孫雅平，楊 麗*，李永亮，楊玉厚

（1.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063001；2.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,河北 唐山 063016）

0 引言

汽車齒輪主要安裝在變速器與差速器中，起傳動(dòng)、調(diào)速作用，在工作時(shí)主要受到交變載荷的沖擊力、摩擦力、接觸應(yīng)力等多種應(yīng)力的綜合作用。隨著時(shí)間和成本的要求越來越高，齒輪生產(chǎn)廠家將齒輪加工多種步驟整合到一臺(tái)機(jī)床，使用一把刀具，該刀具十分昂貴，因此在齒輪鋼中添加硫元素作為易切削元素，減少加工過程中對(duì)刀具的磨損。而鋼在鍛造或者軋制過程中，硫化物容易沿著軋制方向伸長(zhǎng)，從而使鋼的橫向性能明顯降低。同時(shí)齒輪工作時(shí)受到交變載荷的應(yīng)力作用易在長(zhǎng)條狀硫化物尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋源，并沿著硫化物擴(kuò)展，最終造成齒輪的開裂失效[1-3]。因此如何在易切削齒輪鋼中獲得長(zhǎng)寬比小的球狀或橢球狀硫化物至關(guān)重要。

前人對(duì)于鋼中MnS 夾雜物在變形過程中的形貌控制進(jìn)行了較多的研究。邵肖靜[4]等在研究非調(diào)質(zhì)鋼中MnS 夾雜物的熱變形行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著變形溫度的增加，長(zhǎng)度大于5 μm 的MnS 數(shù)量呈減少趨勢(shì)，變形量對(duì)MnS 的相對(duì)塑性影響較大，隨著變形量從10%增加到50%，MnS 的相對(duì)塑性平均值從2.26 減小到0.30，同時(shí)變形速率對(duì)MnS 夾雜物的長(zhǎng)度和相對(duì)塑性沒有明顯的影響。此外，婁德春[5-7]等認(rèn)為硫化物的碎化是隨著變形量呈周期性的變化，周期點(diǎn)和碎化程度與變形溫度有關(guān)。

為了充分了解MnS 夾雜物在鋼基體變形過程中碎化的周期性變化，筆者利用Gleeble-1500 熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)在相同變形速率下對(duì)試樣在不同溫度、不同變形量下進(jìn)行壓縮變形，對(duì)MnS 夾雜物的形貌與尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)MnS夾雜物的碎化進(jìn)行分析，最后根據(jù)MnS 夾雜物與基體之間的相對(duì)塑性確定適宜的軋制參數(shù)，以便對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的軋制工藝進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

為了研究變形溫度及變形量對(duì)MnS 夾雜物的影響，從Cr-Ni-Mo 系齒輪鋼連鑄坯中取樣并加工成?8 mm×15 mm 的圓柱，按圖1 所示的加熱和變形制度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)鋼化學(xué)成分如表1 所示。試樣首先以10 ℃/s 的加熱速率加熱到1 300 ℃，保溫180 s 以得到均勻的奧氏體組織，然后以10 ℃/s 的速率降溫到變形溫度后保溫30 s 以均勻試樣溫度，接著以0.01 s-1的變形速率分別進(jìn)行壓縮變形到變形量20%、40%、60%，達(dá)到設(shè)定變形量后立刻水淬以保留奧氏體組織。將變形后的試樣從剖面切開，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀察MnS 夾雜物的形貌，每個(gè)試樣連續(xù)拍攝五十個(gè)視場(chǎng)用來統(tǒng)計(jì)MnS 夾雜物的長(zhǎng)寬比及其分布。

圖1 Gleeble-1500 熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)加熱及變形制度Fig.1 Heating and deformation schedule of Gleeble-1500 thermo-mechanical simulator

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test steel %

壓縮過程中MnS 與齒輪用鋼基體間的相對(duì)塑性計(jì)算采用Malkiewicz 與Rudnik[5-7]的定義公式，即MnS 相對(duì)塑性ν為：

式中，εi代表MnS 真應(yīng)變，εm代表試驗(yàn)鋼基體真應(yīng)變，λ0和λ代表MnS 軋制前后的長(zhǎng)寬比，h0和h代表試樣原始長(zhǎng)度和壓縮后長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 MnS 夾雜物分析

2.1.1 MnS 夾雜物形貌

基體的壓縮變形溫度和變形量對(duì)MnS 夾雜物形貌的影響如圖2 所示，可以看出，在20%變形量下，隨著溫度升高，MnS 尺寸逐漸長(zhǎng)大后減小，在1 100 ℃時(shí)達(dá)到最大；在40%變形量下，隨著溫度升高，MnS 尺寸同樣呈現(xiàn)先長(zhǎng)大后減小的趨勢(shì)，在1 000 ℃時(shí)達(dá)到最大；在60 %變形量下，MnS 尺寸呈現(xiàn)逐漸長(zhǎng)大的趨勢(shì)。在900 ℃和1 200 ℃時(shí)，MnS 夾雜物尺寸呈現(xiàn)規(guī)律性變化，900 ℃時(shí)，隨著變形量增加，MnS 尺寸逐漸降低；在1 200 ℃時(shí)隨著變形量增加，MnS 尺寸逐漸升高；在1 000 ℃和1 100 ℃時(shí)，MnS 尺寸無明顯的規(guī)律性。這說明在變形過程中MnS 的長(zhǎng)大和碎化同時(shí)發(fā)生，在不同溫度和不同變形量下，長(zhǎng)大和碎化分別占據(jù)主要地位。從圖中可以看出，隨著溫度的增加，MnS 達(dá)到碎化狀態(tài)所需變形量在逐漸降低。在900 ℃-60%和1 200 ℃-20%時(shí)，MnS 夾雜物的尺寸較小，數(shù)量較多，且此時(shí)形貌比較規(guī)則，呈橢圓形或圓形，說明此時(shí)碎化在變形過程中占據(jù)主要地位，實(shí)際軋制過程中宜選用低溫大變形量或者高溫小變形量軋制制度。

圖2 變形溫度和變形量對(duì)MnS 夾雜物形貌的影響Fig.2 Effect of deformation temperature and deformation amount on morphology of MnS inclusions

2.1.2 MnS 夾雜物尺寸分布

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了不同變形參數(shù)下MnS 的長(zhǎng)寬比及其分布情況，如圖3 所示。在900 ℃下，隨著變形量的增加，長(zhǎng)寬比小于2 的MnS 數(shù)量大大增加，MnS 的狀態(tài)由長(zhǎng)大變?yōu)樗榛?；而? 200 ℃下，隨著變形量的增加，長(zhǎng)寬比小于2 的MnS 數(shù)量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，MnS 的狀態(tài)由碎化變?yōu)殚L(zhǎng)大，在1 200 ℃-40%下進(jìn)行壓縮變形時(shí)，雖然長(zhǎng)寬比小于2 的MnS 數(shù)量較多，同時(shí)長(zhǎng)寬比大于4 的MnS 數(shù)量同樣較多。長(zhǎng)寬比小于2 的MnS 可以視為圓形或者橢圓型，在900 ℃-60%和1 200 ℃-20%時(shí)能夠獲得較多數(shù)量的長(zhǎng)寬比小于2 的MnS，這與MnS夾雜物形貌分析結(jié)果一致。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖4 為試樣在不同變形條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。從圖4 中可以看出，隨著壓縮變形的進(jìn)行，應(yīng)力隨著應(yīng)變逐漸增加而逐漸增加，當(dāng)應(yīng)力增加到一定值后，增加趨勢(shì)放緩，最終成為一條平緩的平直曲線，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。這是由于在變形的初期，應(yīng)變引起位錯(cuò)密度的增加，導(dǎo)致基體的加工硬化，此時(shí)應(yīng)力快速增加，隨著變形的增加，動(dòng)態(tài)回復(fù)也逐漸增加，使得位錯(cuò)相互抵消，位錯(cuò)密度降低，動(dòng)態(tài)回復(fù)造成的軟化效果抵消了部分加工硬化效果，使得應(yīng)力上升趨勢(shì)放緩，在變形的后期發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得應(yīng)力不在增加甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。MnS 夾雜物在凝固過程中由于偏析多在奧氏體晶界處析出，然后在軋制過程中被拉伸變長(zhǎng)，由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶界的移動(dòng)將會(huì)使得拉長(zhǎng)的MnS 夾雜物分割、斷裂，最終碎化[8]。

在低溫（900 ℃）進(jìn)行壓縮變形時(shí)，由于動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不明顯，因此在變形的初期只發(fā)生夾雜物的長(zhǎng)大現(xiàn)象，當(dāng)變形量達(dá)到60%時(shí)，基體中開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶才會(huì)出現(xiàn)夾雜物的碎化現(xiàn)象。在1 200 ℃時(shí)進(jìn)行壓縮變形，應(yīng)變?cè)?0%時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在晶界的移動(dòng)下拉長(zhǎng)的MnS夾雜物被分割而碎化，但是已經(jīng)碎化的MnS 在后續(xù)變形的過程中會(huì)繼續(xù)發(fā)生長(zhǎng)大現(xiàn)象，因?yàn)楦邷貢r(shí)合金元素的擴(kuò)散速度較快，MnS 的Ostwald 熟化現(xiàn)象能夠進(jìn)行的比較充分[9-10]。

2.3 MnS 夾雜物相對(duì)塑性

MnS 夾雜物的相對(duì)塑性指的是在變形過程中MnS 相對(duì)于基體的變形能力，與MnS 的形貌、尺寸有重要關(guān)系，如相對(duì)塑性越大，在基體變形過程中MnS 更易變形，易于沿軋制方向伸長(zhǎng)呈長(zhǎng)條狀，如相對(duì)塑性較小，說明MnS 的變形能力較弱，在基體變形的過程中僅輕微變形甚至保持原始形貌。因此，選擇MnS 夾雜物相對(duì)塑性較小的熱變形參數(shù)十分重要。

根據(jù)公式（1）計(jì)算了試樣在壓縮變形后統(tǒng)計(jì)的MnS 夾雜物的相對(duì)塑性值，并繪制了圖5。從圖中可知，隨著變形溫度或者變形量的增加，MnS 夾雜物的相對(duì)塑性逐漸降低，從1.6 降低到0.25，說明MnS 的平均長(zhǎng)寬比逐漸降低，高溫、大變形量能夠降低MnS 的相對(duì)塑性值。值得注意的是，從圖3（d）中可以看出，在1 200 ℃進(jìn)行壓縮變形時(shí)，變形量為20%和40%仍然能夠保持較多數(shù)量的長(zhǎng)寬比小于2 的MnS，當(dāng)變形量為60%時(shí)，MnS 的數(shù)量大量減少，說明在較高溫度且大變形量時(shí)，MnS 夾雜物發(fā)生了粗化，此時(shí)相對(duì)塑性值有些許回升。

圖3 熱變形參數(shù)對(duì)硫化物長(zhǎng)寬比分布的影響Fig.3 Effect of thermal deformation parameters on the aspect ratio distribution of sulfide

圖4 試驗(yàn)鋼的真應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curve of test steel

圖5 變形參數(shù)對(duì)硫化物相對(duì)塑性的影響Fig.5 Effect of deformation parameters on relative plasticity of sulfide

高溫、大變形量能夠降低MnS 的相對(duì)塑性值的機(jī)理是：高溫下，合金元素?cái)U(kuò)散速度快，促進(jìn)了MnS的熔斷和重新形核，同時(shí)大變形量引發(fā)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能夠?qū)⒗L(zhǎng)后的MnS 切割，促進(jìn)MnS 的碎化。由于低硫易切削鋼在1 000 ℃和1 100 ℃下變形的無規(guī)律性，考慮到實(shí)際軋制過程中變形溫度和變形量不能精準(zhǔn)控制，應(yīng)當(dāng)避免在1 000～1 100 ℃下進(jìn)行軋制，選擇低溫大變形量或者高溫小變形量較為合適。

3 結(jié)論

1）低溫大變形量或高溫小變形量能夠獲得數(shù)量較多、長(zhǎng)寬比較小的MnS 夾雜物，不僅有利于MnS夾雜物的彌散分布，同時(shí)對(duì)應(yīng)的MnS 夾雜物的相對(duì)塑性較小。

2）在1 000 ℃或1 100 ℃時(shí)對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行軋制或鍛造，MnS 的變形呈現(xiàn)無規(guī)律性，由于實(shí)際生產(chǎn)過程中變形溫度和變形量難以精準(zhǔn)控制，因此應(yīng)當(dāng)避免在1 000～1 100 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行軋制或鍛造。