汽車齒輪是汽車的基礎零件，長期以來，我國機械行業中合金滲碳鋼多以20CrMnTi齒輪鋼為主，遠不能滿足不同模數的齒輪及其他滲碳件的要求. 近年來，隨汽車工業的發展，引進和開發了許多新型的合金滲碳齒輪鋼，按照合金系列分類有Cr系、Cr−Mn系、Cr−Mo系及Cr−Ni−Mo系等. 本工作選擇了齒輪鋼中幾個具有代表性的鋼種，有Cr−Mn系中的16MnCr5齒輪鋼、Cr−Mo系中的SCM420齒輪鋼及我國的主體鋼種20CrMnTi齒輪鋼進行研究. 許 多研究已表明鑄坯表面裂紋與鋼的高溫力學性能有著密切關系[1−4]，影響拉伸實驗條件下晶間斷裂的因素也是影響連鑄中橫裂紋的主要因素，因而研究齒輪鋼在高溫下各種力學性能的變化對連鑄工藝的制定有著重要的指導意義.

        本實驗所采用的試樣為16MnCr5齒輪鋼、SCM420齒輪鋼、20CrMnTi齒輪鋼，三者成分含量見下表：

        高溫應力應變測試在美國DSI公司制造的Gleeble- 1500實驗機上進行，試樣水平放置，試樣夾持好后，試樣室用氬氣保護. 整個系統由加熱、力學測試、計算機控制和數據采集及分析處理幾個部分組成，可實現溫度及力學參數(載荷、變形量、應變等)的精確計算程序控制. 測試時，試樣夾持好后，試樣室通入流量為1 L/min的氬氣流，以10℃/S的速度加熱至1350℃并保溫1 min，然后以3℃/s的速度降溫到預定的實驗測試溫度，保溫1 min后，以ε=1×10−3 s−1的形變速率對試樣進行拉伸直至斷裂，如圖1所示. 試樣拉斷后，立即對斷口部位大量噴水冷卻，以保持測試溫度下試樣的組織形貌. 試樣冷卻后測量拉斷部位橫截面積，計算出其斷面收縮率R.A.，并對部分試樣進行掃描電鏡和金相顯微鏡等的分析檢驗. 

        抗拉強度的變化

        圖2為在相同的實驗條件下，3種齒輪鋼的強度隨溫度的變化曲線. 通過比較可以看出，溫度在900℃以上3種鋼的強度差別不大，幾乎是相等的，并且隨溫度升高，試樣的抗拉強度緩慢下降. 當溫度低于900℃以后，試樣的強度明顯增加，其中20CrMnTi鋼的強度比16MnCr5，SCM420鋼上升得要快，強度最高值也高于另外兩鋼種，這可能是由于20CrMnTi中TiN析出物的存在，可以起到強化奧氏體晶粒的作用，使其強度升高.

        斷面收縮率的變化

        圖3為在相同的實驗條件下，3種鋼斷面收縮率隨溫度變化的曲線.20CrMnTi, 16MnCr5, SCM420 3種鋼的零斷面收縮率分別為1390, 1400, 1400℃，隨溫度的降低，3種鋼試樣的斷面收縮率上升均很快，當溫度降低到1200℃時，試樣的斷面收縮率值已超過80%，此后隨溫度的降低，試樣的端面收縮率又再次降低，在725~750℃之間降到最低，其后隨溫度的降低又略有所回升. 其中以SCM420上升的最快. 傳統研究表明，鋼在熔點到600℃之間存在3個脆性溫度區，即熔點至1200℃的第I脆性溫度區，1200~900℃的第II脆性溫度區和900~700℃的第III脆性溫度區，其中第II脆性溫度區只在應變速率大于10−2 s−1時出現. 本實驗采用較底的應變速率(1×10−3 s−1)，沒有出現第II脆性區. 如果以R.A.低于60%作為脆性判斷依據，根據實驗結果20CrMnTi的第I脆性溫度區為熔點至1360℃，第III脆性溫度區為600~975℃，16MnCr5的第I, III脆性溫度區分別為熔點至1330℃, 600~1060℃，SCM420的第I, III脆性溫度區分別為熔點至1370℃, 710~910℃. 3.3 試樣斷裂的原因 通過對比可以看出，3種鋼在第I脆性區溫度范圍內延塑性相差不大，這是因為在此區域內，試樣斷口呈解理斷裂形貌，斷口處聚集分布著較多的夾雜物，經能譜分析為含Mn和Fe的夾雜物，凝固時在樹枝晶間偏析，在晶界處形成了(Mn,Fe)S等析出物，這些雜質熔點較低，在此高溫區域內，部分晶界開始熔化，在拉應力的作用下，沿晶界開裂并直至斷裂，導致沿晶斷裂[5.6]. 3種鋼在此區域內產生斷裂的原因相似，所以它們的延塑 性相差不大.
 

        在第III脆性區，3種鋼的延塑性存在明顯的差別. 16MnCr5鋼的第III脆性溫度區間為600~1060℃，20CrMnTi鋼的第III脆性溫度區間為600~975℃，這兩個溫度范圍都較寬，而SCM420鋼的低塑性區為710~910℃，僅200℃的溫度范圍，比16MnCr5鋼和20CrMnTi鋼的塑性凹槽要窄得多. 這是因為三種鋼在成分上存在著明顯的差別，SCM420鋼中的Mo含量明顯高于其它兩鋼種，Mo屬于強碳化物形成元素，形成的Mo2C在鋼中的穩定性較差，約在500~650℃溫度區間即可溶解，因此在SCM420鋼的組織中碳化物含量少，碳化物的不均勻性也較小[7]，在鋼中僅發現了MnS夾雜物(圖4).
 

         20CrMnTi鋼中Ti含量很高，Ti屬于強碳、氮化物 形成元素[8]，如MC型碳化物在900℃以上才開始溶解 于γ-Fe中，1100℃以上才能大量溶解，所以，鋼中除含有MnS夾雜外，還有TiN, Ti4C2S2等細小析出物(圖5)，這些析出物釘扎晶界，阻止了晶界的遷移，促進了晶界滑移的產生使得裂紋得以沿晶界擴展，導致了20CrMnTi鋼的低塑性區較寬. 16MnCr5鋼的低塑性可能是由于鋼中Al和N的含量較高(Al為0.05%，N為0.01%)，有關文獻[9]認為[Al]×[N]的溶度積大于2.5×10−4時可以析出AlN，本實驗所用16MnCr5鋼中[Al]×[N]已為5×10−4，因此有AlN析出，促進了因晶界滑移產生裂紋的相互連接，同時鋼中鉻的碳化物的析出，促進了裂紋的形成(圖6)，導致16MnCr5鋼的脆性區較寬. 

        3種鋼形變誘導鐵素體出現溫度(A3)存在明顯的差別，16MnCr5鋼和20CrMnTi鋼形變誘導鐵素體在725~750℃溫度范圍內出現，而SCM420鋼在800~850℃溫度范圍內出現鐵素體. 鋼中奧氏體向鐵素體轉變溫度受鋼的化學成分影響，3種鋼除Cr, Mo, Ti含量不同外，其他成分基本相同，SCM420鋼中Mo含量(0.24%)明顯高于其他兩鋼種，Cr含量低于其他兩鋼種. 而Mo 屬于縮小γ相區的元素，提高A3點[10]，Cr也屬于縮小奧氏體相區元素，但Cr含量低于7%時，隨Cr含量的增加A3點下降， 所以SCM420鋼的A3點溫度高于其他兩鋼種，在800℃時就有鐵素體出現，從而也導致其在第III脆性區凹槽最低點是由形變誘導鐵素體的出現，導致應力在凹處集中，引起沿晶脆性斷裂；而16MnCr5鋼和20CrMnTi鋼則是由晶界滑移引起的. 
    

        結論 
 

        (1) 在1×10−3 s−1應變速率下，16MnCr5, SCM420, 20CrMnTi 3種鋼試樣的第I脆性溫度區分別為熔點至1330℃, 熔點至1370℃, 熔點至1360℃；第III脆性溫度區分別為600~1060℃, 710~910℃, 600~975℃.

        (2) 在本實驗的應變速率下3種鋼均沒有出現第II脆性區.

        (3) 因3種鋼的成分不同，在第III脆性區產生斷裂的原因不同，SCM420鋼脆性區最低點是由形變誘導鐵素體的產生引起的，而晶界滑移則是16MnCr5和20CrMnTi鋼產生脆性最低點的原因.本文由模具鋼專業供應商—昆山市龍拓金屬制品有限公司（www.aperhaps.com）08月04日訊。   

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