18CrMnNiMoA重負齒輪鋼的研制

邵淑艷,廖書全,孟 羽

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 江陰 214429)

18CrMnNiMoA重負齒輪鋼的研制

邵淑艷,廖書全,孟 羽

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 江陰 214429)

介紹了重負齒輪鋼18CrMnNiMoA的冶煉及壓力加工等生產(chǎn)工藝的要點,分析了鋼的生產(chǎn)研制質(zhì)量結(jié)果,并從元素成分機理及冶煉加工工藝措施上論述了影響鋼材性能的原因,并從冶煉及控制軋制上提出了細化鋼的晶粒的措施.

18CrMnNiMoA鋼;力學(xué)性能;細化晶粒;控制軋制;機理

18CrMnNiMoA鋼與20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4W A鋼相比具有熱處理變形小,工藝性能優(yōu)良,且使用壽命高一倍以上的優(yōu)點.它的共滲層碳氮層中的化合物細小、彌散、黑色網(wǎng)狀物很少.另外,18CrMnNiMoA鋼的合金元素含量比20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA鋼的少三分之一以上,因此,它的制造成本低、使用性能高.凡可用20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等鋼種制造的各類重負齒輪均可用本鋼種制造.這類重負齒輪鋼對力學(xué)性能、宏觀組織、退火硬度及非金屬夾雜物等冶金質(zhì)量的要求十分嚴(yán)格,某特殊鋼冶金廠與國內(nèi)某廠合作采用真空精煉及電渣重熔工藝冶煉,再經(jīng)鍛造及軋制加工,成功研制出18CrMnNiMoA鋼.

1 工藝路線及技術(shù)指標(biāo)

1.1 工藝路線

18CrMnNiMoA鋼的生產(chǎn)工藝如圖1所示.

1.2 技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 化學(xué)成分

18CrMnNiMoA重負鋼的化學(xué)成分應(yīng)與表1相符.

圖1 工藝流程Fig.1 Technical process

表1 鋼材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition

1.2.2 宏觀組織

在重負鋼的酸洗試片上,不得有肉眼可見白點、殘余縮孔、分層、裂紋、氣泡、夾雜、翻皮和皮下氣泡.宏觀組織檢驗方法按 GB/T 226-1991標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,評級圖譜按 GB/T 1979標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行.鋼的宏觀組織的合格級別應(yīng)滿足表2的規(guī)定.

表2 宏觀組織指標(biāo)Table 2 Index of macrostructure

1.2.3 非金屬夾雜物

鋼材的非金屬夾雜物應(yīng)按 GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗,合格級別應(yīng)滿足表3的規(guī)定.

表3 非金屬夾雜物指標(biāo)Table 3 Index of non-metallic inclusion

1.2.4 晶粒度

按ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)對鋼材的晶粒度進行檢驗,其合格級別應(yīng)≥6級.

1.2.5 力學(xué)性能

按照GB/T229-2007,GB/T228-2002及GB/T2975-1998標(biāo)準(zhǔn)檢驗鋼材的力學(xué)性能,其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)符合表4的規(guī)定.

表4 力學(xué)性能指標(biāo)Table 4 Index of mechanical property

2 生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

2.1 冶 煉

在電弧爐中采用氧化法初煉,爐料為優(yōu)選廢鋼和生鐵,強化脫磷并嚴(yán)格控制出鋼溫度.電弧爐初煉后,鋼水在真空精煉爐中采用喂鋁強制沉淀脫氧及爐渣擴散脫氧相結(jié)合的工藝,進行強化脫氧和脫硫.采用吹氬攪拌鋼水,應(yīng)嚴(yán)格控制高真空度及高真空保持時間.精煉時應(yīng)對鋼的合金元素成分精確控制,為細化鋼的晶粒組織,還要對鋼進行微合金化處理.精煉后,澆鑄的電極經(jīng)電渣重熔處理,要嚴(yán)格控制電渣重熔冶煉時的電壓、電流及渣系配比和重熔渣使用量,在電渣重熔時進一步脫硫、去氣體及去非金屬夾雜物,提高鋼的強韌性.

由于18CrMnNiMoA是Cr,Mn,Ni,Mo系列合金結(jié)構(gòu)鋼,其化學(xué)成分中含有高熔點的Mo及易氧化的Si,Mn等元素,此外,還加入了細化晶粒的元素,使精控成分及保證成分的均勻性難度較大.采用真空精煉和電渣重熔雙聯(lián)冶煉工藝可解決這些問題.

在真空下冶煉,可使鋼中的氣體及夾雜少,提高合金的性能;在氬氣的攪拌下,鋼液的化學(xué)成分和溫度均勻一致,可準(zhǔn)確地調(diào)整和控制冶煉溫度,促進夾雜物上浮并被爐渣吸收.在真空下精煉,還可提高各合金元素的收得率和穩(wěn)定性,為將合金成分控制在最佳區(qū)間創(chuàng)造了良好的條件.將真空冶煉后澆鑄的電極進行電渣重熔冶煉時,由于鋼液始終有渣液保護,金屬不與空氣直接接觸,合金元素的燒損較低,成分容易控制,可避免在冶煉及澆鑄過程中耐火材料對鋼液的污染,熔化金屬的快速軸向結(jié)晶,使鋼錠組織致密,縮孔較小,沒有疏松及皮下氣泡等缺陷,提高了熱加工塑性[2].另外,電渣重熔冶煉時,鋼液可被熔渣有效地精煉,其中所含的氣體、雜質(zhì)、非金屬夾雜物等可被大量去除,得到純潔度高、組織致密均勻、表面質(zhì)量良好的鋼錠.

2.2 鋼錠冷卻

為防止鋼錠冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力開裂,對電渣重熔鋼錠進行去應(yīng)力退火處理.

2.3 壓力加工

為保證鋼材內(nèi)部組織的致密性,應(yīng)嚴(yán)格控制加工比.鋼錠鍛造及軋制時嚴(yán)格控制加熱溫度及加熱時間,并進行控制軋制及鍛造加工,以保證鋼的晶粒細化要求.軋制及鍛造后鋼材采用去應(yīng)力退火處理,防止出現(xiàn)白點等缺陷.

在鍛造及軋制加工時,為充分發(fā)揮各合金元素的有利作用,保證細的晶粒及組織均勻性,采用鍛造開坯來保證變形的均勻性,對鍛造鋼坯采用鍛造和軋制二次成材的加工工藝路線.控制鍛造及軋制時的溫度使鋼材在塑性良好的奧氏體區(qū)變形.對鋼材進行退火,消除內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力,改善鋼的組織,使鋼既具有高的強度又具有高的韌性,且鋼材的表面質(zhì)量較好.

2.4 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

采用本工藝生產(chǎn)的18CrMnNiMoA鋼,具有鋼質(zhì)純凈、組織均勻、機械性能優(yōu)異、表面無缺陷等特點.鋼材的化學(xué)成分全部達到表1所列的要求,其中有害元素 S的含量在0.003%以下,P的含量在0.010%以下.B類非金屬夾雜物的細系及粗系均不大于1.0級,A,C,D類非金屬夾雜物均不大于0.5級;宏觀組織的一般疏松、中心疏松和偏析均不大于1.0級;鋼材的退火硬度均在250HBW以下;晶粒度全部7級以上;拉伸及沖擊性能也遠遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求.對齒輪鋼用戶的使用情況的跟蹤結(jié)果表明,采用該鋼材所制造的各類重負齒輪零件完全滿足產(chǎn)品的使用要求.

3 工藝質(zhì)量分析

3.1 元素成分對鋼材性能的影響

為適應(yīng)重負齒輪惡劣的工況,該齒輪鋼的化學(xué)成分一般設(shè)計為:0.18C-0.30Si-1.25Mn-1.15Cr-1.15Ni-0.25Mo.為防止晶粒長大,冶煉時還需添加微量元素Al等.Mn含量稍高,一方面可滿足齒輪較大截面心部淬透性的要求,另一方面可減輕滲碳層中碳化物聚集成塊[1];Ni元素可使?jié)B碳鋼獲得碳梯度小且有一定韌性的表層;Mo元素可提高表層硬度并增大有效硬化層深度;Cr元素一方面顯著提高淬透性,另一方面還可形成微細的硬化質(zhì)點而增加耐磨性.Cr-Mo共用可提高滲層的抗氧化性并防止?jié)B層中出現(xiàn)貝氏體,Cr-Mo-Ni共用可得到很高的沖擊斷裂強度,從而使齒輪既具有高的疲勞強度又具有高的過載抗力.通過Cr,Mn,Ni和Mo的合理組合,使18CrMnNiMoA鋼的心部強韌性良好,滲層顯微組織優(yōu)異,所以它比20Cr2Ni4,18Cr2Ni4W鋼制的同類零件的使用壽命長很多.

3.2 細化鋼的晶粒

在冶煉和鍛造、軋制過程中采取有效的措施可細化鋼的晶粒.

在冶煉過程中,可添加微量鋁來抑制再結(jié)晶,使鋼在奧氏體區(qū)加工時,鋼中析出鋁的氧化物、氮化物、碳化物等第二相質(zhì)點在γ晶界和亞晶界進行,使晶粒粗化溫度提高,阻礙再結(jié)晶,從而進一步細化晶粒.

在鍛造、軋制過程中,首先,控制鋼錠坯鍛軋加熱的溫度,以使原始奧氏體晶粒細小,其次,控制鋼材終鍛軋溫度,防止因終鍛軋溫度的過高或過低,出現(xiàn)粗晶混晶缺陷;最后采取合理的退火工藝,保證晶粒的細小及組織的均勻.

熱加工工藝參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶的影響,取決于應(yīng)變速率和變形程度.在應(yīng)變速率和變形程度一定的條件下,變形溫度越高,發(fā)生臨界動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形程度就越小.這是由于隨變形溫度的升高,金屬原子的熱振動振幅增大,較多滑移系得以啟動,從而使合金吸收較多變形能,使動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力增大;變形溫度過低,則變形抗力增大,發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶所需的臨界變形程度也大幅增大,使動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力減小,不利于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.此外,熱加工工藝參數(shù)對氮化鋁等第二相質(zhì)點的析出也有影響,變形溫度過低,第二相質(zhì)點在鋼中析出得較慢,且使已經(jīng)析出的氮化鋁等在鋼中的分布不均,會在滑移系、位錯線等部位偏聚,對位錯運動起釘扎作用,從而使其對鋼的細化作用減弱,造成混晶.

在實際生產(chǎn)中,應(yīng)先以較低的溫度進行錠坯的鍛軋,再精確控制鋼材的終鍛軋溫度,使奧氏體再結(jié)晶被抑制,隨壓下量的增加,奧氏體晶粒伸長,晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量形變帶.γ/α晶粒相變時,在奧氏體晶界和形變帶上都產(chǎn)生大量的α晶核.形核點的增多,使α晶核進一步被細化,可得到較細小的鐵素體晶粒[3].

4 結(jié) 論

采用真空精煉加電渣重熔冶煉,經(jīng)鍛造及軋制工藝路線生產(chǎn)的18CrMnNiMoA齒輪鋼的組織均勻、力學(xué)性能優(yōu)良、純潔度高,采取精控鋼中主要化學(xué)元素含量,細化晶粒及降低硫磷雜質(zhì)、非金屬夾雜物、氣體含量等措施,并合理控制鍛軋工藝參數(shù),使18CrMnNiMoA鋼的各項技術(shù)指標(biāo)均達到了設(shè)計要求,滿足重負齒輪鋼的使用要求.

[1]鋼鐵研究總院.合金鋼手冊(上冊)[M].北京:中國工業(yè)出版社.1971:54.

[2]傅杰,陳恩普,謝繼瑩.鋼的特種冶煉[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1982:157.

[3]薛懿德,高崇.特殊鋼壓力加工[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000:437-438.

A study on processing about carbonitriding pinion steel for heavy load

SHAO Shu-yan,LIAO Shu-quan,MENG Yu
(J iangyin Xincheng S pecial Steel Works Co.,Ltd,J iangyin214429,China)

The technique of smelting and press working of high carbonitriding pinion steel 18CrMnNiMoA for heavy load was introduced and the quality of steel production was analysed.The factors of influencing the property of steel were discussed based on the chemical composition and smelting processing.The measures of adding trace elements and using thermo-mechanical control process(TMCP),which were for refining the grain size of steel,were proposed.

18CrMnNiMoA;mechanical property;grain refining;controlled rolling(TMCP);mechanism

TG142

A

1673-9981(2010)03-0188-04

2010-05-06

邵淑艷(1968—),女,遼寧撫順人,高級工程師,碩士.