錐齒輪用鋼22CrMoH2的開發(fā)生產(chǎn)

王 超，孫永昌，海 燕

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前言

長期以來，我國齒輪鋼沿用原蘇聯(lián)的20CrMnTi材質(zhì)，這種材質(zhì)由于成本低、加工工藝成熟穩(wěn)定等優(yōu)勢，一直在齒輪鋼市場中占有較大的份額。但隨著齒輪行業(yè)不斷發(fā)展，對齒輪的要求也日益提高，如要求疲勞壽命高、熱處理變形量小、強度高等，因此近年來Cr-Mo、Cr-Ni-Mo、Mn-B及Cr-Mn-Mo系列齒輪鋼用量日益增加［1-2］。國內(nèi)某知名齒輪鋼生產(chǎn)廠加工制作主/從動錐齒輪用于重型汽車，要求材料淬透性高且淬透帶窄、錐齒輪在熱處理過程中變形量?。ㄖ芟蜃冃瘟俊?.1 mm）、疲勞壽命長等。為此，壽光巨能特鋼對材料的化學(xué)成分進行優(yōu)化調(diào)整，同時對冶煉、軋鋼過程的相關(guān)工序進行了工藝優(yōu)化，開發(fā)生產(chǎn)了錐齒輪用22CrMoH2鋼。產(chǎn)品經(jīng)用戶驗證，滿足協(xié)議要求及使用要求。

2 產(chǎn)品設(shè)計及工藝流程

結(jié)合技術(shù)協(xié)議中的技術(shù)條款以及了解到的最終汽車廠家對齒輪的要求，該鋼種的生產(chǎn)難點是齒輪經(jīng)高溫滲碳淬火后的變形量小以及加工制作成錐齒輪后的疲勞壽命長，為此，生產(chǎn)設(shè)計時對上述兩方面的要求進行綜合考慮及重點控制。

2.1 改善齒輪熱處理變形的工藝設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)晶粒鋼具有較小的變形趨向，細(xì)晶結(jié)構(gòu)中，晶粒與晶粒間的聯(lián)系緊密，晶界能加大，若發(fā)生熱處理變形，產(chǎn)生晶粒滑移所受到的阻力加大。所以細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼種的熱處理變形較?。?］。如何保證鋼材在930℃的滲碳溫度下，具有細(xì)的晶粒度是影響鋼材變形量的關(guān)鍵因素之一。AlN在930℃的滲碳溫度下溶解度較高，但高溫長時間滲碳會導(dǎo)致奧氏體晶粒的粗化，僅靠AlN無法保證高溫滲碳時的奧氏體晶粒度不長大。微合金元素Nb是強碳氮化物形成元素，形成的碳氮化物可以“釘扎”晶界，從而阻止晶粒長大，甚至在1 100℃的高溫下仍可起到很大的“釘扎”作用［4］，Nb可顯著細(xì)化鋼在930℃時的奧氏體晶粒。根據(jù)馬莉［3］等人的研究，該鋼種當(dāng)Nb過高（0.08%）時，鋼中Nb（C、N）的形核能力減弱，析出相顆粒長大，Nb（C、N）析出相粗大稀少，抑制晶粒長大作用不明顯，當(dāng)Nb含量在0.04%左右時抑制晶粒長大效果最顯著。

影響鋼材熱處理變形的另一個重要因素是鋼材錠形偏析，根據(jù)丁毅［5］等人的研究，不同連鑄坯型產(chǎn)材對汽車用齒輪鋼熱處理變形的影響不同，當(dāng)軋材上的錠形偏析區(qū)域小且錠形偏析“方框”形狀呈正方形時，鋼材熱處理后的變形均勻且方向一致，而當(dāng)錠形偏析區(qū)域的“方框”不對稱時，熱處理時將會產(chǎn)生不均勻變形。為此，需要減輕連鑄坯的錠形偏析級別以及保持“方框形狀”的對稱。本次熱軋圓鋼生產(chǎn)選用600連鑄圓坯，一是因為圓坯在連鑄過程中更有利于均勻冷卻，從而使鑄坯上的錠形偏析區(qū)域具有相對規(guī)則的幾何形狀，同時為了盡可能減輕錠形偏析級別。另外根據(jù)許偉陽［6］等人的研究，結(jié)晶器電磁攪拌強度對白亮帶（偏析）的位置具有重要的影響，電磁攪拌強度越大，白亮帶外移，導(dǎo)致錠形偏析區(qū)域越大，但是一味的降低結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌強度，會使鑄坯中間碳偏析增大［7］。因此結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)設(shè)置為150 A/2 Hz。二是因為此坯型產(chǎn)材壓縮比大，可以減輕一般疏松及中心疏松程度，減少因鋼材致密度不同造成的熱處理變形［5］。

2.2 改善齒輪疲勞壽命的工藝設(shè)計

影響齒輪鋼疲勞壽命的因素很多，例如：齒輪表面及心部的晶粒尺寸、齒輪表面的殘余應(yīng)力、金相組織、鋼材的純凈度等，其中影響最大的是滲碳層晶粒尺寸及大型夾雜物，疲勞破壞主要發(fā)生在鋼中粗大的非金屬夾雜物或組織缺陷處。

鋼中加入0.04%的Nb元素，與鋼中的C反應(yīng)生成Nb（C、N），在較高的溫度下仍可起到對奧氏體晶界的釘扎作用，阻礙晶界的移動，起到細(xì)化奧氏體晶粒的作用。而有關(guān)文獻提出［3］，當(dāng)Nb與Ti混合使用時，細(xì)化奧氏體晶粒的效果更顯著，但是考慮到Ti的使用量不易控制，Ti過量時在鋼中形成粗大的TiN夾雜，會成為疲勞裂紋源。因此在化學(xué)成分設(shè)計時，嚴(yán)格控制鋼中Ti的含量。

Mo在滲碳鋼中能提高零件滲碳層和心部的淬透性，有利于硬化層質(zhì)量的穩(wěn)定，能夠抑制滲碳層表面氧化，提高滲碳層的沖擊斷裂應(yīng)力和過載加疲勞下的抗力，此外，Mo能夠使鋼的晶粒細(xì)化，降低過熱敏感性，使得鋼在高溫下長時間滲碳時晶粒不易長大，Mo還可以改善鋼中碳化物的形態(tài)，提高其彎曲疲勞強度和耐磨性［8］。實驗證明，Mo的碳化物在滲碳過程中以點狀析出，并在滲碳過程中發(fā)展成球狀和橢球狀，而Cr的碳化物及滲碳體容易以針狀、網(wǎng)狀析出。為此成分設(shè)計時，Mo按中上限、Cr按中下限進行控制。22CrMoH2鋼具體成分設(shè)計見表1。

表1 22CrMoH2鋼成分協(xié)議及內(nèi)控要求

鋼材的純凈度對齒輪疲勞壽命具有重大的影響，日本神戶制鋼開展的高純凈（全氧含量均值8×10-6）和超純凈（全氧含量均值4.5×10-6）軸承鋼滾動疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，隨潔凈度的提高疲勞壽命從107提高到108，L10平均值提高4.2倍。為研究不同夾雜物形態(tài)對疲勞性能的影響，山陽鋼廠對不同S含量的軸承鋼進行疲勞壽命對比試驗，結(jié)果表明各種夾雜物對疲勞壽命的影響：氧化物＞硫化物＞Ti夾雜［9］。因此需嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物，盡可能減少鋼中T.O、S及Ti的含量。

最大夾雜物尺寸對鋼材疲勞性能影響顯著，鋼中的T.O含量只代表鋼中小顆粒非金屬夾雜物的總量，并不能夠保證鋼中沒有大型的非金屬夾雜物，因為大型夾雜物往往隨機出現(xiàn)［10］，而鋼中大型夾雜物的來源有：1）變性及卷渣夾雜是大型氧化物夾雜的主要來源；2）精煉脫硫是鋼中大型硫化物類夾雜的主要來源［10］。為此在工藝設(shè)計時要求嚴(yán)控供應(yīng)煉鋼廠鐵水中的P、S含量，減輕精煉脫硫壓力，轉(zhuǎn)爐出鋼時高拉碳，減輕精煉脫氧壓力，減少相關(guān)夾雜物的產(chǎn)生。為了減少卷渣夾雜的產(chǎn)生，采取以下3項措施：1）全程控制好軟吹強度,促進夾雜物聚合上浮；2）保持中包液面穩(wěn)定，防止中包渣卷入鋼水；3）保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定，防止結(jié)晶器保護渣卷入鋼液。

2.3 工藝技術(shù)措施

1）精煉時嚴(yán)控過熱度，保證過熱度控制在20～28℃，加強真空脫氣，真空度＜100 Pa保持時間＞15 min；2）連鑄時適當(dāng)提高過冷度，通過增加二冷比水量和降低拉速來減輕易偏析元素在等軸晶晶粒轉(zhuǎn)變處的富集；3）選用優(yōu)質(zhì)耐火材料，減少耐材侵蝕掉落而導(dǎo)致的外來夾雜物；4）軋制過程通過增加高溫擴散時間，增大初道次壓下量，使錠型偏析向鋼材內(nèi)部轉(zhuǎn)移，達到減輕鋼材錠型偏析級別甚至是消除錠型偏析的目的。

工藝流程：80%高爐鐵水熱裝→80 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→70 t LF爐外精煉→VD真空脫氣→R17 m三機三流連鑄機連鑄生產(chǎn)Φ600 mm連鑄坯→熱送（冷送）→雙蓄熱步進梁式加熱爐→高壓水除鱗→Φ1350二輥可逆開坯機→Φ950精軋機產(chǎn)120圓鋼材→熱鋸鋸切→冷床收集→入坑緩冷→出坑退火→表面檢查→內(nèi)部超探→包裝→計量、標(biāo)識、入庫。

3 產(chǎn)品實物質(zhì)量檢測分析

3.1 化學(xué)成分及均勻性

對生產(chǎn)的6個爐號的鋼材進行化學(xué)成分及均勻性檢驗，每個爐號的鋼材從橫截面取樣后沿直徑方向進行多點（1/3半徑處×2、1/2半徑處×2、2/3半徑處×2、中心，共7點），鋼材成分均符合內(nèi)控要求。其中，鋼材的氧含量（6.1～8.6）×10-6，氮含量（52～63）×10-6，S含量0.013%～0.015%，Ti含量（35～43）×10-6。同一爐號的C極差為0.02%～0.04%，S極差為0.002%。

3.2 淬透性

經(jīng)925℃正火+925℃淬火處理后，鋼材的淬透性見表2。鋼材淬透性滿足協(xié)議要求。

3.3 鋼材低倍組織

鋼材低倍組織良好，一般疏松0.5～1.0級，中心疏松1.0～1.5級，錠型偏析0～1.0級。

3.4 奧氏體晶粒度及夾雜物

鋼材的奧氏體晶粒細(xì)小均勻，晶粒度在7.5～8.5級之間，同時鋼材的純凈度較好，尤其是B類、C類夾雜物級別較低，見表3。

表2 鋼材的淬透性檢驗結(jié)果 HRC

表3 22CrMoH2鋼材夾雜物 級

4 結(jié)語

錐齒輪用22CrMoH2鋼種試制后共交付用戶500 t左右，經(jīng)加工制作主/從動錐齒輪后，齒輪在熱處理時的變形量綜合合格率92.55%，材料的疲勞壽命穩(wěn)定達到用戶要求，得到了用戶的認(rèn)可。錐齒輪用22CrMoH2鋼種的成功開發(fā)，為高端齒輪鋼生產(chǎn)積累了經(jīng)驗，為齒輪鋼材上檔升級以及市場開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。