20CrMnTiH5齒輪鋼產(chǎn)品質(zhì)量分析

郭志元

（山鋼股份萊蕪分公司 特鋼事業(yè)部，山東 萊蕪271105）

1 前 言

傳統(tǒng)20CrMnTiH齒輪鋼是國(guó)內(nèi)用于制造各種工程機(jī)械、汽車(chē)等傳動(dòng)齒輪、齒輪軸材料的鋼種。傳統(tǒng)齒輪鋼品種單一，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，為此山鋼股份萊蕪分公司開(kāi)發(fā)了汽車(chē)用Cr-Mn-Ti系列保證淬透性齒輪鋼20CrMnTiH5。該鋼種在成分均勻性、鋼液純凈度、晶粒細(xì)密度以及淬透性上都有大幅度提高，由此細(xì)化市場(chǎng)，滿(mǎn)足客戶(hù)多樣化要求。為考察產(chǎn)品質(zhì)量及對(duì)生產(chǎn)提供進(jìn)一步指導(dǎo)，本研究對(duì)山鋼股份萊蕪分公司生產(chǎn)的20CrMnTiH5鋼質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 質(zhì)量檢驗(yàn)

20CrMnTiH5齒輪鋼生產(chǎn)工藝流程：50 t電爐→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄（電磁攪拌）→軋制→精整→檢驗(yàn)→入庫(kù)。自2015年1—10月，山鋼股份萊蕪分公司共統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)的20CrMnTiH5齒輪鋼476爐，對(duì)鋼的成分及性能進(jìn)行檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。

2.1 化學(xué)成分

20CrMnTiH5鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，由表1可以看出鋼的化學(xué)成分基本控制在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)，P、S雜質(zhì)元素控制較好，Ti含量控制在合理的水平（經(jīng)驗(yàn)數(shù)值Ti含量為0.07%），既細(xì)化了晶粒，又避免TiN夾雜含量過(guò)多。C、Si、Mn、Cr是影響淬透性最強(qiáng)烈的元素，其含量控制在較窄的范圍內(nèi)。由于每爐之間的化學(xué)成分波動(dòng)范圍控制一般，擴(kuò)大了淬透值的波動(dòng)范圍，無(wú)法滿(mǎn)足部分客戶(hù)對(duì)于大批量鋼材淬透性一致的要求。

表1 20CrMnTiH5鋼化學(xué)成分 %

2.2 組織與性能

2.2.1 低倍組織

經(jīng)酸浸后的低倍試片上不得有肉眼可見(jiàn)的縮口、裂紋、氣泡、夾雜、翻皮、白點(diǎn)及有害雜物，協(xié)議要求及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，不同規(guī)格鋼的低倍組織均能達(dá)到要求且波動(dòng)范圍不大。低倍組織檢驗(yàn)一次合格率達(dá)到100%。

2.2.2 非金屬夾雜和晶粒度

非金屬夾雜破壞了鋼的連續(xù)性，造成了鋼的組織不均勻，嚴(yán)重危害鋼材質(zhì)量，降低鋼的使用壽命。鋼中的非金屬夾雜物應(yīng)盡量少，20CrMnTiH5鋼協(xié)議要求及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。統(tǒng)計(jì)表明，非金屬夾雜檢驗(yàn)的一次合格率為99.79%。晶粒大小是齒輪鋼的一項(xiàng)重要指標(biāo)，齒輪鋼中細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，淬火后得到細(xì)馬氏體組織，可明顯改善鋼的疲勞性能，同時(shí)減少齒輪熱處理后的變形量。20CrMnTiH5鋼晶粒度檢驗(yàn)的一次合格率為100%，控制水平較高。

表2 20CrMnTiH5鋼低倍組織 級(jí)

2.2.3 帶狀組織

帶狀組織的存在使20CrMnTiH5鋼組織不均，對(duì)鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能造成不利影響。因此，通過(guò)合理的方式減輕帶狀組織是非常重要的。在生產(chǎn)過(guò)程中，加熱制度控制、終軋溫度控制和軋后冷卻速度控制對(duì)于細(xì)化晶粒、減輕帶狀組織有著明顯的作用［1］。協(xié)議要求20CrMnTiH5鋼帶狀組織≤3.0級(jí)，檢驗(yàn)結(jié)果為0.5～3.0級(jí)，可知帶狀組織一次合格率達(dá)到100%。

2.2.4 氧含量

Q/3700 LYS 198—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氧含量≤20×10-6。氧含量對(duì)于齒輪鋼的疲勞壽命有著重要的影響［2］。檢測(cè)表明，20CrMnTiH5 鋼氧含量為（10.9～22）×10-6，平均 15.9×10-6，極差 11.1×10-6。檢驗(yàn)值范圍較大，一次檢驗(yàn)時(shí)不合格14爐，氧含量一次合格率為97.06%。

2.2.5 末端淬透性

使用生產(chǎn)鋼材加工成的齒輪出現(xiàn)問(wèn)題最多的是淬透性的不穩(wěn)定性，達(dá)不到要求的硬度或熱處理后產(chǎn)生不均勻變形。主要原因在于不同爐次鋼的質(zhì)量波動(dòng)和同一爐鋼的質(zhì)量不均勻性。20CrMnTiH5鋼淬透性標(biāo)準(zhǔn)要求及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。標(biāo)準(zhǔn)要求J9、J15 ΔHRC≤7，帶寬較窄；檢驗(yàn)結(jié)果J9與J15淬透值超出標(biāo)準(zhǔn)要求并復(fù)驗(yàn)的共有37爐。淬透性一次合格率為92.23%。

表3 20CrMnTiH5鋼非金屬夾雜和晶粒度 級(jí)

表4 20CrMnTiH5鋼淬透性（HRC）

2.3 外觀質(zhì)量

2.3.1 熱頂鍛

20CrMnTiH5鋼每月的頂鍛爐數(shù)與一次合格率如圖1所示。

圖1 20CrMnTiH5鋼頂鍛爐數(shù)與合格率

其中，2月與4月各出現(xiàn)一爐輕微頂鍛裂紋，總體熱頂鍛質(zhì)量較穩(wěn)定。熱頂鍛一次合格率為99.57%，復(fù)頂合格率100%。

2.3.2 尺寸及外形

山鋼股份萊蕪分公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LQB 012—2011規(guī)定的圓鋼尺寸允許偏差及不圓度見(jiàn)表5，圖2是直徑為 70、90、120、160 mm 的實(shí)測(cè)尺寸分布，其尺寸允許偏差分別為±0.7、±1.0、±1.35、±1.9 mm。可以看出尺寸基本控制在二組精度內(nèi)，尺寸波動(dòng)范圍大，離散度高，大部分在尺寸上下限浮動(dòng)，容易造成不圓度超差。為此，加強(qiáng)和優(yōu)化軋制工藝控制，嚴(yán)格質(zhì)量檢驗(yàn)，20CrMnTiH5鋼的外觀質(zhì)量明顯改善。

表5 尺寸允許偏差及不圓度 mm

圖2 4種規(guī)格20CrMnTiH5鋼實(shí)測(cè)尺寸分布

3 質(zhì)量分析

2015年1—10月，共檢驗(yàn)入庫(kù)20CrMnTiH5鋼476爐，檢驗(yàn)一次合格率88.66%，檢驗(yàn)合格率為98.3%，鋼種兌現(xiàn)率100%?？梢钥闯鲆淮魏细衤仕讲桓撸瑥?fù)驗(yàn)54爐。其中因熱頂鍛復(fù)驗(yàn)為2爐（4%），氧含量復(fù)驗(yàn)14爐（26%），末端淬透性復(fù)驗(yàn)37爐（68%），非金屬夾雜復(fù)驗(yàn)1爐（2%）。

20CrMnTiH5一次合格率僅為88.66%，而在檢驗(yàn)不合項(xiàng)目中末端淬透值和氧含量復(fù)驗(yàn)的爐數(shù)占到不合項(xiàng)的94%。因此提高此鋼種的一次合格率，最重要的就是要提高末端淬透性與氧含量的合格率。

3.1 氧含量控制

在工藝控制中采用控制出鋼終點(diǎn)碳和預(yù)脫氧，加強(qiáng)精煉脫氧和出鋼軟吹，做好保護(hù)澆注等措施，降低鋼中氧含量。穩(wěn)定工藝操作，對(duì)EAF-LF-CC各工序環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制均能有效控制氧含量［3］。

3.2 壓縮比對(duì)末端淬透值的改善作用

20CrMnTiH5的成品規(guī)格從Φ65～Φ160 mm。來(lái)料均為斷面260 mm×300 mm的連鑄坯。根據(jù)壓縮比公式（ =O/n，O為鑄坯斷面積，n為成品斷面積），可以計(jì)算出不同成品規(guī)格的壓縮比，根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到末端淬透值與壓縮比的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 20CrMnTiH5鋼壓縮比與一次合格率關(guān)系

由圖3可以看出，壓縮比為3.9～11的情況下出現(xiàn)復(fù)驗(yàn)的爐數(shù)較多，而在壓縮比為12.3～22.7的情況下一次合格率基本穩(wěn)定。適當(dāng)?shù)膲嚎s比可以將坯料內(nèi)部的組織壓實(shí)，焊合孔洞、裂紋，均勻偏析成分，使鋼材性能一致［4］，從而改善齒輪鋼的淬透性。在壓縮比3.9～6.9范圍內(nèi)復(fù)驗(yàn)爐數(shù)最多，達(dá)到了29爐，在壓縮比8.2～13.7范圍內(nèi)復(fù)驗(yàn)爐數(shù)6爐，在壓縮比15.5～22.7范圍內(nèi)復(fù)驗(yàn)爐數(shù)最少，只有2爐。因此采取適當(dāng)?shù)膲嚎s比對(duì)于末端淬透性的改善有一定的作用。

4 結(jié) 論

4.1 山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部共統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)的20CrMnTiH5齒輪鋼476爐，一次合格率88.66%，檢驗(yàn)合格率98.32%，鋼種兌現(xiàn)率100%。總復(fù)驗(yàn)爐數(shù)為54爐，一次合格率水平不高。

4.2 檢驗(yàn)不合格項(xiàng)目中末端淬透性值（68%）和氧含量（26%）復(fù)驗(yàn)的爐數(shù)占到不合格項(xiàng)的94%，要提高該鋼種的一次合格率，最重要的就是提高其末端淬透性值與氧含量的合格率。

4.3 窄范圍控制化學(xué)成分，穩(wěn)定每爐之間化學(xué)成分的波動(dòng)，采取適當(dāng)?shù)膲嚎s比將坯料內(nèi)部的組織壓實(shí)，焊合孔洞、裂紋，均勻偏析成分，使鋼材性能一致，從而改善齒輪鋼的淬透性，提高末端淬透性值的一次合格率；優(yōu)化工藝控制，穩(wěn)定工藝操作，降低氧含量，提高氧含量的一次合格率?？刂坪么藘身?xiàng)是大幅度提高鋼種一次合格率的有效措施。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 呂林，毛建強(qiáng)，袁淑君，等.溫度制度對(duì)齒輪鋼帶狀組織控制的研究［J］.萊鋼科技，2010（6）：50-52.

［2］ 胡聯(lián)舫，李懷明.汽車(chē)用齒輪鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1996（6）：11-12.

［3］ 馬佐倉(cāng)，范夕榮，翟正龍，等.優(yōu)化EAF—LF—CC工藝降低鋼中氧含量［J］.萊鋼科技，2006（6）：22-26.

［4］ 陳林，郭瑞華，包喜榮.軋鋼生產(chǎn)問(wèn)答［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：98.