齿轮钢主要钢种高温力学性能研究

第9卷增刊1 过 程 工 程 学 报 V ol.9 Suppl. No.1 2009 年 6月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2009

收稿日期：2008−10−29，修回日期：2009−04−25

作者简介：王明林(1973−)，女，辽宁省鞍山市人，博士，高级工程师，钢铁冶金专业，E-mail: wangminglin@.

齿轮钢主要钢种高温力学性能研究

王明林1

， 赵 沛1

， 成国光2

(1. 钢铁研究总院连铸中心，北京 100081；2. 北京科技大学冶金与生态学院，北京 100083)

摘 要：在Gleeble-1500热模拟实验机上对16MnCr5, SCM420, 20CrMnTi 3种齿轮钢进行了高温拉伸实验. 结果表明，在实验条件下16MnCr5, SCM420, 20CrMnTi 3种钢试样第III 脆性温度区分别为600~1060℃, 710~910℃, 600~975℃，3种钢在第III 脆性区产生断裂的原因不同，SCM420钢脆性区最低点是由形变诱导铁素体的产生引起的，而晶界滑移则是16MnCr5和20CrMnTi 钢产生脆性最低点的原因. 关键词：齿轮钢；热塑性；脆性区

中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)S1−0157−04

1 前 言

汽车齿轮是汽车的基础零件，长期以来，我国机械行业中合金渗碳钢多以20CrMnTi 为主，远不能满足不同模数的齿轮及其他渗碳件的要求. 近年来，随汽车工业的发展，引进和开发了许多新型的合金渗碳齿轮钢，按照合金系列分类有Cr 系、Cr −Mn 系、Cr −Mo 系及Cr −Ni −Mo 系等. 本工作选择了齿轮钢中几个具有代表性的钢种，有Cr −Mn 系中的16MnCr5、Cr −Mo 系中的SCM420及我国的主体钢种20CrMnTi 钢进行研究. 许

多研究已表明铸坯表面裂纹与钢的高温力学性能有着密切关系[1−4]，影响拉伸实验条件下晶间断裂的因素也是影响连铸中横裂纹的主要因素，因而研究齿轮钢在高温下各种力学性能的变化对连铸工艺的制定有着重要的指导意义.

2 实 验

本实验所采用的试样为16MnCr5，SCM420，20CrMnTi 3个牌号的齿轮钢，试样的化学成分见表1.

表1 试样的化学成分

Table 1 Chemical compositions of steel samples (%, ω)

Steel C Mn Si P S Cr Ni Mo Al Cu Ti N O

16MnCr5 0.16 1.13 0.25 0.0110.0250.970.060.040.050.14− 0.01 0.005SCM420 0.210.63 0.28 0.0130.0150.780.070.240.010.130.002 0.0073 0.004420CrMnTi 0.190.90 0.26 0.0200.015 1.210.050.020.0190.060.062 0.007 0.005

高温应力应变测试在美国DSI 公司制造的Gleeble-

1500实验机上进行，试样水平放置，试样夹持好后，试样室用氩气保护. 整个系统由加热、力学测试、计算机控制和数据采集及分析处理几个部分组成，可实现温度及力学参数(载荷、变形量、应变等)的精确计算程序控制.

测试时，试样夹持好后，试样室通入流量为1 L/min 的氩气流，以10℃/S 的速度加热至1350℃并保温 1 min ，然后以3℃/s 的速度降温到预定的实验测试温度，保温1 min 后，以ε=1×10−3 s −1的形变速率对试样进行拉伸直至断裂，如图1所示. 试样拉断后，立即对断口部位大量喷水冷却，以保持测试温度下试样的组织形貌. 试样冷却后测量拉断部位横截面积，计算出其断面收缩率R.A.，并对部分试样进行扫描电镜和金相显微镜等的分析检验.

图1 高温拉伸实验的温度制度与形变制度

Fig.1 Heating and deforming process during the tensile test

3 实验结果与讨论

3.1 抗拉强度的变化

图2为在相同的实验条件下，3种钢的强度随温度

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的变化曲线. 通过比较可以看出，温度在900℃以上3种钢的强度差别不大，几乎是相等的，并且随温度升高，试样的抗拉强度缓慢下降. 当温度低于900℃以后，试样的强度明显增加，其中20CrMnTi 钢的强度比16MnCr5，SCM420钢上升得要快，强度最高值也高于另外两钢种，这可能是由于20CrMnTi 中TiN 析出物的存在，可以起到强化奥氏体晶粒的作用，使其强度升高.

600

800

1000

1200

1400

050100150200250300S t r e n g t h (M P a )

Temperature (℃)

图2 3种钢抗拉强度的比较

Fig.2 Comparison of the strength of 3 kinds of steel

3.2 断面收缩率的变化 图3为在相同的实验条件下，3种钢断面收缩率随

温度变化的曲线.

600

800

100012001400

20406080100 R .A . (%)

Temperature (℃)

图3 3种钢断面收缩率的比较

Fig.3 Comparison of the hot ductility of 3 kinds of steel

20CrMnTi, 16MnCr5, SCM420 3种钢的零断面收缩率分别为1390, 1400, 1400℃，随温度的降低，3种钢试样的断面收缩率上升均很快，当温度降低到1200℃时，试样的断面收缩率值已超过80%，此后随温度的降低，试样的端面收缩率又再次降低，在725~750℃之间降到最低，其后随温度的降低又略有所回升. 其中以SCM420上升的最快.

传统研究表明，钢在熔点到600℃之间存在3个脆性温度区，即熔点至1200℃的第I 脆性温度区，1200~900

℃的第II 脆性温度区和900~700℃的第III 脆性温度区，其中第II 脆性温度区只在应变速率大于10−2 s −1时出现. 本实验采用较底的应变速率(1×10−3 s −1)，没有出现第II 脆性区. 如果以R.A.低于60%作为脆性判断依据，根据实验结果20CrMnTi 的第I 脆性温度区为熔点至1360℃，第III 脆性温度区为600~975℃，16MnCr5的第I, III 脆性温度区分别为熔点至1330℃, 600~1060℃，SCM420的第I, III 脆性温度区分别为熔点至1370℃, 710~910℃. 3.3 试样断裂的原因

通过对比可以看出，3种钢在第I 脆性区温度范围内延塑性相差不大，这是因为在此区域内，试样断口呈解理断裂形貌，断口处聚集分布着较多的夹杂物，经能谱分析为含Mn 和Fe 的夹杂物，凝固时在树枝晶间偏析，在晶界处形成了(Mn,Fe)S 等析出物，这些杂质熔点较低，在此高温区域内，部分晶界开始熔化，在拉应力的作用下，沿晶界开裂并直至断裂，导致沿晶断裂[5.6]. 3种钢在此区域内产生断裂的原因相似，所以它们的延塑

性相差不大.

在第III 脆性区，3种钢的延塑性存在明显的差别. 16MnCr5钢的第III 脆性温度区间为600~1060℃，20CrMnTi 钢的第III 脆性温度区间为600~975℃，这两个温度范围都较宽，而SCM420钢的低塑性区为710~910℃，仅200℃的温度范围，比16MnCr5钢和20CrMnTi 钢的塑性凹槽要窄得多. 这是因为三种钢在成分上存在着明显的差别，SCM420钢中的Mo 含量明显高于其它两钢种，Mo 属于强碳化物形成元素，形成的Mo 2C 在钢中的稳定性较差，约在500~650℃温度区间即可溶解，因此在SCM420钢的组织中碳化物含量少，碳化物的不均匀性也较小[7]，在钢中仅发现了MnS 夹杂物(图4).

20CrMnTi 钢中Ti 含量很高，Ti 属于强碳、氮化物

形成元素[8]，如MC 型碳化物在900℃以上才开始溶解

于γ-Fe 中，1100℃以上才能大量溶解，所以，钢中除含有MnS 夹杂外，还有TiN, Ti 4C 2S 2等细小析出物(图5)，这些析出物钉扎晶界，阻止了晶界的迁移，促进了晶界滑移的产生使得裂纹得以沿晶界扩展，导致了20CrMnTi 钢的低塑性区较宽.

16MnCr5钢的低塑性可能是由于钢中Al 和N 的含量较高(Al 为0.05%，N 为0.01%)，有关文献[9]认为[Al]×[N]的溶度积大于2.5×10−4时可以析出AlN ，本实验所用16MnCr5钢中[Al]×[N]已为5×10−4，因此有AlN 析出，促进了因晶界滑移产生裂纹的相互连接，同时钢中铬的碳化物的析出，促进了裂纹的形成(图6)，导致16MnCr5钢的脆性区较宽.