20CrMnTiH齒輪鋼質(zhì)量分析

李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271105）

20CrMnTiH齒輪鋼質(zhì)量分析

李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271105）

通過實(shí)測數(shù)據(jù)對電爐和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的20CrMnTiH齒輪鋼的質(zhì)量情況進(jìn)行分析對比，結(jié)果表明，鋼的低倍組織優(yōu)良，P含量控制0.019%以下，S含量0.010%，氧含量控制在20×10-6以下，非金屬夾雜物級別低，晶粒度7～8級，化學(xué)成分穩(wěn)定，淬透性帶寬≤8 HRC的比例達(dá)78.5%～82.9%，頂鍛合格率99.50%以上。20CrMnTiH齒輪鋼總體質(zhì)量控制在較好水平，均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

齒輪鋼；20CrMnTiH鋼；質(zhì)量分析；淬透性；化學(xué)成分

1 前言

20 CrMnTiH齒輪鋼是國內(nèi)各種工程機(jī)械、汽車等傳動(dòng)齒輪、齒輪軸等廣泛使用的鋼種，要求化學(xué)成分均勻、波動(dòng)小，要求鋼液的純凈度更高。2016 年1月1日—9月30日，山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部成材車間共生產(chǎn)7 048爐20CrMnTiH鋼，其中電爐鋼900爐，轉(zhuǎn)爐鋼6 148爐。為考察齒輪鋼的質(zhì)量水平，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對齒輪鋼的質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步優(yōu)化及質(zhì)量改進(jìn)提供指導(dǎo)。

2 齒輪鋼質(zhì)量現(xiàn)狀與分析

2.1 低倍組織

對電爐鋼和轉(zhuǎn)爐鋼的低倍組織分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表1），兩者一般疏松與錠型偏析均為0.5級，遠(yuǎn)低于GB/T 5216—2004標(biāo)準(zhǔn)的要求，中心疏松波動(dòng)較小，均在可控范圍之內(nèi)，低倍合格率100%。

表1 20CrMnTiH鋼低倍組織（級）統(tǒng)計(jì)情況

2.2 有害元素

鋼液中S、P等是易偏析元素，它們在鋼液中的含量和分布形態(tài)影響鑄坯的中心偏析和中心疏松。通過冶煉潔凈鋼，采用鐵水預(yù)處理或鋼包脫硫等技術(shù)，降低鋼液中S、P等易偏析元素含量，提高鋼水純凈度，可有效防止鑄坯的中心偏析和中心疏松。山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部生產(chǎn)的齒輪鋼S、P含量統(tǒng)計(jì)情況見表2，可以看出：電爐鋼P(yáng)含量均值0.017%，S含量均值0.010%；轉(zhuǎn)爐鋼P(yáng)含量均值0.019%，S含量均值0.010%。無論是電爐鋼還是轉(zhuǎn)爐鋼，其有害元素S、P含量控制較好。通過降低鋼中的S、P含量，能夠有效地提高鋼水的潔凈度，降低鋼中夾雜物含量與級別，減少鋼材裂紋缺陷，改善鋼材的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可提高鋼材的綜合質(zhì)量。

表2 20CrMnTiH鋼S、P含量統(tǒng)計(jì)情況

2.3 非金屬夾雜和晶粒度

非金屬夾雜破壞鋼的連續(xù)性，造成鋼的組織不均勻，嚴(yán)重危害鋼材質(zhì)量，降低鋼的使用壽命。鋼中非金屬夾雜物應(yīng)盡量少，其氧化物、硫化物最高級別≯3級，二者之和≯5.5級。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明（見表3）：電爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼非金屬夾雜均控制在較低級別，其中電爐鋼C細(xì)、C粗均為0級，夾雜物去除情況良好。這是由于鋼包吹氬條件下，鋼中固相夾雜物隨氣泡上浮而去除，采用低強(qiáng)度吹氬并適當(dāng)延長吹氬時(shí)間提高了鋼液潔凈度，去除了細(xì)小夾雜物。

滲碳齒輪鋼要求晶粒度不粗于5級，山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部生產(chǎn)的電爐鋼與轉(zhuǎn)爐鋼均能達(dá)到要求。鋼材的細(xì)晶粒是制品滲碳層晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)。如果滲層晶粒粗大，齒輪在使用過程中容易剝落。

2.4 主要化學(xué)成分

影響淬透性的因素包括化學(xué)成分、夾雜、偏析、奧氏體晶粒度、奧氏體化溫度及時(shí)間、淬火介質(zhì)、規(guī)格及取樣部位等。影響淬硬性的主要因素是固溶在奧氏體中的碳含量，與晶粒度大小也有一定關(guān)系。

化學(xué)成分是影響淬透性最強(qiáng)烈的因素［1］，合金元素對鋼的淬透性的影響是它們對鋼淬火時(shí)的臨界冷卻速度影響的反映。20CrMnTiH鋼中的C、Si、Cr、Mn、Ti等元素在加熱時(shí)溶入奧氏體，增大了A→F+P相變的形核功或激活能，推遲和減慢A→F+P的轉(zhuǎn)變，從而降低了20CrMnTiH鋼的臨界冷卻速度，增加了淬透性。

表3 20CrMnTiH鋼晶粒度和非金屬夾雜（級）統(tǒng)計(jì)情況

通過回歸分析得出影響淬透性的主要元素為C、Si、Ti、Cr、Mn［2］，其成分控制見圖1。

圖1 影響20CrMnTiH鋼淬透性元素分布直方圖

1）C。電爐鋼C含量主要集中在0.19%～0.21%，極差0.02%，均值0.20%，每爐之間的C含量之差基本控制在±0.2%內(nèi)；轉(zhuǎn)爐鋼C含量主要集中在0.19%～0.21%，極差0.02%，均值0.20%，每爐之間的C含量之差基本控制在±0.2%內(nèi)。

2）Si。電爐鋼Si含量主要集中在0.20%～0.25%，極差0.05%，均值0.22%；轉(zhuǎn)爐鋼Si含量主要集中在0.22%～0.26%，極差0.04%，均值0.24%。

3）Mn。電爐鋼Mn含量主要集中在0.86%～0.90%，極差0.04%，均值0.89%，每爐之間Mn含量波動(dòng)范圍大，Mn含量偏中下限；轉(zhuǎn)爐鋼Mn含量主要集中在0.90%～0.95%，極差0.05%，均值0.92%，每爐之間錳含量波動(dòng)范圍大，錳含量偏中下限。

4）Cr。電爐鋼Cr含量主要集中在1.06%～ 1.14%，極差0.08%，均值1.09%；轉(zhuǎn)爐鋼Cr含量主要集中在1.05%～1.12%，極差0.07%，均值1.08%。每爐之間Cr含量波動(dòng)范圍大，Cr含量偏中下限。

5）Ti。電爐鋼鈦含量主要集中在0.056%～0.075%，極差0.019%，均值0.066%；轉(zhuǎn)爐鋼Ti含量主要集中在0.055%～0.073%，極差0.018%，均值0.065%。每爐之間Ti含量波動(dòng)范圍大。

由以上分析可知，C元素分布在中限，主要合金元素Mn、Cr均窄范圍地控制在標(biāo)準(zhǔn)的下限，出于降成本考慮。20CrMnTiH鋼的化學(xué)成分控制穩(wěn)定。

2.5 齒輪鋼淬透值

用熱處理過的毛坯制成Φ25 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，檢驗(yàn)鋼材的末端淬透性，正火溫度900～920℃，淬火溫度（880±5）℃。末端淬透性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 20CrMnTiH齒輪鋼淬透性統(tǒng)計(jì)情況HRC

末端淬透性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況表明，齒輪鋼的末端淬透值控制水平較高，淬透性帶寬≤8 HRC的比例不斷提高。計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化工藝，達(dá)到淬透值△HRC≤4～6的高要求。

2.6 熱頂鍛合格率

電爐鋼2016年1月出現(xiàn)一爐頂鍛裂紋，2—8月頂鍛合格率100%。轉(zhuǎn)爐鋼在4—6月和8月頂鍛時(shí)個(gè)別爐次出現(xiàn)輕微裂紋，分析原因主要是圓鋼內(nèi)部有夾雜物。齒輪鋼一次熱頂鍛合格率始終保持在99.50%以上（見圖2），處于較高水平。

圖2 2016年20CrMnTiH鋼一次頂鍛合格率

2.7 氧含量

電爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼的平均氧含量見表5。

表5 20CrMnTiH齒輪鋼的氧含量×10-6

氧含量對齒輪疲勞壽命的影響已愈加受到重視，根據(jù)介紹［3］，當(dāng)氧含量從25×10-6降至11×10-6時(shí)，其接觸疲勞壽命可提高4倍。從表7可以看出，山鋼股份萊蕪分公司生產(chǎn)的20CrMnTiH齒輪鋼電爐鋼平均氧含量為15.3×10-6，極差為8.4；轉(zhuǎn)爐鋼平均氧含量為15.9×10-6，極差為7.8?？傮w氧含量控制在20×10-6以下。

3 結(jié)論

山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部生產(chǎn)的20CrMnTiH齒輪鋼總體質(zhì)量控制在較好水平，均能達(dá)到GB/T 5216—2004標(biāo)準(zhǔn)要求。采取的爐外精煉技術(shù)，精確控制了冶煉時(shí)鋼的化學(xué)成分。在鋼水冶煉時(shí)，通過鋼包精煉技術(shù)，可進(jìn)行成分微調(diào)，將S、P等有害元素含量控制到較低水平，一般疏松與錠型偏析0.5級，中心疏松波動(dòng)較小，低倍合格率100%，非金屬夾雜物含量控制較好，晶粒度7～8級，冶煉成分控制穩(wěn)定，波動(dòng)范圍較小，J9、J15淬透性帶基本控制8 HRC。均能滿足用戶使用要求。

［1］吳季恂，周光裕，荀毓閩.鋼的淬透性應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：121-212.

［2］北京鋼廠，清華大學(xué).冶煉過程對20CrMnTi鋼淬透性的控制［J］.金屬材料研究，1976，4（3）：169-175.

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

Quality Analysis of 20CrMnTiH Gear Steel

LI Jinhao

（The Special Steel Division of Laiwu Branch of Shandong Iron and SteeI Co.,Ltd.,Laiwu 271105,China）

The data quality of 20CrMnTiH steel gear steel of electric furnace compared with that of the converter production was analyzed.The results show that the macrostructure of steel is excellent,the P content is controlled less than 0.019%,the S content is controlled less than 0.010%,the oxygen content is controlled less than 20×10-6,the non metallic inclusions grade is in low level, grain size is grade 7-8,chemical composition is stable.The proportion of the hardenability band less than or equal to 8 HRC is 78.5%-82.9%.The qualified rate of forging is more than 99.50%.The overall quality control of 20CrMnTiH gear steel is in good level,which can meet the Standard requirements.

gear steel;20CrMnTiH steel;quality analysis;hardenability;chemical composition

TG142.1

A

1004-4620（2017）02-0038-03

2016-10-08

李金浩，男，1987年生，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部工程師，從事優(yōu)特鋼新產(chǎn)品研究與開發(fā)工作。