冷卻速度對(duì)新型微變形齒輪鋼組織和性能的影響

冷卻速度對(duì)新型微變形齒輪鋼組織和性能的影響

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的許多汽車齒輪直接用鋼滲碳進(jìn)行加熱和冷卻，但在加熱過(guò)程中，熱應(yīng)力與馬體相同的組織應(yīng)力相互作用。齒輪的浙感污染很大，安裝困難，甚至出現(xiàn)廢水。為了減少畸變,研制了一種新型微變形齒輪鋼GDL-1。該鋼以Si、Mn為主加合金元素,再添加其它微量元素。用GDL-1鋼制作的齒輪滲碳空冷后表面可獲得高的硬度而心部具有良好的強(qiáng)韌性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了汽車齒輪的微變形(該鋼已完成中間試驗(yàn),目前進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段)。但用該鋼制造的齒輪在滲碳出爐空冷過(guò)程中,由于外表面與心部的冷卻速度相差較大,加上環(huán)境溫度的變化,其橫截面上的組織類型也產(chǎn)生了差異。為了保證齒輪達(dá)到要求的組織和性能,筆者對(duì)GDL-1鋼在不同冷卻速度下的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。1透射電鏡觀察金相組織及其亞結(jié)構(gòu)試驗(yàn)材料選用5t電弧爐冶煉的GDL-1鋼,經(jīng)鍛造、預(yù)先熱處理后加工成各種試樣。油冷、空冷、硅酸鋁纖維包冷、隨爐冷等不同冷速的測(cè)量方法為:熱處理時(shí)在一附帶試樣上鉆?5mm～?10mm的孔,孔內(nèi)焊有熱電偶,將熱電偶與測(cè)溫表連接,并將其與力學(xué)性能試樣同時(shí)加熱、保溫按油冷、空冷、硅酸鋁纖維包冷以及爐冷的方法進(jìn)行冷卻,記錄冷卻時(shí)間tv和溫度,計(jì)算平均冷卻速度Vt,試樣奧氏體化溫度為900℃。利用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡和H-800透射電鏡觀察金相組織及其亞結(jié)構(gòu);在拉伸機(jī)上測(cè)定材料強(qiáng)度、塑性指標(biāo),試樣尺寸為?8mm×130mm,用標(biāo)準(zhǔn)梅氏沖擊試樣在沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定材料沖擊韌度。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1gl-1鋼在較寬冷速下的生長(zhǎng)按上述試驗(yàn)方法測(cè)定冷速的結(jié)果見(jiàn)表1。由于合金元素的作用,GDL-1鋼在較寬冷速范圍內(nèi)均可獲得貝氏體組織?？绽洹⒐杷徜X纖維包冷、爐冷的冷卻速度均小于臨界冷速,油冷的冷卻速度大于臨界冷速。2.2組織及微觀形態(tài)冷卻速度不同,GDL-1鋼的微觀組織不同。當(dāng)冷卻速度小于臨界冷速時(shí),隨冷速的下降,GDL-1鋼組織變化為:馬氏體+束狀貝氏體→束狀貝氏體→束狀貝氏體+粒狀貝氏體→粒狀貝氏體→粒狀貝氏體+粒狀組織→粒狀組織。當(dāng)冷速大于臨界冷速時(shí),試樣組織為板條馬氏體,見(jiàn)圖1a;GDL-1鋼空冷時(shí),其組織基本由板條束狀貝氏體和少量的粒狀貝氏體組成,見(jiàn)圖1b;硅酸鋁纖維包冷組織為粒狀組織和粒狀貝氏體的混合體,見(jiàn)圖1c;隨爐冷組織主要是粒狀組織,其中有很少的粒狀貝氏體,見(jiàn)圖1d。粒狀組織的形成是在貝氏體中溫轉(zhuǎn)變的高溫區(qū),由于此時(shí)冷速較慢,鐵素體晶核在過(guò)冷奧氏體貧碳區(qū)中以塊狀轉(zhuǎn)變方式形成并無(wú)方向性長(zhǎng)大,導(dǎo)致M-A島無(wú)序分布在鐵素體基體上,島的尺寸較大,多呈等軸狀。粒狀貝氏體形成在較低溫度區(qū),此時(shí)冷速較快,在過(guò)冷奧氏體貧碳區(qū)中形成片狀鐵素體晶核并以貝氏體鐵素體方式長(zhǎng)大,M-A島有序分布于板條鐵素體間,島的尺寸較小多呈長(zhǎng)條狀分布。束狀貝氏體是以平行的貝氏體板條形態(tài)出現(xiàn)的,在板條中被殘留奧氏體分割形成亞單元,殘留奧氏體是以薄膜狀形態(tài)分布,隨著冷速的增加,等軸島狀逐漸變?yōu)槠叫械拈L(zhǎng)條形態(tài),直至形成馬氏體。粒狀組織、粒狀貝氏體和束狀貝氏體在TEM下的微觀形態(tài)見(jiàn)圖2a、b、c所示。經(jīng)電鏡觀察,粒狀組織、粒狀貝氏體和束狀貝氏體中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)碳化物。2.3微觀組織和力學(xué)性能GDL-1鋼在不同冷速下的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。GDL-1鋼的性能與其組織密切相關(guān),在小于臨界冷速時(shí),GDL-1鋼的組織為粒狀貝氏體、粒狀組織或兩者的混合組織,隨冷速提高,粒狀貝氏體量增多。表2中鋼的強(qiáng)度和韌性隨鋼中粒狀貝氏體量的增加而提高,尤其沖擊功值提高更為明顯。束狀貝氏體比粒狀貝氏體和粒狀組織韌性高得多的原因有兩點(diǎn):一是束狀貝氏體中鐵素體基體為平行板條狀,同時(shí)板條被殘留奧氏體分割為更細(xì)小的單元,比塊狀基體的粒狀組織和條狀的粒狀貝氏體有效晶粒尺寸小,基體界面增多,可有效的阻礙裂紋擴(kuò)展,使裂紋分支和鈍化,從而有更高的韌性;二是束狀貝氏體的薄膜狀殘留奧氏體具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,可在應(yīng)變誘發(fā)相變過(guò)程中吸收更多能量,使沖擊韌度顯著提高。束狀貝氏體、粒狀貝氏體和粒狀組織中鐵素體基體均呈碳的過(guò)飽和狀態(tài),并有高密度位錯(cuò),所以束狀貝氏體、粒狀貝氏體和粒狀組織均具有較高的強(qiáng)度。但束狀貝氏體中M-A島尺寸比粒狀組織和粒狀貝氏體中M-A島尺寸更小,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有更大的阻礙作用,所以束狀貝氏體與粒狀組織和粒狀貝氏體相比具有較高的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)GDL-1鋼在不同冷速下的微觀組織和力學(xué)性能比較,結(jié)果表明,當(dāng)生產(chǎn)中采用此鋼作為滲碳齒輪鋼批量生產(chǎn)時(shí),滲碳空冷過(guò)程中要有一定的冷卻速度,以保證齒輪從外至內(nèi)均獲得性能優(yōu)異的束狀貝氏體組織。與傳統(tǒng)20CrMnTi滲碳齒輪鋼相比,GDL-1鋼完全達(dá)到甚至超過(guò)了它的力學(xué)性能指標(biāo),見(jiàn)表2,而且空冷硬化后的熱應(yīng)力很小,齒輪畸變小,精密度高,可大大降低廢品率,因此GDL-1鋼可代替?zhèn)鹘y(tǒng)齒輪滲碳鋼20CrMnTi,應(yīng)用前景廣闊。3充分體力學(xué)性能(1)GDL-1鋼隨爐冷卻為粒狀組織,硅酸鋁纖維包冷為粒狀組織和粒狀貝氏體的混合組織,空冷狀態(tài)下獲得以束狀貝氏體為主的顯微組織。(