低碳齿轮钢带状组织评定的热处理工艺影响分析
试验分析了 18CrNiMo、19CN5 和 20CrMnTiH3 三种低碳齿轮钢在热轧、完全退火、等温正火工艺处理后的显微组织以及使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991的带状检验评级情况。结果显示低碳齿轮钢在不同热处理制度下的带状组织存在明显差异。热轧态下，18CrNiMo、19CN5 和20CrMnTiH3含较多贝氏体，使用GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 均难以评定带状组织；经等温正火处理后20CrMnTiH3 属于平衡态组织，用GB/T 34474.1—2017 和GB/T 13299—1991 都可完成带状组织评定，18CrNiMo、19CN5 存在少量马氏体，与 GB/T 13299—1991 要求的平衡态组织不相符，但是马氏体较少，可在 GB/T 34474.1—2017 标准下评定；经完全退火处理后三者都属于平衡态组织，使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991都可完成带状组织评定；完全退火与等温正火处理后钢材的带状级别存在明显差别。
齿轮钢是汽车、铁路、船舶、工程机械中使用特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全的核心部件的制造材料。因其工作场合通常较为复杂，对力学性能要求特别高，凡是影响其力学性能的因素都必须予以消除，而带状组织使钢的力学性能具有方向性，使钢的横向范性和韧性降低，切削性能变坏，表面加工的光洁度降低。因此，带状组织是齿轮钢产品重要的生产检验项目。
目前齿轮钢带状组织检验工作涉及到的主要检验标准包括 GB/T 13299—1991 和 GB⁄T 34474.1—2017；其中 GB/T 13299—1991 要求试样组织为珠光体铁素体组织，即应在平衡组织状态下对带状进行评定；GB⁄T 34474.1—2017 允许试样组织中出现贝氏体等其他非平衡组织，但亦规定“当组织中出现较多的非平衡组织时，不充分反映合金元素的偏析”，因此该标准建议“使用评级标准图谱评定时，应控制非平衡组织含量，要求贝氏体含量小于 30%”。目前在实际生产中，因含有 Cr、Ni、Mo 等多种合金元素成分，经连续冷却后极易形成贝氏体组织，常出现因贝氏体组织含量不合标准给检验工作带来一定难度。
因此，制定合适的热处理工艺，形成规范文件加以固化，对热轧态生产来样进行准确的热处理，可消除或降低贝氏体等异常组织的形成，保证产品组织状态符合检验标准，在目前的生产检验工作中具有实际意义。
试验钢的化学成分如表 1 所示，试料均取自 Ф65mm 热轧圆钢的 1/2 半径处，试料尺寸为 18mm×18mm×15mm。每个样品取 3 试样，分别按照热轧状态、完全退火状态、等温正火状态处理，热处理工艺如图 1 所示，加热设备为 SX2-8-12 型号的箱式电阻炉对 9 块样品用 4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在 100 倍下分别分别按照 GB/T 13299—1991 和 GB⁄T 34474.1—2017 完成带状组织评级。
表 1 试验材料的化学成分（质量分数）（%）
图 1 试验材料的热处理工艺曲线
热轧状态下，试样的显微组织如图 2 所示。18CrNiMo 钢组织为贝氏体+珠光体+少量铁素体；19CN5 钢为贝氏体+铁素体+少量珠光体组织；20CrMnTiH3 钢为铁素体+珠光体+贝氏体组织，三者均生成较多的贝氏体组织。
图 2 三种试验齿轮钢热轧态带状组织 100 倍
考虑到 GB/T 13299—1991 要求试样组织为珠光体铁素体组织，即应在平衡组织状态下对带状进行评定；GB⁄T 34474.1—2017 允许试样组织中出现贝氏体等其他非平衡组织，但亦规定“当组织中出现较多的非平衡组织时，不充分反映合金元素的偏析”，该标准规定“使用评级标准图谱评定时，应控制非平衡组织含量，要求贝氏体含量小于30%”。因此热轧状态的 18CrNiMo、19CN5 和 20CrMnTiH3 三种低碳齿轮钢无论使用 GB/T 13299—1991 还是 GB⁄T 34474.1—2017 评定带状组织，都存在一定难度。
为解决该生产检验问题，根据经验和查阅资料，现采用等温正火处理的方式对三种低碳齿轮钢进行处理，将三种试样奥氏体温度定位 920℃，等温转变温度设为 650℃，使过冷奥氏体发生共析转变，生成“珠光体+铁素体”。最终在“920℃保温时间 40min，转 650℃保温时间 60min，空冷”等温正火工艺处理后，三种牌号试样的带状组织如图 3 所示。
图 3 三种试验齿轮等温正火态带状组织 100 倍
经等温正火处理后，20CrMnTiH3 属于平衡态组织，呈现清晰的铁素体+珠光体组织，使用 GB/T 34474.1 —2017 和 GB/T 13299—1991 都满足标准，可完成带状组织评定，评定结果无差别，为 1.5 级。但18CrNiMo、19CN5 存在少量马氏体，与 GB/T 13299—1991 要求的平衡态组织不相符，但是马氏体较少，可在 GB/T 34474.1—2017 标准下评定，18CrNiMo 带状组织评级为 2.5 级；19CN5 带状组织评级为 1.5 级。
完全退火状态下，试样的带状组织如图 4 所示。三者均为清晰的铁素体+珠光体条带，使用 GB/T 34474.1 —2017 和 GB/T 13299—1991 都满足标准规定的组织状态，18CrNiMo、19CN5 均分布着至少 3 条贯穿检验视场的连续交替的铁素体一珠光体带，其中 18CrNiMo 带状较宽，带状组织评级为 3.5 级，19CN5 带状组织评级为 3.0 级；20CrMnTiH3 钢组织为铁素体+珠光体，带状组织评级为 2.5 级。相比等温正火状态，铁素体条带宽度明显增加，带状组织级别亦有所增高。
图 4 三种试验齿轮完全退火态带状组织 100 倍
钢材带状组织的形成机理，研究者的观点基本一致，认为“带状组织”是反映合金元素偏析情况的重要指标，通常包括一次带状组织和二次带状组织。一次带状组织为原始带状，是由钢液浇铸时产生的枝晶偏析造成的；二次带状组织是在一次带状的基础上，进行轧制或热处理过程中，由于合金元素的偏析，造成相变点 Ac3在偏析区域的不同，Ac3高处，先析出铁素体，并将碳向两侧排出，两侧的碳含量升高，Ac3降低，更不易析出铁素体，当冷却温度达到 Ac1时，生成珠光体，最终在热处理结束后先共析铁素体带和珠光体带彼此堆叠的带状组织。
通过对比不同热处理状态下的带状组织评级结果发现，等温正火处理后，20CrMnTiH3 属于平衡态组织，呈现清晰的铁素体+珠光体组织，使用 GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 都满足标准，可完成带状组织评定。但18CrNiMo、19CN5 因存在含量较高的 Ni、Mo，过冷奥氏体稳定性增大，奥氏体向珠光体的转变的孕育期加长，而贝氏体转变的孕育期缩短，C 曲线右移的同时形状也发生变化，出现两个鼻子，在低冷却速度下也容易形成贝氏体组织，其淬透性更强，高温扩散阶段未充分转变的残留奥氏体容易转变为马氏体、贝氏体等第二类组织。因此，18CrNiMo、19CN5 系低碳齿轮钢无法通过等温正火来彻底消除组织中的第二类组织。
完全退火处理后钢中的贝氏体组织已完全消除，呈现清晰的铁素体+珠光体条带，但铁素体带的宽度明显增加。在 GB/T 13299—1991 中并没用将铁素体条带宽度作为带状级别评价准则，但在一些齿轮行业标准中，铁素体条带宽度是带状组织评级的重要量化指标。三种试验钢完全退火后其带状级别均比等温正火处理后的样品明显偏高。这是因为在完全退火处理时，冷却速度慢，试料在先共析铁素体转变区域停留的时间过长，先共析铁素体得以充分的析出长大，形成较为严重的带状组织。而正火及等温正火处理时，先共析铁素体转变区的冷却速度很快，抑制了先共析铁素体的析出导致的。
（1）不同热处理状态下的低碳齿轮钢带状组织存在明显差异。对于热轧状态下的低碳齿轮钢，可通过规定的热处理工艺来保证组织状态，满足标准的检验需求。
（2）等温正火处理可以有效消除 20CrMnTiH3 系低碳齿轮钢中的贝氏体等非平衡态组织，但无法彻底消除含 Ni、Mo 较高的 18CrNiMo、19CN5 系低碳齿轮钢，应进行完全退火处理消除其贝氏体等非平衡态组织。
（3）完全退火与等温正火处理后钢材的带状级别存在明显差别，完全退火处理后的样品带状组织评级较等温正火处理偏高。因此制定生产检验工艺时，应保证在客户协商的状态下共同约定热处理工艺。
（4）GB/T 34474.1—2017 和 GB/T 13299—1991 对于组织级别评定结果基本一致，但 GB/T 34474 对于第二类组织种类约束较松，允许不超过30%的第二类组织，对于 18CrNiMo、19CN5 系低碳齿轮钢，可协议规定 GB/T 34474.1—2017 进行带状组织评级。
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