D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.042 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的 影响 张延玲) 刘海英)阮小江)李国忠)白李国)王福明) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)兴澄特种钢铁有限公司，江阴214429 摘要带状组织是影响中低碳齿轮钢内在质量的主要缺陷之一，本研究利用光学显微镜观察到了2 OCrMnTiH和 SAE862OH齿轮钢工业样品的带状组织，电子探针分析表明两钢种样品中均存在着Cr、Mn,Si等合金元素的带状偏聚.分析 结果表明，元素偏聚只是产生带状组织的必要和前提条件，而非充分条件·除了微观偏析之外，合金元素对Y~α转变温度A3 的影响趋势、在钢液中的溶解度或含量、对C活度的影响趋势、以及对CCT曲线的影响趋势等均对带状组织的形成或消除具 有重要影响，减弱或消除带状组织的形成，一方面需要获得细小的铸坯二次枝晶间距，促进元素均匀分布，另一方面即便是在 存在元素偏聚的条件下，若控制适当的轧制冷却工艺及合适的奥氏体晶粒尺寸，也有可能从根本上消除带状组织· 关键词齿轮钢：合金元素；带状组织：20 CrMnTiH;SAE8620H Microsegregation behaviors of alloy elements and their effects on the formation of banded structure in pinion steels ZHA NG Yan-ling.LIU Hai-ying,RUAN Xioo-jiang),LI Guo-zhong,BAI Li-guo),WANG Fu-ming) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Jiangyin Xingcheng Special Steels Co.Ltd.Jiangyin 214429.China ABSTRACT Banded structure is one of the main defects which influence inner quality of medium-and low-carbon pinion steels.In this paper,the banded structures of industrial pinion steel samples of 20CrMnTiH and SAE8620H were observed by optical micro- scope,and the results of EP MA analysis showed obvious banded segregation of alloying elements,such as chromium,manganese and silicon in these two types of samples.However,the results revealed that element segregation is,not a sufficient,but a necessary con- dition of forming banded structures.since in some examples even the banded segregation of elements was observed while the banded structures did not exist.In addition to micro segregation.other properties of alloying elements,such as their effect trend on the tran- sition temperature from austenite to ferrite (A,3).their solubility or content in steel,their effect on the carbon activity and CCT curves,also give significant influence on the formation of banded structures.In order to weaken or eliminate banded structures,sever- al possible ways were suggested for the industrial practice. KEY WORDS pinion steel:alloy element:banded structures:20CrMnTiH:SAE8620H 中低碳齿轮钢中的带状组织是指沿钢材轧制方 中在合金含量较低的低碳钢中带状组织的形成机理 向形成的、以先共析铁素体为主的带与以珠光体为 及控制措施方面，在这类研究样品中，人们发现C、 主的带彼此堆叠而成的组织形态，带状组织是影响 Mn元素（也有部分文献[5,7]中发现P元素）的带 齿轮钢内在质量的主要因素之一，它破坏了钢的连 状偏聚是产生带状组织的主要原因，带状组织的消 续性，会使齿轮钢的性能产生明显的各向异性，通 除也主要是从消除C、Mn等元素的微观偏析入手， 常认为，元素偏析是产生带状组织最根本的原因， 包括L,:加快钢液凝固时的冷速，减小C、Mn元 从目前所获得的资料来看0]，前人的研究主要集 素偏聚程度，降低偏聚浓度差；采用较高的铸坯均热 收稿日期：2009-10-15 基金项目：江阴兴澄特种钢铁有限公司博士后流动站资助项目 作者简介：张延玲(l972一)，女，副教授，博士，E-mail:zhangyanling(@metall.ustb~cd:cn
中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的 影响 张延玲1） 刘海英2） 阮小江2） 李国忠2） 白李国1） 王福明1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 兴澄特种钢铁有限公司江阴214429 摘 要 带状组织是影响中低碳齿轮钢内在质量的主要缺陷之一．本研究利用光学显微镜观察到了 20CrMnTiH 和 SAE8620H 齿轮钢工业样品的带状组织电子探针分析表明两钢种样品中均存在着 Cr、Mn、Si 等合金元素的带状偏聚．分析 结果表明元素偏聚只是产生带状组织的必要和前提条件而非充分条件．除了微观偏析之外合金元素对γ→α转变温度 Ar3 的影响趋势、在钢液中的溶解度或含量、对 C 活度的影响趋势、以及对 CCT 曲线的影响趋势等均对带状组织的形成或消除具 有重要影响．减弱或消除带状组织的形成一方面需要获得细小的铸坯二次枝晶间距促进元素均匀分布另一方面即便是在 存在元素偏聚的条件下若控制适当的轧制冷却工艺及合适的奥氏体晶粒尺寸也有可能从根本上消除带状组织． 关键词 齿轮钢；合金元素；带状组织；20CrMnTiH；SAE8620H Microsegregation behaviors of alloy elements and their effects on the formation of banded structure in pinion steels ZHA NG Y an-ling 1）LIU Ha-i ying 2）RUA N Xiao-jiang 2）LI Guo-z hong 2）BAI L-i guo 1）W A NG Fu-ming 1） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Jiangyin Xingcheng Special Steels Co．Ltd．Jiangyin214429China ABSTRACT Banded structure is one of the main defects which influence inner quality of medium-and low-carbon pinion steels．In this paperthe banded structures of industrial pinion steel samples of 20CrMnTiH and SAE8620H were observed by optical microscopeand the results of EPMA analysis showed obvious banded segregation of alloying elementssuch as chromiummanganese and silicon in these two types of samples．Howeverthe results revealed that element segregation isnot a sufficientbut a necessary condition of forming banded structuressince in some examples even the banded segregation of elements was observed while the banded structures did not exist．In addition to micro segregationother properties of alloying elementssuch as their effect trend on the transition temperature from austenite to ferrite （ A r3）their solubility or content in steeltheir effect on the carbon activity and CCT curvesalso give significant influence on the formation of banded structures．In order to weaken or eliminate banded structuresseveral possible ways were suggested for the industrial practice． KEY WORDS pinion steel；alloy element；banded structures；20CrMnTiH；SAE8620H 收稿日期：2009-10-15 基金项目：江阴兴澄特种钢铁有限公司博士后流动站资助项目 作者简介：张延玲（1972—）女副教授博士E-mail：zhangyanling＠metall．ustb．edu．cn 中低碳齿轮钢中的带状组织是指沿钢材轧制方 向形成的、以先共析铁素体为主的带与以珠光体为 主的带彼此堆叠而成的组织形态．带状组织是影响 齿轮钢内在质量的主要因素之一它破坏了钢的连 续性会使齿轮钢的性能产生明显的各向异性．通 常认为元素偏析是产生带状组织最根本的原因． 从目前所获得的资料来看［1—10］前人的研究主要集 中在合金含量较低的低碳钢中带状组织的形成机理 及控制措施方面．在这类研究样品中人们发现 C、 Mn 元素（也有部分文献［57］中发现 P 元素）的带 状偏聚是产生带状组织的主要原因带状组织的消 除也主要是从消除 C、Mn 等元素的微观偏析入手 包括［13—4］：加快钢液凝固时的冷速减小 C、Mn 元 素偏聚程度降低偏聚浓度差；采用较高的铸坯均热 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．042
.200 北京科技大学学报 2009年增刊1 温度和较长的均热时间，加快C、Mn等元素的扩散 本论文结合某企业齿轮钢生产实际，工业生产 速度，但实际条件下往往难以达到元素尤其是Mn 中分别对20 CrMnTiH和SAE8620H两钢种取样， 元素均匀化所需要的时间和温度：以及轧制过程中 利用光学显微镜观察了样品带状组织状况，同时利 进行热加工，高温大变形量热轧使枝晶间距变小，有 用电子探针分析了C、Mn、Cr、Ti、S、Ni等合金元素 利于元素扩散及成分均匀化 的微观偏析状况，分析了这类合金元素的微观偏析 但对于合金含量较高的钢种如齿轮钢等，除了 行为对带状组织的影响趋势及潜在机理，并探讨了 C、Mn等元素以外，其他合金元素如Cr、Si、Ti、Mo、 消除中低碳齿轮钢带状组织的可能措施， $等同样容易产生带状偏聚，且由于不同的合金元 1 实验材料和方法 素对C元素活度的影响差别较大，对钢材冷却过程 中CCT曲线转变的影响趋势不尽相同，进而对奥氏 1.1实验材料 体向珠光体/铁素体的转变均具有较大影响，因此 样品取自于工业生产中的轧材，钢号为 研究这类合金钢中各合金元素的偏析行为、及其对 20 CrMnTiH和SAE8620H两个钢种，分别在轧材的 带状组织形成的潜在影响机理，对于减弱或消除带 表面、中心、半径二分之一处取样.各钢种合金元素 状组织具有重要意义， 成分含量及样品编号如下表1所示， 表1各钢种主要合金元素成分 合金元素含量/% 样品 钢种 C Si Mn P Cr Ni Mo Ti 编号 20CrMnTiH 0.22 0.27 0.97 0.01 0.005 1.14 0.045 0.05 0.05 1332,1336,1337 SAE8620H 0.19 0.25 0.78 0.01 0.02 0.48 0.46 0.17 0.02 1373,1374 1.2实验分析方法 像.根据背散射分析原理可知，图像亮度越高说明 (1)对样品进行粗磨、细磨、抛光后，用4%硝酸 具有高原子序数的元素含量越高.图3显示的结果 酒精溶液侵蚀样品表面，利用光学显微镜观察带状 说明332样品中具有高原子序数的元素呈现明显 组织状况· 的带状偏聚， (2)利用电子探针观察样品表面的背散射情 对图3中的某一亮带部位利用电子探针进行面 况，对应于带状组织部位进行面扫描，分析C、Mn、 扫描，结果如图4所示.可以看出样品中存在着明 Si,Cr、Ni、Mo、S等元素的微观分布状况. 显的Cr、Mn、Si、C元素的带状偏聚，且偏聚带对应 2结果分析 着金相样中的珠光体带(C含量较高)，而Ti、Ni元 素分布较为均匀， 2.1实验样品带状组织概况 由图3至图5的结果可以发现，本研究所获得 图1、图2所示分别为本实验获得的 的20 CrMnTiH齿轮钢三个样品中均存在着Cr、 20 CrMnTiH及SAE8620H齿轮钢轧制样在光学显 Mn、Si三种元素较为明显的带状偏聚，所不同的是 微镜下观察到的、具有代表性的金相组织照片，可 有的样品中Cr、Mn、Si元素的带状偏聚能够导致C 以看出，对于20 CrMnTiH,在编号为I332的样品中 元素的带状偏聚，进而产生珠光体/铁素体带状组 发现了明显的带状组织（图1(a)、(b),带宽在几十 织，如I332样品，而有的样品，如I336、I337,在即 个微米至百微米之间：而在编号为I336、I337的样 便是上述三种元素存在带状偏聚，但C元素却均匀 品中（图1(c)、(d))几乎没有发现带状组织，与I332 分布，进而在奥氏体转化过程中各部位珠光体、铁素 相比，I336、I337样品中的珠光体颗粒尺寸较大，直 体均匀形核，有效抑制了带状组织的形成，由图1 径约有几十微米甚至近百微米，SAE8620H中，两 可以看出，与I332样品明显的带状组织相比，I336、 样品中发现的带状组织状况类似，带宽约几十微米 I337样品中没有发现带状，却出现了尺寸较大的珠 至近百微米，如图2所示 光体颗粒或“珠光体结瘤”.己有研究]也发现了同 2.2合金元素微观偏析状况 样的问题，即在没有出现带状的样品中发现了大量 2.2.120 CrMNTiH钢种 尺寸较大的“珠光体结瘤'(Pearlite Nodule),作者认 图3所示为利用电子探针观测到的 为这些“珠光体结瘤”是由轧制过程中尺寸较大的奥 20 CrMnTiH齿轮钢I332样品中心部位的背散射图 氏体晶粒转变而来的（奥氏体晶界作为铁素体形核
温度和较长的均热时间加快 C、Mn 等元素的扩散 速度但实际条件下往往难以达到元素尤其是 Mn 元素均匀化所需要的时间和温度；以及轧制过程中 进行热加工高温大变形量热轧使枝晶间距变小有 利于元素扩散及成分均匀化． 但对于合金含量较高的钢种如齿轮钢等除了 C、Mn 等元素以外其他合金元素如 Cr、Si、Ti、Mo、 S 等同样容易产生带状偏聚且由于不同的合金元 素对 C 元素活度的影响差别较大对钢材冷却过程 中 CCT 曲线转变的影响趋势不尽相同进而对奥氏 体向珠光体／铁素体的转变均具有较大影响．因此 研究这类合金钢中各合金元素的偏析行为、及其对 带状组织形成的潜在影响机理对于减弱或消除带 状组织具有重要意义． 本论文结合某企业齿轮钢生产实际工业生产 中分别对20CrMnTiH 和 SAE8620H 两钢种取样 利用光学显微镜观察了样品带状组织状况同时利 用电子探针分析了 C、Mn、Cr、Ti、S、Ni 等合金元素 的微观偏析状况分析了这类合金元素的微观偏析 行为对带状组织的影响趋势及潜在机理并探讨了 消除中低碳齿轮钢带状组织的可能措施． 1 实验材料和方法 1∙1 实验材料 样品 取 自 于 工 业 生 产 中 的 轧 材钢 号 为 20CrMnTiH 和 SAE8620H 两个钢种分别在轧材的 表面、中心、半径二分之一处取样．各钢种合金元素 成分含量及样品编号如下表1所示． 表1 各钢种主要合金元素成分 钢种 合金元素含量／％ C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti 样品 编号 20CrMnTiH 0∙22 0∙27 0∙97 0∙01 0∙005 1∙14 0∙045 0∙05 0∙05 I332I336I337 SAE8620H 0∙19 0∙25 0∙78 0∙01 0∙02 0∙48 0∙46 0∙17 0∙02 I373I374 1∙2 实验分析方法 （1） 对样品进行粗磨、细磨、抛光后用4％硝酸 酒精溶液侵蚀样品表面利用光学显微镜观察带状 组织状况． （2） 利用电子探针观察样品表面的背散射情 况对应于带状组织部位进行面扫描分析 C、Mn、 Si、Cr、Ni、Mo、S 等元素的微观分布状况． 2 结果分析 2∙1 实验样品带状组织概况 图 1、图 2 所 示 分 别 为 本 实 验 获 得 的 20CrMnTiH 及 SAE8620H 齿轮钢轧制样在光学显 微镜下观察到的、具有代表性的金相组织照片．可 以看出对于20CrMnTiH在编号为 I332的样品中 发现了明显的带状组织（图1（a）、（b））带宽在几十 个微米至百微米之间；而在编号为 I336、I337的样 品中（图1（c）、（d））几乎没有发现带状组织与 I332 相比I336、I337样品中的珠光体颗粒尺寸较大直 径约有几十微米甚至近百微米．SAE8620H 中两 样品中发现的带状组织状况类似带宽约几十微米 至近百微米如图2所示． 2∙2 合金元素微观偏析状况 2∙2∙1 20CrMNTiH 钢种 图 3 所 示 为 利 用 电 子 探 针 观 测 到 的 20CrMnTiH 齿轮钢 I332样品中心部位的背散射图 像．根据背散射分析原理可知图像亮度越高说明 具有高原子序数的元素含量越高．图3显示的结果 说明 I332样品中具有高原子序数的元素呈现明显 的带状偏聚． 对图3中的某一亮带部位利用电子探针进行面 扫描结果如图4所示．可以看出样品中存在着明 显的 Cr、Mn、Si、C 元素的带状偏聚且偏聚带对应 着金相样中的珠光体带（C 含量较高）而 Ti、Ni 元 素分布较为均匀． 由图3至图5的结果可以发现本研究所获得 的20CrMnTiH 齿轮钢三个样品中均存在着 Cr、 Mn、Si 三种元素较为明显的带状偏聚所不同的是 有的样品中 Cr、Mn、Si 元素的带状偏聚能够导致 C 元素的带状偏聚进而产生珠光体／铁素体带状组 织如 I332样品．而有的样品如 I336、I337在即 便是上述三种元素存在带状偏聚但 C 元素却均匀 分布进而在奥氏体转化过程中各部位珠光体、铁素 体均匀形核有效抑制了带状组织的形成．由图1 可以看出与 I332样品明显的带状组织相比I336、 I337样品中没有发现带状却出现了尺寸较大的珠 光体颗粒或“珠光体结瘤”．已有研究［9］也发现了同 样的问题即在没有出现带状的样品中发现了大量 尺寸较大的“珠光体结瘤”（Pearlite Nodule）作者认 为这些“珠光体结瘤”是由轧制过程中尺寸较大的奥 氏体晶粒转变而来的（奥氏体晶界作为铁素体形核 ·200· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 张延玲等：中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响 ·201. 图120 CrMnTiH样品金相组织：(a)I332样品中心部位：(b)1332样品二分之一半径处：(c)1336样品中心部位；(d)I337样品中心部位 图2SAE8620H样品金相组织：(a)I373样品中心部位：(b)I374样品中心部位 件，而非充分条件，即便是在存在元素带状偏析的 条件下，如果采取合理措施也有可能从根本上消除 带状组织，从本研究来看，可能的情况是与332相 比，I336、I337样品中原始奥氏体晶粒较大，铁素体 形核核心较少，难以形成带状，而在尺寸较大的奥氏 体晶粒内部最终转化成了尺寸同样较大的“珠光体 结瘤”. 2.2.2SAE8620H钢种 JEOL COMP 20.EkV 40183m011m 图6、图7所示分别为SAE8620H齿轮钢中 图3I332样品(20 CrMnTiH背散射图像 I374样品在电子探针下的背散射图像及面扫描结 核心，C进一步扩散到原奥氏体晶粒内部，最后形成 果，可以看出，该样品中Cr、Si、C元素存在着带状 珠光体)·从目前可获得的文献来看，国外有较多研 偏聚，进而导致产生珠光体/铁素体带状组织 究发现[6,810]即便是在存在合金元素带状偏聚的条 (图2)，Ni、Mo元素分布相对均匀，而Mn元素主要 件下，如果原始奥氏体晶粒尺寸相对于二次枝晶间 以MnS夹杂物形式存在，且MnS带嵌在珠光体带 距较大（有文献[9]认为是二次枝晶间距的2.5~3 之间，二者方向一致.从本结果来看该样品中出现 倍，也有文献[10]认为是0.7倍以上)时，带状组织 的带状组织并不是由通常认为的Mn元素的带状偏 也不会形成 析引起的，主要是由Cr、Si、C三元素的带状偏析 这说明元素偏析只是引起带状组织的必要条 引起
图1 20CrMnTiH 样品金相组织：（a） I332样品中心部位；（b） I332样品二分之一半径处；（c） I336样品中心部位；（d） I337样品中心部位 图2 SAE8620H 样品金相组织：（a） I373样品中心部位；（b） I374样品中心部位 图3 I332样品（20CrMnTiH）背散射图像 核心C 进一步扩散到原奥氏体晶粒内部最后形成 珠光体）．从目前可获得的文献来看国外有较多研 究发现［68—10］即便是在存在合金元素带状偏聚的条 件下如果原始奥氏体晶粒尺寸相对于二次枝晶间 距较大（有文献［9］认为是二次枝晶间距的2∙5～3 倍也有文献［10］认为是0∙7倍以上）时带状组织 也不会形成． 这说明元素偏析只是引起带状组织的必要条 件而非充分条件．即便是在存在元素带状偏析的 条件下如果采取合理措施也有可能从根本上消除 带状组织．从本研究来看可能的情况是与 I332相 比I336、I337样品中原始奥氏体晶粒较大铁素体 形核核心较少难以形成带状而在尺寸较大的奥氏 体晶粒内部最终转化成了尺寸同样较大的“珠光体 结瘤”． 2∙2∙2 SAE8620H 钢种 图6、图7所示分别为 SAE8620H 齿轮钢中 I374样品在电子探针下的背散射图像及面扫描结 果．可以看出该样品中 Cr、Si、C 元素存在着带状 偏聚进 而 导 致 产 生 珠 光 体／铁 素 体 带 状 组 织 （图2）Ni、Mo 元素分布相对均匀．而 Mn 元素主要 以 MnS 夹杂物形式存在且 MnS 带嵌在珠光体带 之间二者方向一致．从本结果来看该样品中出现 的带状组织并不是由通常认为的 Mn 元素的带状偏 析引起的主要是由 Cr、Si、C 三元素的带状偏析 引起． Vol．31Suppl．1 张延玲等： 中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响 ·201·
,202 北京科技大学学报 2009年增刊1 JE0LC0HP23.W×208180011mm 一 图41332样品面扫描结果：(a)背散射图像：(b)面扫描分析结果 (b) JE0LC0P22.3w×280100mHD11m 图51336样品中的背散射图像及面扫描结果：(a)背散射图像；(b)面扫描结果 JEGC3HP2.击W 28w18mH011m 面针 图61374样品(SAE8620H)背散射图像 2.3合金元素的其他性质对带状组织的影响 图71374样品(SAE8620H)面扫描结果 (1)合金元素的偏析倾向. 度之比k(如下式(1)来表示.k越小，说明偏析的 有的研究结果已表明带状组织是在钢液由液相 倾向越大 向固相转变时产生的枝晶偏析的基础上形成的，因 k=CB/C1 (1) 此各合金元素在钢液凝固过程中偏析倾向的大小对 式中，CB为元素在已凝固相中的浓度；C1为液相中 最终形成带状组织的级别具有重要影响，元素偏析 的浓度. 倾向通常用其在已凝固金属中的浓度与液相中的浓 由目前可获得资料中查到的、常见元素在固液
图4 I332样品面扫描结果：（a） 背散射图像；（b） 面扫描分析结果 图5 I336样品中的背散射图像及面扫描结果：（a） 背散射图像；（b） 面扫描结果 图6 I374样品（SAE8620H）背散射图像 2∙3 合金元素的其他性质对带状组织的影响 （1） 合金元素的偏析倾向． 有的研究结果已表明带状组织是在钢液由液相 向固相转变时产生的枝晶偏析的基础上形成的因 此各合金元素在钢液凝固过程中偏析倾向的大小对 最终形成带状组织的级别具有重要影响．元素偏析 倾向通常用其在已凝固金属中的浓度与液相中的浓 图7 I374样品（SAE8620H）面扫描结果 度之比 k（如下式（1））来表示．k 越小说明偏析的 倾向越大． k＝CB／C1 （1） 式中CB 为元素在已凝固相中的浓度；C1 为液相中 的浓度． 由目前可获得资料中查到的、常见元素在固液 ·202· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 张延玲等：中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响 .203 相中的浓度分配比k如下表2所示 SAE8620H齿轮钢种，是富含Cr、Mn、Ti、Mo等合 可以看出，元素如C、S、P等偏析倾向较大，其 金元素的钢种，这几种元素在钢液向固相转变过程 次是Cr、Mn、Mo、Si等.不同的文献给出的k值并 中产生的枝晶偏析会对轧材中的带状组织具有重要 不相同，尤其是对于Cr元素，不同研究者得到的k 影响， 值差别较大·本论文研究的20 CrMnTiH、 表2元素在钢液凝固过程中在固液相的浓度分配比 元素 Cr C Mn Si 雪 Mo P 0.86,0.95,0.34.0.79,0.84,0.8, 0.91.0.83.0.61y.0.061.0.13.0.03, 0.336] 0.135) 0.71[] 0.665] 0.86] 0.8f 0.14句 0.025 (2)合金元素对Y→a转变温度Ar3的影响 者含量较低，由其偏聚引起的△A3(A3温度变化) 目前所讨论的钢中带状组织缺陷通常指的是钢 的绝对值并不大，进而对带状组织的影响也并不明 在Yα固相相变的过程中产生的二次带状（区别于 显.反而如Mn元素，其影响A3的程度并不大（公 钢液由液相向固相转变过程中由于选择性结晶引起 式中的系数较小)，但通常由于Mn含量较高，它的 的原生或一次带状，有时又称其为树枝状结晶组 偏析反而成了影响带状组织形成的重要因素.有研 织).前面讨论的合金元素的偏析倾向会使得元素 究结果5]也表明，在低合金钢中P的偏析是产生 在一次带状的枝干和枝间的浓度不同，进而引起枝 带状的主要原因之一，而在如20 CrMnTiH等合金 干和枝间的Ar3温度不同，在轧制过程中钢锭中的 元素含量相对较高的钢中，由P偏析起的作用会被 粗大枝晶沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一 其他合金的偏聚所掩盖，对带状组织的形成起不到 致，在Ar3温度较高的地方会先形成铁素体，并促 主导作用 使碳原子向A3温度较低因而仍保留为奥氏体的相 (4)合金元素对C活度的影响， 邻区域扩散，在这些富集碳的地方，最后形成珠光 Y→α转变的实质是C元素的重新分配，C元素 体.不同合金元素对Y·α转变温度Ar3的影响趋 的扩散方向和区域直接决定了珠光体/铁素体带的 势不同，进而对珠光体/铁素体的影响趋势也不同， 形成.C的扩散是由活度高的地方向其活度低的地 一般情况下，奥氏体形成元素将降低Ar3,使转 方进行，即便是浓度较低的地方如果活度高，它也会 变的过冷度减小，转变的驱动力减小，增加过冷奥氏 扩散到活度低而有可能浓度高的地方（即爬坡扩 体的稳定性，而铁素体形成元素将使Ac3温度升 散)，而C活度的大小受其他合金元素的影响较大 高，使转变的过冷度增大，资料表明P、Al、Ti、Si、 本研究所探讨的20 CrMnTiH、SAE8620H钢中如 Mo、V等元素会升高Ar3温度，而C、Mn,Cr等元素 Cr、Mn等是碳化物形成元素，这类元素偏聚的地方 的偏聚会降低Ar3温度121.下式(2)所示为研究12] C的活度较小，而Si,P等元素的存在会使C活度升 得到的各合金元素对Ac3温度的影响，从中可间接 高，因此，不同性质的元素偏聚会引起C的扩散方 反映出各元素对A3温度的影响程度及趋势，本文 向和程度不同，进而对形成带状组织的影响趋势也 所讨论的20 CrMnTiH、SAE8620H钢种所含合金元 不同 素中，Cr、Mn、Ni等降低Ar3温度，而Si、Ti、Mo等 (5)元素对CCT曲线的影响 提高Ar3温度 合金元素对过冷奥氏体恒温转变动力学曲线的 Ac,(℃)=910-203%C-15.2(%Ni)+ 影响趋势不同，由此产生的对带状组织的影响趋势 44.7(%si)+104(%V)+31.5(%Mo)+ 也不同，Ti、V、Nb、W、Mo等强碳化物形成元素强 13.1(%W)-[30(%Mn)+11(%Cr)+ 烈推迟珠光体转变，对贝氏体转变推迟较少，同时升 20(%Cu)-700(%P)-400(%A1)一 高珠光体最大转变速度的温度，降低贝氏体最大转 120(%As)-400(%Ti)] (2) 变速度的温度.而Cr、Mn等中、弱碳化物形成元素 (③)元素在钢液中的溶解度或含量 推迟贝氏体转变的作用更加显著，有文献表 各合金元素在钢液中的溶解度或含量也是影响 明1314，由于Mo元素能够推迟珠光体转变，促进 带状组织的一个重要因素，(2)式中，从公式内部的 针状铁素体组织的形成，在某些钢种成分中通过添 系数来看，P、Ti等影响A3的趋势非常大，但如果二 加适量的Mo元素能够有效抑制带状组织的形成
相中的浓度分配比 k 如下表2所示． 可以看出元素如 C、S、P 等偏析倾向较大其 次是 Cr、Mn、Mo、Si 等．不同的文献给出的 k 值并 不相同尤其是对于 Cr 元素不同研究者得到的 k 值 差 别 较 大． 本 论 文 研 究 的 20CrMnTiH、 SAE8620H 齿轮钢种是富含 Cr、Mn、Ti、Mo 等合 金元素的钢种这几种元素在钢液向固相转变过程 中产生的枝晶偏析会对轧材中的带状组织具有重要 影响． 表2 元素在钢液凝固过程中在固液相的浓度分配比 元素 Cr C Mn Si Ni Mo P S k 0∙86［11］0∙95［5］ 0∙33［6］ 0∙34［11］ 0∙13［5］ 0∙79［11］0∙84［5］ 0∙71［6］ 0∙8［11］ 0∙66［5］ 0∙9［11］0∙83［5］ 0∙8［6］ 0∙6［11］ 0∙8［5］ 0∙06［11］0∙13［5］ 0∙14［6］ 0∙03［11］ 0∙02［5］ （2） 合金元素对γ→α转变温度 Ar3 的影响． 目前所讨论的钢中带状组织缺陷通常指的是钢 在γ→α固相相变的过程中产生的二次带状（区别于 钢液由液相向固相转变过程中由于选择性结晶引起 的原生或一次带状有时又称其为树枝状结晶组 织）．前面讨论的合金元素的偏析倾向会使得元素 在一次带状的枝干和枝间的浓度不同进而引起枝 干和枝间的 Ar3 温度不同．在轧制过程中钢锭中的 粗大枝晶沿变形方向被拉长并逐渐与变形方向一 致．在 Ar3 温度较高的地方会先形成铁素体并促 使碳原子向 Ar3 温度较低因而仍保留为奥氏体的相 邻区域扩散在这些富集碳的地方最后形成珠光 体．不同合金元素对γ→α转变温度 Ar3 的影响趋 势不同进而对珠光体／铁素体的影响趋势也不同． 一般情况下奥氏体形成元素将降低 Ar3使转 变的过冷度减小转变的驱动力减小增加过冷奥氏 体的稳定性．而铁素体形成元素将使 Ac3 温度升 高使转变的过冷度增大．资料表明 P、Al、Ti、Si、 Mo、V 等元素会升高 Ar3 温度而 C、Mn、Cr 等元素 的偏聚会降低 Ar3 温度［12］．下式（2）所示为研究［12］ 得到的各合金元素对 Ac3 温度的影响从中可间接 反映出各元素对 Ar3 温度的影响程度及趋势．本文 所讨论的20CrMnTiH、SAE8620H 钢种所含合金元 素中Cr、Mn、Ni 等降低 Ar3 温度而 Si、Ti、Mo 等 提高 Ar3 温度． A C3 （℃）＝910—203 ％C—15∙2（％Ni）＋ 44∙7（％Si）＋104（％V）＋31∙5（％Mo）＋ 13∙1（％W）—［30（％Mn）＋11（％Cr）＋ 20（％Cu）—700（％P）—400（％Al）— 120（％As）—400（％Ti）］ （2） （3） 元素在钢液中的溶解度或含量． 各合金元素在钢液中的溶解度或含量也是影响 带状组织的一个重要因素．（2）式中从公式内部的 系数来看P、Ti 等影响 A r3的趋势非常大但如果二 者含量较低由其偏聚引起的ΔA r3（ A r3温度变化） 的绝对值并不大进而对带状组织的影响也并不明 显．反而如 Mn 元素其影响 A r3的程度并不大（公 式中的系数较小）但通常由于 Mn 含量较高它的 偏析反而成了影响带状组织形成的重要因素．有研 究结果［57］也表明在低合金钢中 P 的偏析是产生 带状的主要原因之一而在如20CrMnTiH 等合金 元素含量相对较高的钢中由 P 偏析起的作用会被 其他合金的偏聚所掩盖对带状组织的形成起不到 主导作用． （4） 合金元素对 C 活度的影响． γ→α转变的实质是 C 元素的重新分配．C 元素 的扩散方向和区域直接决定了珠光体／铁素体带的 形成．C 的扩散是由活度高的地方向其活度低的地 方进行即便是浓度较低的地方如果活度高它也会 扩散到活度低而有可能浓度高的地方（即爬坡扩 散）．而 C 活度的大小受其他合金元素的影响较大． 本研究所探讨的20CrMnTiH、SAE8620H 钢中如 Cr、Mn 等是碳化物形成元素这类元素偏聚的地方 C 的活度较小而 Si、P 等元素的存在会使 C 活度升 高．因此不同性质的元素偏聚会引起 C 的扩散方 向和程度不同进而对形成带状组织的影响趋势也 不同． （5） 元素对 CCT 曲线的影响． 合金元素对过冷奥氏体恒温转变动力学曲线的 影响趋势不同由此产生的对带状组织的影响趋势 也不同．Ti、V、Nb、W、Mo 等强碳化物形成元素强 烈推迟珠光体转变对贝氏体转变推迟较少同时升 高珠光体最大转变速度的温度降低贝氏体最大转 变速度的温度．而 Cr、Mn 等中、弱碳化物形成元素 推迟 贝 氏 体 转 变 的 作 用 更 加 显 著．有 文 献 表 明［13—14］由于 Mo 元素能够推迟珠光体转变促进 针状铁素体组织的形成在某些钢种成分中通过添 加适量的 Mo 元素能够有效抑制带状组织的形成． Vol．31Suppl．1 张延玲等： 中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响 ·203·