窄淬透性20CrMnTiH2齒輪鋼棒材的研制開發(fā)①

程維瑋， 韓玉梅， 譚崇凱

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京　210035；2.綦江齒輪傳動(dòng)有限公司，重慶　401421)

引　言

隨著中國(guó)汽車、機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展，以及國(guó)外品牌汽車相繼在中國(guó)落戶，為減少齒輪嚙合磨損不一致引起的變速箱噪音增加和熱處理變形造成的廢品率上升，對(duì)汽車、機(jī)械用保淬透性齒輪鋼性能波動(dòng)要求越來越小，并開發(fā)出一些子鋼號(hào)，如20CrMnTiH1～6，16～18CrMnBH，20CrNiMoH1～2等；淬透性帶寬要求由12～14 HRC縮小至5～8 HRC，氧含量由≤25×10-6下降到≤20×10-6等，而近年不論是歐美國(guó)家還是日本、韓國(guó)等更是提出了2～4 HRC的極窄淬透性要求，氧含量則要求≤12×10-6～15×10-6。這些鋼種的化學(xué)成分控制極窄，有的甚至近似于點(diǎn)成分控制。

1　窄淬透性齒輪鋼供貨技術(shù)指標(biāo)

20CrMnTiH系列齒輪鋼是目前國(guó)內(nèi)用量最大、用途最廣的一個(gè)典型的齒輪鋼鋼種，某汽車零部件廠近年開發(fā)的20CrMnTiH2的J9，J15淬透性要求分別為30～34 HRC和24～28 HRC，也是目前國(guó)內(nèi)淬透性帶寬要求最窄的20CrMnTiH子鋼號(hào)。用戶技術(shù)協(xié)議中的化學(xué)成分如表1所示，理化性能指標(biāo)如表2所示。

表1　20CrMnTiH2的化學(xué)成分要求

表2　 20CrMnTiH2理化性能指標(biāo)

非金屬夾雜物(級(jí))B細(xì)系B粗系C細(xì)系C粗系D細(xì)系D粗系淬透性/HRCJ9J15帶狀組織(級(jí)))晶粒度(級(jí))≤2.0≤1.5≤1.5≤1.5≤1.5≤1.530～3424～28≤2.5≥5

2　窄淬透性齒輪鋼棒材的研究

2.1　合金元素在鋼中的作用

2.1.1碳

碳是鋼材中最傳統(tǒng)、最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化元素，隨著碳含量的增加，鋼材的強(qiáng)度、硬度、淬透性提高，而沖擊韌性明顯下降，實(shí)際生產(chǎn)的各類保淬透性鋼的碳含量一般控制在0.14%～0.25%之間?？紤]到保淬透性齒輪鋼一般用于制作汽車、工程機(jī)械等的齒輪、齒輪軸等承受沖擊的部件，碳含量一般在0.23%以下，并且隨著其它提高淬透性的元素加入，碳含量逐步向下限靠近，但綜合考慮強(qiáng)度、硬度、韌性等性能，碳含量也不低于0.14%。

2.1.2錳、鉻、鉬

錳對(duì)淬透性貢獻(xiàn)顯著，特別是當(dāng)錳的含量超過0.8%時(shí)，錳對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)更為顯著。

鉻對(duì)淬透性的影響，在低碳鋼中略低于錳。

鉬能有效地提高淬透性，與中碳鋼相比，在高碳鋼中鉬有更大效果。鎳與鉬之間有強(qiáng)的交互作用。

2.1.3硅、鋁、硫

在含碳0.20%左右的齒輪鋼中，硅對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)略低于鉻，但會(huì)明顯增加材料的冷彎開裂傾向，故不宜高。

鋁是強(qiáng)脫氧元素[1]，還可與氮結(jié)合生成氮化鋁，具有明顯的細(xì)化晶粒作用[2]。對(duì)淬透性影響較小。

硫?qū)Υ阃感杂绊懞苄?，可以提高鋼材的切削性能，但過量時(shí)會(huì)惡化冷鍛性[3]。

2.1.4鈦

鈦可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀作用和中等程度的細(xì)晶強(qiáng)化作用。鈦的化學(xué)活性很強(qiáng)，易與鋼中的碳、氮、氧、硫等形成化合物，在奧氏體中的溶解度較小，對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)也小，宜向下限控制[4]。

2.2　棒材生產(chǎn)線工藝裝備和技術(shù)

1)電弧爐冶煉采用噴粉脫磷及無渣出鋼技術(shù)，可以使磷降低到0.010%以下。采用雙工位的LF/VD及全程底吹氬等精煉技術(shù)，除了可以精確地進(jìn)行合金成分微調(diào)，達(dá)到窄成分控制的目標(biāo)，還可以進(jìn)行氣體含量以及氧化物、硫化物等非金屬夾雜物形態(tài)的控制。目前冶煉廠在成分調(diào)整方面可以使C，Mo，Ni等元素含量精確地控制在±0.01%；Cr，Mn，Si等元素含量控制在±0.03%，Alt，S，Ti等元素含量控制在±0.005%，而w(B)控制在±0.0005%，氧含量控制在15×10-6以下。由于全程采用底吹攪拌工藝，特別是喂絲后的靜攪，可以有效地去除鋼水中的夾雜物，提高鋼水的純凈度。

2)連鑄過程采用低的過熱度、全保護(hù)澆注、適宜的二次冷卻及結(jié)晶器電磁攪拌和末端輕壓下等工藝，可以有效地防止鋼水的二次氧化，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的中心偏析、中心疏松、表面和內(nèi)部裂紋等。

3)軋制過程采用步進(jìn)梁式加熱爐，可以有效地提高鋼坯加熱質(zhì)量，保證鋼坯溫度的均勻性。高剛度達(dá)涅利軋機(jī)和KOCKS減定徑機(jī)組保證了成品尺寸精度。精整工序采用了先進(jìn)的渦流或漏磁外探、超聲波內(nèi)探聯(lián)合探傷設(shè)備，可以精確地探測(cè)成品的表面及內(nèi)部質(zhì)量情況，并根據(jù)探傷情況進(jìn)行修磨或改尺處置，從而可以保證部分高檔次產(chǎn)品無缺陷出廠。

2.3　20CrMnTiH2窄淬透性齒輪鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)

窄淬透性齒輪鋼主要通過對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行精確的窄成分控制，從而達(dá)到產(chǎn)品的窄淬透帶要求[5]。電弧爐生產(chǎn)20CrMnTiH2時(shí)，不會(huì)添加Ni，Cu，Mo等殘余元素，在采用優(yōu)質(zhì)廢鋼和鐵水時(shí)，其含量均很低且變化很小，對(duì)淬透性的影響很小，可以不予考慮，其淬透性主要受C，Si，Mn，Cr等四個(gè)元素綜合影響。在技術(shù)協(xié)議范圍之內(nèi)將各元素的含量調(diào)整到合適的值就可以得到所需要的淬透性；但在實(shí)際生產(chǎn)中操作工是難以勝任各元素大范圍的調(diào)整測(cè)算工作的，因此技術(shù)人員在制訂工藝時(shí)，會(huì)根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求的窄淬透性帶處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的淬透性帶的上帶還是下帶，初步確定各元素相應(yīng)高、低的大致內(nèi)控范圍，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和參照同類鋼種的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值確定各元素的目標(biāo)值，這樣操作工只需要確保在內(nèi)控范圍內(nèi)不要使四個(gè)元素同時(shí)高于或低于目標(biāo)值即可。需要注意的是由于不同元素之間的相互作用，當(dāng)一個(gè)元素含量處于不同范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)元素對(duì)淬透性的影響發(fā)生明顯變化，所以在試驗(yàn)窄淬透性齒輪鋼時(shí)，一般會(huì)先試驗(yàn)1～2爐，再根據(jù)這1～2爐的實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值進(jìn)一步修正目標(biāo)值和縮小內(nèi)控范圍。

20CrMnTiH2技術(shù)協(xié)議要求的淬透性J9：30～34 HRC；J15：24～28 HRC均處于GB/T 5216-2014 《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中20CrMnTiH淬透性下帶20CrMnTiHL 的J9：30～38 HRC；J15：22～31 HRC的下帶，根據(jù)現(xiàn)有的20CrMnTiHL淬透性實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值，確定20CrMnTiH2按照表3所示要求控制。

表3　窄淬透性20CrMnTiH2齒輪鋼主要化學(xué)成分控制表/%

3　窄淬透性齒輪鋼棒材的試生產(chǎn)

3.1　試生產(chǎn)工藝

試生產(chǎn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)各元素含量的精確控制，電弧爐出鋼合金化時(shí)，主要元素按照目標(biāo)值的90%添加，并以1.0～1.2 kg/t鋁丸進(jìn)行深脫氧；在LF爐

精煉中采用少量多次添加合金的方式調(diào)整各主要元素的含量，并始終保持w(Alt)≥0.015%。在LF末期添加Ti，S等易氧化元素，真空處理時(shí)真空度0.5 Torr(66．66 Pa)，保持12 min以上，并在VD處理后根據(jù)化學(xué)成分檢測(cè)情況通過喂線方式微調(diào)，禁止加入塊狀合金。喂線后靜攪時(shí)間保持在15 min以上。其最終熔煉成分基本控制在目標(biāo)值附近，如表4所示。

表4　窄淬透性20CrMnTiH2齒輪鋼主要化學(xué)成分實(shí)際值/%

由于此鋼為中低碳低合金鋼，可以選擇較高的加熱溫度，具體工藝：預(yù)熱段爐溫650～800 ℃，加熱一段爐溫控制在1090±60 ℃，加熱二段爐溫控制在1230±30 ℃，均熱段爐溫控制在1220±20 ℃。加熱時(shí)間約4 h。軋后進(jìn)緩冷坑緩冷。

3.2　連鑄坯質(zhì)量

試生產(chǎn)得到連鑄坯的表面質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、結(jié)疤等缺陷，內(nèi)部也無裂紋缺陷，組織正常。

3.3　成品棒材的組織

成品金相組織較好，均為P+F，帶狀組織0.5～2.0級(jí)(如圖1所示)，奧氏體晶粒度6.0～8.5級(jí)(如圖2所示)，熱軋態(tài)晶粒度6.5～9.0級(jí)(如圖3所示)。

圖1　20CrMnTiH2帶狀組織(1.5級(jí))

圖2　20CrMnTiH2奧氏體晶粒度(8.5級(jí))

圖3　20CrMnTiH2熱軋態(tài)組織：F+P(7.5級(jí))

3.4　成品棒材的非金屬夾雜物

非金屬夾雜物級(jí)別較低，一般控制在1.0級(jí)以下，部分達(dá)到1.5級(jí)，典型的照片如圖4所示。

圖4　非金屬夾雜物照片

3.5　低倍

對(duì)成品進(jìn)行低倍檢測(cè)，中心疏松0.5～2.0級(jí)，中心偏析0～1.0級(jí)。

3.6　淬透性

由于20CrMnTiH2的4HRC淬透性帶寬要求是國(guó)內(nèi)首次提出，要求化學(xué)成分控制范圍很窄，首批試生產(chǎn)的兩爐檢測(cè)數(shù)據(jù)均偏高，分別為J9：35.5，36 HRC；J15：28.5，27.5 HRC，最高值超出了要求值2HRC；因此需要對(duì)20CrMnTiH2主要元素C，Si，Mn，Cr含量的內(nèi)控范圍和目標(biāo)值進(jìn)行修訂。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將C，Mn，Cr的目標(biāo)值分別調(diào)低到0.01%，0.05%和0.02%，并收窄Mn，Si，Cr的內(nèi)控范圍，如表5所示。采用ASTM255標(biāo)準(zhǔn)初始硬度計(jì)算式、

碳系數(shù)計(jì)算式、各元素的乘數(shù)計(jì)算式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的初始硬度、碳系數(shù)、各元素的乘數(shù)，進(jìn)而得出理想臨界直徑DI值。

初始硬度：H=33.087+50.723x+33.662x2-2.7048x3-107.02x4+43.523x5

(1)

碳系數(shù)：fC=0.54×w(C)

(2)

錳乘數(shù)：fMn=3.3333×w(Mn)+1.00

(3)

硅乘數(shù)：fSi=1.00+0.7×w(Si)

(4)

鉻乘數(shù)：fCr=1.00+2.16×w(Cr)

(5)

理想臨界直徑：DI=25.4×fC×fMn×fSi×fCr

(6)

由表5可以得出20CrMnTiH2的DI值只有40 mm左右，遠(yuǎn)小于135.0 mm，所以J9，J15計(jì)算時(shí)均可以排除無硼鋼距離硬度相除系數(shù)等于1的情況。由無硼鋼距離硬度相除系數(shù)等式計(jì)算表5中各元素不同含量組合時(shí)J9，J15的理論淬透性值：

J9=H/(4.46324-0.0992003×DI+0.00119387×DI2-7.40686×DI3×10-6+2.26087×DI4×10-8-2.46815×DI5×10-11)

(7)

J15=H/(5.01595-0.0957696×DI+9.5624×DI2×10-4-4.62213×DI3×10-6+8.92787×DI4×10-9-8.74859×DI5×10-13)

(8)

以兩爐試驗(yàn)鋼的J9，J15的實(shí)測(cè)平均值與理論計(jì)算平均值的比值作為修正系數(shù)，各元素不同含量組合時(shí)的理論淬透性值與修正系數(shù)的乘積所得修正值即可作為該元素組合下的淬透性J9，J15的設(shè)定目標(biāo)值。

考慮檢測(cè)誤差和偏析的影響，并參考化學(xué)成分相近的在產(chǎn)20CrMnTiHL的化學(xué)成分和J9，J10淬透性理論值和實(shí)測(cè)值，最終確定主要化學(xué)成分的目標(biāo)值和內(nèi)控范圍，如表6所示。

表5　各元素不同含量組合時(shí)的理論值和修正值

表6　保淬透性齒輪鋼試驗(yàn)化學(xué)成分控制表/%

除首批爐次的淬透性硬度值外，又隨機(jī)抽取48爐20CrMnTiH2的淬透性數(shù)據(jù)，按照生產(chǎn)時(shí)間的先后順序繪制折線圖，如圖5，6所示。

圖5　20CrMnTiH2-J9淬透性數(shù)據(jù)圖

圖6　20CrMnTiH2-J15淬透性數(shù)據(jù)圖

從圖5，6可以看出，調(diào)整并收窄了主要化學(xué)成分C，Mn，Si，Cr的含量后，20CrMnTiH2淬透性硬度值平穩(wěn)地下降到標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，其淬透性數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍基本控制在3.5 HRC左右。客戶在加工過程中因材料熱處理變形而造成的廢品率也下降了1.0%左右，由此材料制造的變速箱噪音等各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試也明顯好于采用20CrMnTiHL的原設(shè)計(jì)。

4　結(jié)束語(yǔ)

(1) 通過對(duì)化學(xué)成分窄范圍控制可以達(dá)到窄的淬透性帶寬目的，淬透性檢測(cè)值波動(dòng)范圍基本可以控制在3～4 HRC以內(nèi)。

(2) 對(duì)一種各元素含量均控制在一個(gè)較窄范圍內(nèi)的齒輪鋼而言，以相應(yīng)距離的淬透性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比值為修正系數(shù)，修正按照《測(cè)定鋼淬透性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》計(jì)算得出的理論值，對(duì)進(jìn)一步收窄各元素控制范圍，生產(chǎn)出更窄淬透性帶寬的齒輪鋼具有指導(dǎo)意義。

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