20CrMnTi是一種性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當好。主要用于生產(chǎn)汽車、摩托車、農(nóng)機、工程機械用的齒輪、軸類、活塞類零配件以及其它各種零部件。    

     公司生產(chǎn)的20CrMnTi 齒輪鋼在鍛打成齒輪毛坯時表面出現(xiàn)了大量的表面裂紋。對此技術人員立即對存在表面裂紋的齒輪毛坯開裂原因進行分析，以便制定相應措施，杜絕齒輪鋼鍛打開裂問題的再現(xiàn)。

     根據(jù)試樣開裂情況，選取有代表性的兩處裂紋進行金相分析，具體取樣位置如圖1所示，試樣分析面為縱向。并將1^#、2^#試樣進行化學成分分析。

     試樣采用鋸切取樣，為防止試樣加工過熱影響分析結(jié)果，嚴格控制鋸切速度，并采用專用鋸切冷卻液冷卻鋸片。

1.1 化學成分分析   

     取1^#、2^#試樣進行光譜化學成分分析，分析結(jié)果如表1所示。

    從表1可以看出，1^#、2^#試樣的化學成分均與出廠圓鋼成品成分基本一致，可見化學成分正常。

1.2 組織分析    

     取1^#、2^#試樣進行組織分析，試樣經(jīng)粗磨、細拋并清洗后分析裂紋形貌，結(jié)果如圖2所示。

    采用正置式光學顯微鏡的刻度尺對裂紋尺寸進行測量，1^#試樣開裂位置寬度為2.1 mm，裂紋長度( 即由表面往基體延伸的深度) 為2.46mm; 2^#試樣開裂位置寬度為1.8 mm，裂紋長度2.3mm。裂紋與試樣表面呈約45°向里延伸。從裂紋尖端的形貌可知，裂紋附近無異常的非金屬夾雜物。 

     將試樣進行腐蝕，觀察其金相組織，見圖3、圖4、圖5、圖6。結(jié)果表明，1^#、2^#試樣的裂紋附近都存在異常的魏氏組織( 根據(jù)GB/T 13299 標準，可評級為最嚴重的5級) ，而且魏氏組織達到360um厚; 裂紋周邊的晶粒異常粗大。

      魏氏組織，也即魏氏體，在0.15%～0.50%C的鋼中產(chǎn)生，在鑄造、鍛造和焊接加工時，由于加熱溫度過高，導致奧氏體晶粒較粗; 冷卻時，產(chǎn)生的先共析鐵素體呈片狀或粗大羽毛狀，與原奧氏體有一定位向關系，這種組織稱為魏氏體組織。在亞共析鋼中常見的魏氏組織呈羽毛狀，有呈等邊三角形的，有與鐵素體相互垂直的，也有混合型的魏氏組織。

2.1 產(chǎn)生異常組織的原因   

     魏氏組織產(chǎn)生主要原因是鍛造時的加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，冷卻時產(chǎn)生魏氏組織。魏氏組織容易出現(xiàn)在過熱鋼中，因此，奧氏體晶粒越粗大，越容易出現(xiàn)魏氏組織。低合金鋼的鍛造加熱一般在氧化性氣氛中進行，如發(fā)生過燒現(xiàn)象，也形成嚴重的魏氏體組織，過燒組織在隨后的熱處理過程中是無法修復的。魏氏組織常伴隨著奧氏體晶粒粗大而出現(xiàn)，也即晶粒粗大與過熱魏氏組織是相隨相生的。鋼由高溫較快地冷卻下來往往容易出現(xiàn)魏氏組織，慢冷則不易出現(xiàn)。在低合金鋼的鍛造過程中，即使始鍛、終鍛溫度合適，如鍛后冷卻不規(guī)范，也有可能形成魏氏體組織。結(jié)合金相分析結(jié)果來看，鋼的表面形成大量魏氏組織，但脫碳現(xiàn)象不是特別嚴重，因此，可能只是加熱溫度過高導致晶粒粗大、形成魏氏組織，在過熱溫度段停留時間不是特別長而未造成嚴重脫碳現(xiàn)象。

2.2 齒輪毛坯鍛打開裂的原因

     鋼由于加熱溫度過高導致奧氏體晶粒粗大，并產(chǎn)生魏氏組織，會導致鋼的力學性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低，同時使脆性轉(zhuǎn)折溫度升高，即增加鋼的脆性，因此嚴重的魏氏組織會導致后續(xù)鍛打加工時產(chǎn)生開裂。結(jié)合鍛打試樣的形貌，裂紋向基體延伸與鋼的表面基本呈特定的方向(30°、45°角) ，這與魏氏組織與原奧氏體有一定位向是對應的。可見鍛打裂紋的形貌及組織分析結(jié)果都表明，導致鍛打開裂的原因是鋼過熱導致奧氏體晶粒粗大、產(chǎn)生魏氏組織。

      預防鍛打開裂主要就是防止產(chǎn)生異常組織，而魏氏組織及晶粒粗大的控制預防措施有: 

1) 控制好加熱溫度，不宜過高，防止過熱。對于20CrMnTi 齒輪鋼，一般加熱溫度應控制在≤1220℃，短時(10min 左右) 超溫≤1250℃; 定時檢測加熱爐的熱電偶，防止熱電偶溫度漂移，導致溫度超過。

2) 控制冷卻速度，鍛造過程或鍛后的冷卻速率，防止快冷。鍛后不宜風冷，防止鍛后冷速過快開裂。

1) 通過化學成分、非金屬夾雜物、金相組織等分析，表明鍛打開裂的齒輪毛坯試樣存在異常的魏氏組織及晶粒粗大現(xiàn)象；

2) 分析魏氏組織及晶粒粗大產(chǎn)生原因可知，導致鍛打開裂的主要原因是毛坯加熱溫度過高，導致奧氏體晶粒異常粗大，同時產(chǎn)生魏氏組織，使齒輪毛坯的脆性轉(zhuǎn)折溫度升高，即增加鋼的脆性，最終導致鍛打時開裂；

3) 預防齒輪鋼鍛打開裂的主要措施是控制好加熱溫度，防止過熱，并控制鍛后冷卻速度，防止冷速過快。