 系是只有在一次带状的基础上才能形成二次带状，但有一次带状的钢材 并不一定出现二次带状“3 。 对于由锰偏析所造成的带状组织分为两种类型“： ， 上海大学硕士学位论文 1 ) 周期型( 树枝晶式) 带状组织，其中珠光体呈周期性出现，珠光 体中锰含量较高，锰含量呈周期式平坦地变化。 2 ) 间隙型带状组织，其中间歇地出现白线或黑线，有时黑线中还间 歇地出现铁素体，铁素体带内常包含硫化物或硅酸盐。铁索体带内锰含 量较低，锰含量在铁素体带周际呈突变。 对于含硫量和夹杂物进行有效控制的情况下将改善间隙型带状组 织。通常讨论的为周期型带状组织。 在金相显微镜下观察，带状组织有三种形式。 1 ) 铁素体与珠光体带相间排列。 2 ) 在铁素体基体上有珠光体带间隔排列。 3 ) 在珠光体基体上有铁素体带间隔排列。 1 _ 2 3 带状组织的形成机理 钢锭中常见的偏析之一是带状偏析，它与固液界面平行。当溶质在 液相中的扩散速度比固体的成长速度缓慢时，溶质在固液界面富集。由 此而产生在固液界面附近的过冷。减少固液界面的过冷，就会阻碍固体 的析出，在固液界面处液体的过冷减小不大的地方，晶体便突出地优先 成长。这时，因为在固液界面的前方存在着更大的过冷，晶体便部分突 出；呈树枝状发展，溶质富集液便集中在树枝状晶的晶枝之间。若包围 着溶质富集层的晶枝与邻近的枝晶相连，则再次形成宏观的平滑面，此 后，由于溶质的富集，固液界面的过冷降低，直到再次妨碍同一界面的 前移为止，再进行凝固，从而形成带状偏析”1 。 钢在凝固时形成的树枝状偏析在一定程度上依赖于：凝固的类型( 共 上海大学硕士学位论文 晶、包晶、单相分离) 、铸锭的冷却速度，偏析元素在固相与液相之间的 平衡分配系数等。因此，凡是影响树枝偏析的因素都会对带状组织产生 影响陋3 。钢锭中的带状偏析是形成一次带状( 原始带状) 的根源。 由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成份呈不均匀分布 的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与 变形方向致，从而形成碳与合金元素的贫化带和富化带的交替堆叠， 在缓冷条件下，相变的过程是铁素体首先在奥氏体晶界上形核，使其附 近的奥氏体碳浓度高于奥氏体平衡碳浓度，因而碳将进行扩散。为了保 持奥氏体铁素体相界处的碳平衡，又必须在奥氏体中析出铁索体，使铁 素体晶核长大，在铁素体长大的过程中，铁原子将发生自扩散产生点阵 重构，奥氏体转变成先共析铁素体。亦即相变点较高的原枝晶干间交界 处优先析出，并向枝干部位长大，沿枝晶形成条带。相邻的枝晶问部位， 相变点稍低，当温度下降到a r l 时，过冷奥氏体转变为与温度相应的珠 光体，这样，就形成了铁素体珠光体带状组织阳儿1 。 对于带状组织形成的定性理论国内外学者观点趋于一致。美国 p e n n s y l v a n i a 州立大学j a e c k e r t 等人在研究含碳量为0 5 含m n 量1 5 热轧低合金钢带状组织时，对带状组织的生长模式提出了如下推 论1 。 1 ) 铁素体必定在奥氏体三颗晶粒的交叉点生长为“铁素体晶坯”。 2 ) 向富锰区侧生长的铁素体晶坯偏向于形成柱状的铁素体晶粒。 3 ) 如图i 所示，奥氏体晶粒a 将1 0 0 转变成铁素体，奥氏体晶粒b 大部分转成铁素体。 4 上海大学硕士学位论文 图1 - 1 带状组织模型 1 2 4 带状组织对变形和性能的影响 齿轮用钢带状组织的存在将降低其切削加工性能，影响渗碳层组织 和硬度的均匀性，增加热处理淬火变形程度“。 采用2 0 c r m n t i 钢制成的x f - 1 2 5 初级传动齿轮花键孔，在相同渗碳 淬火工艺条件下，齿坯组织不同，花键孔变形量也不同：带状组织、魏 氏组织级别高的，变形量就大，且变形无规律，测量点分散；带状组织 低、无魏氏组织，变形量小，变形测量点相对集中 1 3 o 连铸j w 钢板中带状组织使拉伸性能表现出一定的各向异性。4 5 度方 向取样的屈服强度和抗拉强度最低，拉伸塑性最高。带状组织导致的各 向异性在缺口冲击性能上表现最明显。带状组织导致拉伸断口椭圆化， 纵向试样拉伸断口和缺口冲击断口裂纹分层“。 汽车大梁钢板用钢1 6 m n l ，其带状组织较轻时，因晶界异相排列，在 冷弯应力作用下诱发形成微裂纹较易，而带状组织较重，则晶界呈同相 排列趋势大，不易诱发形成微裂纹，也较不易使微裂纹扩展成宏观裂纹， 故带状组织越严重则宽冷弯性能越好。 上海大学硕士学位论文 低碳合金钢中带状组织造成了钢的各向异性，降低了力学性能，切 削性能，塑性成型性能和淬透性，淬火后易形成混晶组织和非马氏体组 织，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低曲儿”“。 锻件中的带状组织会降低横向的伸长率，断面收缩率及冲击韧性， 对屈服强度与抗拉强度影响不大“。 巴西大众汽车公司认为：一般而言，二次带状组织是被视作为一种 组织缺陷，其主要产生于原材料中，带状组织可能对变形有影响，但影 响不大，在进一步锻造及热处理后会改变或消失，故对锻后的带状亦不 作考核，但一汽只对入厂的原材料进行带状组织检验，要求小于2 级， 而对于锻后则主要检查流线分布，而不再检查带状。 1 2 5 冶炼工艺对带状组织的影响 在化学成份方面，捷克人认为在低碳或低合金钢中，锰含量在0 5 2 1 5 2 范围内，极易产生碳锰成分的带状组织，若锰含量低于0 5 ，不 会产生带状组织，但锰含量等于1 ，得到了相反的结果删。国内有报告 对碳含量和带状级别关系进行研究，并指出微量元素( o r 、n i 、a s ) 较 高使整个碳当量较高，因元素较复杂，结晶过程中易形成成分偏析，导 致带状级别也高“，而对于n b 、t i 等微合金元素加入时，通过控制轧制 在细化晶粒的同时，减轻了带状组织。们”“。 采用电渣重熔或真空电弧重熔冶炼，增大了钢液的结晶速度使钢的 成份均匀，是改善带状组织( 一次) 有效方法。3 。长城钢厂对渗碳轴承 钢电渣冶炼参数不同设计进行工艺性试验，得出填充比小的铸造电极及 熔速稍慢的工艺能降低一次带状级别“。 上海大学硕士学位论文 1 2 6 热加工工艺对带状组织的影响 采用传统的锻造工艺有利于带状组织的减轻，当增加锻造火次( 高 温扩散) ，增大锻造比，锻后冷速较快，可使带状组织级别明显降低。”3 。 采用控制轧制和控制冷却是消除带状组织的经济而有效的技术措 图1 2 带状组织与终轧温度关系 施。北京科技大学李文卿等人在试验中发现终轧温度对1 6 m n 钢板的带状 组织级别首先随终轧温度降低而减小，当终轧温度低于8 0 0 。c 时带状组 织级别略有增加。”( 如图2 ) 。而上海浦钢公司王一中等人经过多次试验 后却发现了在变形条件相同时随终轧温度提高带状组织都有所改善的现 象。得出了与上述相反的结论。 上海大学林大为等研究指出终轧温度对带状组织的影响是由于改变 了相对晶粒尺寸6d 而引起的，试验结果认为，当6d 一0 4 时，终轧温度高，带状减轻。 北京科技大学刘国勋通过试验指出低碳锰钢中周期性带状组织由钢 坯到钢带随加工量加大，带状组织的严重度增加。3 。 奥氏体在未再结晶区轧制会引起a r 3 点温度升高，诱发先共析铁素 上海大学硕士学位论文 体形成，这会导致低锰带和高锰带a r 。点温度差异的减小，从而导致各 带先共析体析出不同时性的减小。使带状组织形成机率减小，同时采用 加速冷却效果较好“o m 。 冷却速度对带状组织的影响极为明显。如图卜3 ，随着冷却速度的增 加，带状组织级别减小或消除口“。 消除带状组织的临界冷却速度v k 不是一个恒定值，国内外学者对 1 6 m n 提出了不同的试验结果。美国j a e c k e r t 等人得出v k 为l 5 _ - 、t 一 0b i b 冷却速度 c s 图1 - 3 带状组织与冷却速度的关系 。c s ；捷克人认为是4 0 1 0 0 s ；北京科技大学李文卿的试验结果为 4 3 c s ；上海大学林大为采用试验条件下的外推法测得不同压下率下的 不p k i 缶界值儿仃m 3 m 。 1 2 7 热处理工艺对带状组织的影响 合理的热处理工艺能显著的改善二次带状组织的级别，结合不同钢 种的用途，不少研究者摸索出相应的热处理工艺。 上海大学顾治吉等对2 0 c r n i 2 m o a 齿轮钢采用控冷等温退火工艺，控 制奥氏体化温度到等温温度的冷却速度，确定适宜的等温温度与时间， 5 4 3 2 1 o 蕞蒜繇羽葵孥 上海大学硕士学位论文 降低了齿轮锻坯的带状组织，并得到了预期的组织与硬度“。 长城特钢对渗碳轴承钢带状组织的研究中发现，热处理过程中奥氏 体化温度增加，保温时问延长，奥氏体均匀化程度提高，淬火带状级别 降低，对带状级别高的钢材，采用正火和a r 。以下温度的回火可降低带 状级别，高温扩散退火可减轻带状、在相变温度之上的退火温度高、 冷速慢，带状级别越高，在相变温度之下的炉冷，空冷，水冷，带状级 别基本不变，热处理后冷却速度是控制先共析铁素体的析出的关键。是 减轻二次带状的重要途径乜“。 其他研究者工作得出了较一致的观点。对锻件带状组织改善采用高 温扩散退火及多次正火处理“，首钢公司张立民提出了1 2 c r l m o v 钢管热 处理后出现带状组织的必要条件i ) 加热温度必须超过a c 。点，即部分奥 氏体化或完全奥氏体化；2 ) 冷却速度慢口。 i 2 8 关于带状组织的显微评定 目前，带状组织评定主要依据为国家标准g b t1 3 2 9 9 9 1 钢的显微 组织评定方法，该标准是等效采用原苏联标准ro c t5 6 4 0 6 8 钢板、 钢带的显微组织评定方法，除我国与原苏联有此类标准外，目前尚未查 到其它各国相类似的检验标准2 。 g b t1 3 2 9 9 - 1 9 9 1 主要适用于低碳、中碳钢的钢板、钢带和型材的显 微组织评定，其他钢种可参照评定，故在实际研究应用与生产实践中， 尚有一些不适应之处及相关论点。 上海大学施红娟等对c r _ n i m o 齿轮钢参照g b t 1 3 2 9 9 1 9 9 1 进行带 状组织评定时首先指出应以碳当量值来选择标准系列，同时评级时，除 0 上海大学硕士学位论文 条带数量及连续性外并考虑组织中条带的宽窄。 长城特钢何熙玲等在检验渗碳轴承钢g 2 0 c r n i 2 m o a 时发现该钢的组 织形貌与标准图谱差别较远，易使供需双方产生异议，另外，合金钢根 据碳含量来选择标准系列有待商榷。“。 上海大学林大为等在对1 6 m n 钢板带状组织的研究中依据日本学者提 出的带状密度的评估参数，进行带状密度与带状级别的关系研究口“。 1 3 带状组织研究需深入的几个方面 综合国内外学者研究成果，关于带状组织的成因研究，冶炼、热加 工、热处理因素对带状的影响以及带状组织与性能的关系等方面已有不 少结论，但是对汽车齿轮钢作专题研究的报道甚少，结合现有的理论尚 需深入开展研究方面如下： 1 ) 一次带状组织与二次带状组织成因与关系研究。 2 ) 冶炼工艺对带状组织影响，包括电渣工艺与电炉冶炼的对比研究， 连铸工艺与模铸生产的对比研究。 3 ) 轧制工艺对带状组织影响，包括压缩比、终轧温度、轧后冷却方 式各因素的作用与机理。 4 ) 热处理工艺对带状组织影响，包括奥氏体化温度与时间，冷却速 度控制。 5 ) 带状组织与变形、工艺性能和机械性能关系。 6 ) 带状组织显微评定方法探索。 综上所述，本文着重从冶炼、热加工、热处理三个方面来探讨汽车 齿轮钢带状组织的变化规律。 l n 上海大学硕士学位论文 第二章冶炼工艺试验 钢锭及连铸坯的铸态组织均匀性是影响带状组织的最根本的原因， 从研究影响模铸钢锭、连铸坯、电渣钢锭的铸态组织均匀性的出发点着 手，结合五钢公司装备条件及实际情况，选取2 0 c r m n t i h 、2 0 c r n i m o a 、 2 0 c r 2 n i 4 a 、2 0 c r n i 2 m o a 等汽车齿轮用钢进行影响化学成分偏析波动的 生产工艺参数、实物质量的对比分析试验。 2 1 电炉模铸工艺试验 2 1 1 冶炼工艺流程 3 0 吨交流电弧炉4 0 吨钢包精炼炉4 0 吨真空脱气炉 斗喂丝呻钢锭模铸( 2 3 吨锭) 2 1 2 试验主要设备及参数 试验钢种生产主要设备及其参数见表2 1 。 表2 - i 模铸试验涉及主要设备及其参数 电炉钢包精炼炉 公称容量3 0 吨公称容量4 0 吨 实际出钢量3 3 4 0 吨实际出钢量3 3 4 0 吨 变压器容量 15 0 0 0 k v a 变压器容量 5 0 0 0 k v a 电流形式三相交流电极直径中3 0 0 m m 电极直径中4 5 0 m m搅拌形式a r 搅拌 出钢形式 e b t 极限真空 6 6 7 p a 出钢口直径1 1 0 m m 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 电弧炉冶炼装备图2 2 炉外精炼装备 2 1 3 试验数据与工艺参数分析 ( 1 ) 过热度 通常钢锭有三个明显的偏析带：八形偏析带、v 形偏析带和底部锥形 负偏析带，浇注过热度对钢锭的偏析有较大的影响。浇注过热度大时， 钢锭模内温度梯度保持时间长，钢液对流时间长，柱状晶带宽，v 形偏 析向内向上集中，底部锥形体被压扁；浇注过热度小时，柱状晶带窄， 八偏析则向外向下分散。前者是使偏析尽量集中，后者则使偏析尽量分 散。钢水的浇注过热度对模铸钢锭的锭形偏析影响如图2 3 所示。 l o o 9 0 p ；： 掣6 0 螽5 0 3 0 2 0 oo 5 11 522 533 + 54 锭形偏析评级 图2 - 3 浇注过热度对模铸钢锭的锭形偏析影响 上海大学硕士学位论文 由图2 - 3 可见：浇注过热度越高，锭形偏析的评级越高，对钢材原始 带状组织的影响越大。 ( 2 ) 成坯率控制 通过对应钢锭各部位在坯料上的检验结果得到验证：碳偏析较严重 的发生部位，主要在钢锭头部( 锭身中的正偏析程度相对要小) ，实际生 产考虑成坯率对碳偏析的影响，应控制一定的范围。成坯率控制过低显 然不利于成本，成坯率过高则又对质量控制无益，通常控制8 3 8 6 ，便 能较好协调质量和成本的矛盾。模铸钢锭的成坯率与碳偏析对应关系如 图2 4 所示。其中碳偏析值：在钢材的同一横截面上，紧靠黑皮处( 边 缘) 与中心碳读数差( 钻样用钻头直径f6 ，化学分析采用红外碳硫分析 仪) 。 霹8 6 嗣 槎 8 4 8 2 8 0 一 ： 二 00 0 l0 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 8 碳偏析值 图2 4 模铸钢锭的碳偏析与成坯率关系 由图2 4 可见：当钢锭开坯时成坯率越高，碳偏析的倾向越大，对钢 材原始带状组织的影响也越大。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 浇铸系统 钢锭模的选择，决定了钢液凝固时的整体冷却效果，帽1 3 部位保温 材料的质量，则影响钢锭头部热中心位置、钢液过冷程度，以及结晶前 沿的推进形式，进而影响v 型富碳区的形状和位置。为改善帽口部位的 保温条件，采用发热剂以改变凝固条件和结晶前沿推进形式，改变头部 v 型偏析区，并使之上移。因为，对于v 型偏析的发展，是与保温帽口 钢液的冷却速度有关的，保温帽中钢液温度保持愈久，v 型偏析的发展 就愈小。使用发热剂后，相当于钢锭帽口处的中心与1 4 处的碳差值分 布如图2 - 5 所示： 0 1 0 0 8 誉0 0 6 蚓 榭o0 4 疆 0 0 2 0 一 ? 、一一7 一一f o s e c o + 碳化稻壳 、 一一j - 4 1 p 1 p 一一一一一 7 9 8 0 8 l8 28 a8 48 88 68 7 图2 5 中心与l 4 处碳差值分布成坯率” 由图2 5 可见：当钢锭浇注凝固时采用特殊的发热剂进行保温处理 时，其碳偏析值的倾向越小，改善了钢材原始带状组织的分布。 在钢锭模尺寸、形状已确定的前提条件下，工艺操作的不稳定性会直 接影响成分偏析，如浇注速度过快，钢水过热度增加，钢锭凝固过程延 长，选分结晶严重，不利于成分、组织的偏析的改善。由于模铸钢锭偏 1 4 上海大学硕士学位论文 析无可避免的存在，其偏析程度与钢锭结构密切相关，而上述操作将使 凝固条件产生变化。 2 2 电炉连铸工艺试验 2 2 1 冶炼工艺流程 1 0 0 吨直流电弧炉1 0 0 吨钢包精炼炉 1 0 0 吨真空脱气炉 叫喂丝叫5 机5 流连铸 2 2 2 试验主要设备及参数 试验钢种生产主要设备及其参数见表2 2 。 表2 - 2 连铸试验涉及主要设备及其参数 电炉钢包炉 公称容量1 0 0 吨变压器容量 1 8 m v a 变压器容量 7 6 n ，a 二次电压3 2 0 v ( m a x ) 最大电压 8 4 0 v 二次电流3 8 k a ( m a x ) 最大电流 9 2 k a 吹氩流量5 0 0 n l m i n ( m a x ) 炉底电极类型触针式 出钢形式 e b t 续表2 2 连铸试验涉及主要设备及其参数 真空炉连铸机 结构型式罐式浇铸半径1 0 2 5 m ( 弧型) 喷射泵数量6 + 3 级流数5 流 极限真空 2 6 p a 断面 1 4 0 2 、1 8 0 2 、2 2 0 2 m m 2 结晶器长度 8 0 0 m m 液面检测 c 0 6 0 电磁搅拌结晶器和凝固末端 矫直方式连续矫直 二冷方式喷淋 上海大学硕士学位论文 图2 - 6 连铸装备 2 2 3 试验数据与工艺参数分析 ( 1 ) 过热度 连铸钢水的过热度对铸坯的低倍质量( 尤其对中心偏析) 有重要影 响，因为对于小方坯连铸而言，当中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈 增大的趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状晶的搭接，等轴树枝 晶不足或体积减少而形成了小钢锭的凝固结晶现象，产生铸坯的中心疏 松与偏析，为此，应努力降低钢水的过热度来减轻和控制连铸坯的偏析 程度。汽车齿轮钢钢水的过热度对其中心偏析的影响如图2 - 7 所示。 5 5 5 0 p 4 5 毯4 0 3 5 捌3 0 2 5 2 0 oo 511 522 533 54 中心偏析评级 图2 7 汽车齿轮钢钢液过热度与中心偏析的关系 上海大学硕士学位论文 由图2 7 可见：过热度越低，中心偏析的评级越低，对原始带状组织 的影响越小。 ( 2 ) 电磁搅拌参数 国外研究表明：各种电磁搅拌所能解决的质量问题如表2 3 所示“ 州 采用m e m s ( 结晶器电磁搅拌) ，使坯壳生长比较均匀，而且，表面 层中渣量的减少有利于坯壳生长。因为渣有绝热作用，会阻碍坯壳的生 长。 采用s e m s ( 二冷电磁搅拌) ，最大的碳偏析值，可从1 6 8 减至1 3 8 。 采用f e m s ( 凝固末端电磁搅拌) ，能够打断中心部位架桥，较好地 补给由于凝固收缩所需的钢液。 表2 - 3 各种电磁搅拌所能解决的质量问题 质量问题 m e m ss e m sf e m s 表面夹渣x 针孔x 皮下夹杂x 气孔x 漏钢x 柱状晶组织xx 内部裂纹x x 中心偏析xxx 中心疏松xxx v 型偏析 x 注：带“x ”表示有效果。 根据五钢公司的连铸机所配备的结晶器和凝固末端的电磁搅拌器的 基本参数，通过对比试验，选择了结晶器为单向和凝固末端为双向的搅 1 7 上海大学硕士学位论文 拌制度。 在结晶器为单向条件下，凝固末端电磁搅拌分别为单向和双向的中心 碳偏析评级比较如表2 4 所示。 表2 - 4电磁搅拌方向对连铸坯中心碳偏析评级的影响 流号第二流第四流 电磁搅拌方向双向单向 样本数 66 中心碳偏析评级最大值 2 02 0 中心碳偏析评级最小值 0 5o 5 中心碳偏析评级平均值 1 01 2 5 过热度( ) 4 9 由表2 4 可知：凝固末端电磁搅拌的方向，双向的比单向更有利于中 心碳偏析的改善。等轴晶区面积的改变也验证说明了这一点，如图2 8 所示。 瓮 重 v 器 恒 凶 略 暴 湘 小 第一流正反7第二流正反7第三流正反7第四流单向第五流单向 流号和电磁搅拌方向 图2 8电磁搅拌方向对连铸坯等轴晶区面积的影响 o 0 o o o 0 0 0 0 0 锄删姗姗瑚卿啪印 上海大学硕士学位论文 在结晶器为单向，凝固末端电磁搅拌为双向的条件下，电磁搅拌时间 对连铸坯纵向中心碳偏析指数的影响如表2 5 所示。 表2 5电磁搅拌时间对连铸坯中心碳偏析指数的影响 项目碳偏析指数的比较 电磁搅拌工艺1工艺2 样本数 88 最大值 1 1 21 0 1 最小值 1 0 1 50 9 4 平均值 1 0 6 4 4 0 9 7 5 过热度( ) 4 0 4 0 由表2 5 可知：凝固末端电磁搅拌的间隔时间不同将影响连铸坯中心 碳偏析的级别。 ( 3 ) 二冷强度 适当提高二次冷却强度除了能细化组织晶粒外，还能缩短液相深度， 增加坯壳厚度。在相同过热度下，二冷强度与电磁搅拌时间对连铸坯纵 向中心碳偏析指数及低倍中心偏析评级的影响如表2 6 、2 7 所示。 表2 - 6 二冷强度和电磁搅拌时间对连铸坯碳偏析指数的影响 项目碳偏析指数的比较 二冷强度( l k g ) 工艺a工艺b 电磁搅拌工艺1工艺1 样本数 8 8 最大值 1 1 41 0 5 最小值 0 9 60 9 3 平均值 1 0 4 50 9 8 过热度( ) 3 8 3 8 上海大学硕士学位论文 表2 7 二冷强度和电磁搅拌时间对连铸坯低倍评级的影响 项目低倍中心偏析评级的比较 二冷强度( l k g ) 工艺a工艺b 电磁搅拌工艺1工艺l 样本数 3 22 l 最大值 3 o 2 o 最小值 o 5o 5 平均值 1 5 9o 9 5 注：工艺b 较工艺a 的冷却强度有适当提高。 由表2 6 、2 - 7 可知：二冷强度的提高和适当的电磁搅拌参数可使连 铸坯中心碳偏析指数平均值及低倍中心偏析评级的平均级别得到明显下 降，改善了连铸坯原始组织的均匀性。 2 3 电渣重熔工艺试验 2 3 1 冶炼工艺流程 3 0 吨交流电弧炉卜4 0 吨钢包精炼炉斗4 0 吨真空脱气炉 + 喂丝呻钢锭模铸( 浇注电极由3 6 0 2 9 0 0 m m ) 斗2 吨电渣 炉重熔 铸锭模冷 2 3 2 试验主要设备及参数 试验钢种生产主要设备及其参数见表2 8 。 表2 8 电渣重熔试验涉及主要设备及其参数 电渣炉 公称容量2 吨 结晶器尺寸中4 6 0 巾5 1 0 1 7 0 0 m m 涪系、用量 c a f 2 ：a 1 2 0 3 2 7 0 ：3 0 、7 0 k g 电压 5 8 6 2 v 电流1 2 5 0 0 a ( m a x ) 熔速 5 k g m i n 冷却水温度4 0 - 6 0 上海大学硕士学位论文 图2 - 9 电渣炉( e s r ) 冶炼装备 2 3 _ 3 试验数据与工艺参数分析 ( 1 ) 工艺参数的影响 电渣锭的组织均匀性很大程度上取决于铸锭的结晶速度，而电渣锭的 结晶速度可通过调节电压、电流和渣量等关键工艺参数进行控制，当然 冶炼所需的电极棒尺寸及铸锭结晶器的大小也影响电渣锭的组织均匀 性，由于电渣工艺本身的优越性，这些因素在本项试验工作中不作重点 跟踪分析。 ( 2 ) 电渣重熔2 0 c r n i 2 m o a 钢成分的均匀性 将e a f + e s r 双联工艺冶炼的2 0 c r n i 2 m o a 汽车齿轮钢巾5 0 0 m m ( 钢锭实 际平均值) 电渣锭经热加工( 轧制) 至0 0 8 0 m m 棒材，进行头、中、尾及 横截面各部位的化学成分进行比较分析，数据分布见表2 9 。可见，除 分析误差外，各部位的合金元素含量没有发生明显变化。 上海大学硕士学位论文 表2 - 92 0 c r n i 2 m o a8 0 n a n 棒材沿锭身及横截面上部分元素的分布( w t ) ( 3 ) 电渣重熔2 0 c r n i 2 m o a 钢组织的均匀性 在凝固过程中，电渣锭由于强制水冷作用，因而较之普通浇注、连 续铸锭的结晶速度都大以及不断有金属液的补充，故在电渣锭中一般没 有缩孔、疏松、夹杂物聚集、偏析等低倍缺陷，从图2 1 0 可见采用e a f + e s r 双联工艺生产的2 0 c r n i 2 m o a 汽车齿轮钢中8 0 m m 棒材的低倍组织致密而 均匀，明显优于电炉模铸锭( 图2 1 1 ) 及电炉连铸坯( 图2 1 2 ) 经加热 轧制的棒材低倍组织。 图2 - 1 02 0 c r n i 2 m o a8 0 r a m 棒材的低倍组织 上海大学硕士学位论文 图2 一i i2 0 c r n i m o aq d 4 0 r a m 棒材的低倍组织 图2 1 22 0 c r m n t i ho3 5 m m 棒材的低倍组织 采用电渣重熔增大了钢液的结晶速度，凝固时形成的树枝状偏析得 到了有效的改善，使钢的成份均匀、低倍组织优良，相应的大大改善了 一次带状组织( 原始带状) 的严重程度，从图2 1 3 可见采用e a f + e s r 双联工艺生产的2 0 c r n i 2 m o a 汽车齿轮钢0 8 0 m m 棒材的原始带状组织基 本未出现，而采用电炉模铸锭( 图2 1 4 ) 及电炉连铸坯( 图2 - 1 5 ) 经加 热轧制的棒材原始带状组织较为明晰。 上海大学硕士学位论文 图2 1 32 0 c r n i 2 m o a8 0 m m 热轧棒材的带状组织 图2 1 42 0 c r m n t i h c d3 5 m m 热轧棒材的带状组织 图2 - 1 52 0 c r n i m o a a d4 0 r a m 热轧棒材的带状组织 上海大学硕士学位论文 第三章轧制工艺试验 现有的资料表明：铁素体一珠光体带状组织的出现不仅与成份偏析 ( 由枝晶偏析引起) 密切相关，同时受制于钢锭( 连铸坯) 热轧的变形 和冷却条件。从研究奥氏体相区的变形条件及轧后冷却速度对一次带状 组织( 原始带状) 形成机理的出发点着手，引用目前快速发展的控制轧 制和控制冷却技术，结合五钢公司装备条件及实际情况，选取 2 0 c r m n t i h 、2 0 c r n i m o a 、2 0 c r 2 n i 4 a 等汽车齿轮用钢开展不同* l n 及冷 却条件的工艺试验。 3 1 试验装备条件 考虑五钢公司汽车齿轮钢热轧产品的分布及试验条件，选择将试验 工作在1 7 架半连轧机组开展( 5