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低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除
刘云旭
(吉林工学院材料工程系，长春 130012)
摘 要：研究了低碳合金钢中带状组织和混晶组织形成的原因、对钢材质量的影响和消除方法。
结果表明，这两种组织主要是钢中的成分偏析引起的，而且常成因果关系。
带状组织会降低钢的力学性能、切削加工性能和塑性成形性能，带状组织中的合金元素偏析，在常规退火、正火、淬火、渗碳加热条件下难以消除。
采用电渣重熔、快速结晶、增大锻造比和扩散退火等技术，可以减轻或避免钢材带状组织的形成。
关键词：低碳合金钢；带状组织；混晶组织
1 引言
低碳合金钢(包括渗碳钢)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[1，2]。
混晶组织是指在热处理加热奥氏体化后获得了大小相差悬殊，粗细晶粒共存的组织形态。
它们都是经常出现的钢材的缺陷性组织。
由于我国的一些机械制造企业，对这种缺陷性组织的危害认识不足，材料入厂对其未作检查，而在产品加工过程中或制成后，因带状组织超标、混晶组织严重，满足不了用户要求时，在对热处理能否消除这种组织缺乏理性认识的情况下，要求热处理部门予以解决，并要求设备制造工厂带有消除或改善这种组织功能的预先热处理设备，常因达不到要求而发生纠纷。
应一些企业之约撰写此文，拟从这种缺陷性组织形成原因，对制件的危害和减轻或消除技术等方面予以说明。
2 试验
试验用钢为汽车渗碳齿轮常用的低碳合金钢，其钢号及化学成分列于表1。
从30CrMo钢汽车齿轮锻坯切取试样，平行轴线方向的显微组织如图1所示，可以看出带状组织形貌，其中白色为先共析铁素体，灰黑色为细珠光体加贝氏体。
将此试样经1000℃×1h→640℃×1h等温处理，其显微组织如图2所示。
可以看出，已无贝氏体，但带状组织形貌仍然存在，而严重程度有所减轻。
图1 30CrMo钢锻坯的显微组织 ×250 图2 30CrMo钢等温正火后的显微组织 ×100将具有带状组织的试样，进行930℃×4h气体渗碳淬火，用热侵蚀法显示原奥氏体晶粒，其形貌如图3所示。
可以看
出是晶粒大小相差悬殊的混晶组织，而且其大小按带状分布，小晶粒处有粒状碳化物存在。
为了对比起见，在同炉号20CrMnTi钢材中，选择铁素体和珠光体比较均匀的棒料(A)和带状组织较为严重的棒料(B)制成试样(两者的化学成分基本相同，A的平均成分见表1，B的平均成分与A相比，+0.01%C，-0.1%Mn，-0.035%Ti，
+0.001%S，+0.005%P)，经940℃正火后在连续渗碳炉中随汽车零件一起进行渗碳淬火，观察表层显微组织发现，A为均匀分布的细针状马氏体加少量残留奥氏体，相当于ZBT4001-88金相标准中的3级，B有粗大针状马氏体和大量残留奥氏体，相当于标准中的6级。
用热浸法显示奥氏体晶粒，A为比较均匀的细小晶粒，B为粗细不均的混晶组织。
用Q-920图象分析仪对其晶粒尺寸的分布进行了测定，结果如图4所示。
可以看出，A的晶粒度大多数为7～9号，B最大晶粒为2号，最小为11号，即具有严重的混晶现象。
用扫描电镜和能谱仪垂直带状组织进行线扫描测定Mn的分布，表明分布是不均匀的，随着带状组织中组织不同而波动，在以铁素体为主的带中含Mn低，在以珠光体为主的带中含Mn高[3]。
图3 30CrMo钢渗碳淬火后表层的晶粒形貌 ×250 图4 20CrMnTi钢正常组织(A)
和带状组织(B)渗碳淬火后的晶粒大小和分布
1 正常组织(A)
2 带状组织(B)
将带状组织比较严重的20CrMnTi钢，制成U形缺口冲击试样，分别经930℃和1200℃奥氏体化淬火，200℃回火，进行系列冲击试验，其结果如图5所示。
可以看出，1200℃比930℃奥氏体化淬火具有高的常温冲击韧度和低的脆性转化温度。
930℃淬火试样断口附近的显微组织如图6所示。
可见试样具有混晶组织，而且裂纹沿晶界扩展。
1200℃淬火试样，由于奥氏体化温度很高，使钢中的带状成分偏析减轻，获得了大小均匀的晶粒，虽然晶粒比较粗大，但仍获得了较高的冲击韧度。
图5 带状组织20CrMnTi钢930℃和1200℃ 图6 带状组织20CrMnTi钢930℃淬火200℃
奥氏体化淬火200℃回火后的系列冲击韧度 回火后冲击试样断口附近的显微组织 ×200
1.930℃
2.1200℃
3 讨论
由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带(实质上是条)和贫化带彼此交替堆叠，在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体，将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；而碳及合金元素富化带(过冷奥氏体稳定性较高)，在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。
成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。
由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并具有明显的各向异性[4]。
具有带状组织的钢件，热处理时需要重视碳及合金元素在奥氏体中的均匀化问题。
通常完成奥氏体转变(铁素体消失)比较容易，但欲使碳特别是合金元素均匀化是相当困难的。
通常碳的均匀化需要在950℃以上，合金元素的均匀化则需要在1100℃以上。
均匀化时间受带状组织带宽、带间浓度差和要求均匀化程度而定。
以带状组织带宽0101cm、带间Mn
的浓度差为016%，要求减小至014%为例，在1100℃下需要的扩散时间可用下式求得：
式中C和C0为均匀化处理后和前的浓度差；D为均匀化元素的扩散系数(Mn在1100℃为2×10-11cm2/s)；t为扩散时间s；l为带的宽度cm。
结果得出t=2.06×105s，即5.72h。
低碳合金钢制件热处理加热温度，一般都在950℃以下，因此不可能消除带状组织中的合金元素偏析。
但是可采用电渣重熔[4]，增大钢液结晶速度、增大锻造比、提高终轧(锻)温度和扩散退火等技术来避免或减轻。
虽然常用热处理不能消除合金元素偏析，但可使碳趋于均匀化，在这种情况下，如果采用较快的冷却速度，使过冷奥氏体在较低温度下转变，碳不能或不能充分扩散到碳化物形成元素富化区，因而可以看不出(如淬火)或改善(如等温正火)带状组织形貌，但合金元素偏析的危害依然存在，如果再加热奥氏体化缓冷，仍然会形成带状组织。
如果奥氏体中合金元素含量不均匀，将导致其晶粒长大倾向不一，碳化物形成元素富化区易残留未溶碳化物和降低碳原子扩散速度而抑制晶粒长大，贫化区晶粒则容易长大，故易出现混晶组织。
淬火时合金元素贫化区的淬透性低，易形成非马氏体组织。
渗碳淬火时混晶中的粗大晶粒形成粗大针状马氏体加大量残留奥氏体。
因此，带状组织在常规热处理之后，都具有较低的力学性能。
此外，因成分偏析引起膨胀系数和相变前后比容差异增大，使零件淬火变形增大。
4 结论
(1)低碳合金钢中的带状组织是钢锭中粗大枝晶偏析在轧制过程中形成的。
可用电渣重熔、增大结晶速度、提高终轧温度、增大锻造比或扩散退火来改善或避免。
(2)带状组织造成了钢的各向异性，降低了力学性能、切削性能、塑性成形性能和淬透性，淬火后易形成混晶组织和非马氏体组织，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。
(3)采用常规热处理如退火、正火、淬火、渗碳等，因不能消除带状组织中合金元素偏析，虽然快冷可抑制碳的不均匀分布，不出现或减轻带状组织，但重新加热缓冷时又会形成带状组织。
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