20CrMnTi齿轮钢锻打开裂原因分析及措施

来源:广东韶钢技术研究中心作者:刘年富

20CrMnTi齿轮钢经加热锻打成齿轮毛坯后,综合分析了表面开裂试样的外观、化学成分、非金属夹杂物、金相组织等。结果表明,齿轮钢加热温度过高,奥氏体晶粒粗大,并形成魏氏组织,导致锻打毛坯开裂。并提出预防锻打开裂的措施。

20CrMnTi是一种性能良好的渗碳钢,淬透性较高,经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部,具有较高的低温冲击韧性,良好的加工性,加工变形微小,抗疲劳性能相当好。热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)调研后发现这类钢主要用于生产汽车、摩托车、农机、工程机械用的齿轮、轴类、活塞类零配件以及其它各种零部件。

2013 年我公司接到1 位客户的反馈,我公司生产的20CrMnTi 齿轮钢在锻打成齿轮毛坯时表面出现了大量的表面裂纹。对此技术人员立即对存在表面裂纹的齿轮毛坯开裂原因进行分析,以便制定相应措施,杜绝齿轮钢锻打开裂问题的再现。

1、裂纹试样的检测分析

根据试样开裂情况,选取有代表性的两处裂纹进行金相分析,具体取样位置如图1 所示,试样分析面为纵向。并将1#、2#试样进行化学成分分析。

裂纹取样位置图

图1 裂纹取样位置图

试样采用锯切取样,为防止试样加工过热影响分析结果,严格控制锯切速度,并采用专用锯切冷却液冷却锯片。

1.1、化学成分分析

取1#、2#试样进行光谱化学成分分析,分析结果如表1 所示。

表1 裂纹试样的化学成分( 质量分数,%)

裂纹试样的化学成分

从表1 可以看出,1#、2#试样的化学成分均与出厂圆钢成品成分基本一致,可见化学成分正常。

1.2、组织分析

取1#、2#试样进行组织分析,试样经粗磨、细抛并清洗后分析裂纹形貌,结果如图2 所示。

裂纹尖端附近形貌

图2 裂纹尖端附近形貌

采用正置式光学显微镜的刻度尺对裂纹尺寸进行测量,1#试样开裂位置宽度为2.1 mm,裂纹长度( 即由表面往基体延伸的深度) 为2.46 mm;2#试样开裂位置宽度为1.8 mm,裂纹长度2.3 mm。裂纹与试样表面呈约45°向里延伸。从裂纹尖端的形貌可知,裂纹附近无异常的非金属夹杂物。将试样进行腐蚀,观察其金相组织,见图3、图4、图5、图6。结果表明,1#、2#试样的裂纹附近都存在异常的魏氏组织( 根据GBT 13299 标准,可评级为最严重的5 级) ,而且魏氏组织达到360 um 厚;裂纹周边的晶粒异常粗大。

1#试样裂纹附近的异常组织

图3 1#试样裂纹附近的异常组织

1#试样裂纹表面异常组织

图4 1#试样裂纹表面异常组织

2、锻打开裂产生原因分析

魏氏组织,也即魏氏体,在0.15% ~ 0.50% C的钢中产生,在铸造、锻造和焊接加工时,由于加热温度过高,导致奥氏体晶粒较粗;冷却时,产生的先共析铁素体呈片状或粗大羽毛状,与原奥氏体有一定位向关系,这种组织称为魏氏体组织。在亚共析钢中常见的魏氏组织呈羽毛状,有呈等边三角形的,有与铁素体相互垂直的,也有混合型的魏氏组织。

2#试样裂纹表面组织

图5 2#试样裂纹表面组织

2#试样表面组织异常及晶粒粗大

图6 2#试样表面组织异常及晶粒粗大

2.1、产生异常组织的原因

魏氏组织产生主要原因是锻造时的加热温度过高,奥氏体晶粒粗大,冷却时产生魏氏组织。魏氏组织容易出现在过热钢中,因此,奥氏体晶粒越粗大,越容易出现魏氏组织。低合金钢的锻造加热一般在氧化性气氛中进行,如发生过烧现象,也形成严重的魏氏体组织,过烧组织在随后的热处理过程中是无法修复的。魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现,也即晶粒粗大与过热魏氏组织是相随相生的。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织,慢冷则不易出现。在低合金钢的锻造过程中,即使始锻、终锻温度合适,如锻后冷却不规范,也有可能形成魏氏体组织。结合金相分析结果来看,钢的表面形成大量魏氏组织,但脱碳现象不是特别严重,因此,可能只是加热温度过高导致晶粒粗大、形成魏氏组织,在过热温度段停留时间不是特别长而未造成严重脱碳现象。

2.2、齿轮毛坯锻打开裂的原因

钢由于加热温度过高导致奥氏体晶粒粗大,并产生魏氏组织,会导致钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低,同时使脆性转折温度升高,即增加钢的脆性,因此严重的魏氏组织会导致后续锻打加工时产生开裂。结合锻打试样的形貌,裂纹向基体延伸与钢的表面基本呈特定的方向(30°、45°角) ,这与魏氏组织与原奥氏体有一定位向是对应的。可见锻打裂纹的形貌及组织分析结果都表明,导致锻打开裂的原因是钢过热导致奥氏体晶粒粗大、产生魏氏组织。

3、齿轮钢锻打开裂预防措施

预防锻打开裂主要就是防止产生异常组织,而魏氏组织及晶粒粗大的控制预防措施有:1) 控制好加热温度,不宜过高,防止过热。对于20CrMnTi 齿轮钢,一般加热温度应控制在≤1220 ℃,短时( 10min 左右) 超温≤1250 ℃;定时检测加热炉的热电偶,防止热电偶温度漂移,导致温度超过。2) 控制冷却速度,锻造过程或锻后的冷却速率,防止快冷。锻后不宜风冷,防止锻后冷速过快开裂。

4、结论

1) 通过化学成分、非金属夹杂物、金相组织等分析,表明锻打开裂的齿轮毛坯试样存在异常的魏氏组织及晶粒粗大现象;

2) 分析魏氏组织及晶粒粗大产生原因可知,导致锻打开裂的主要原因是毛坯加热温度过高,导致奥氏体晶粒异常粗大,同时产生魏氏组织,使齿轮毛坯的脆性转折温度升高,即增加钢的脆性,最终导致锻打时开裂;

3) 预防齿轮钢锻打开裂的主要措施是控制好加热温度,防止过热,并控制锻后冷却速度,防止冷速过快。