高档轿车齿轮用钢20CrNi2MoSH的研制

赵千水，　阚　开，　李超群

（本钢板材股份有限公司产品研究院， 辽宁　本溪　117000）



高档轿车齿轮用钢20CrNi2MoSH的研制

赵千水，阚开，李超群

（本钢板材股份有限公司产品研究院， 辽宁本溪117000）

本钢采用EBT→LF→VD→连铸235mm×265mm方坯→缓冷→加热→棒材连轧机组→缓冷→精整→检验→包装缴库→发货的工艺流程，成功研制生产了高档轿车齿轮用钢20CrNi2MoSH。产品化学成分均匀，有害元素及气体含量低，末端淬透性稳定，钢材组织均匀，纯净度高，致密度好，满足了高档轿车齿轮用钢的使用要求。

20CrNi2MoSH齿轮钢连铸

20CrNi2MoSH（VW4521）齿轮钢是德国大众公司高档轿车后桥齿轮、五档变速箱齿轮用材料，属大众企业标准TL系列CrNiMo钢牌号之一，与CrMnTiH等齿轮钢相比具有更好的硬度、耐磨性和抗疲劳性能。本钢为适应高端齿轮钢市场的需求，针对一汽大众高档轿车研究试制了20CrNi2MoSH钢。

1　技术要求

汽车齿轮主要被装配于汽车的齿轮箱，用于汽车的传动和变速。一对啮合齿轮在运行过程中齿面之间既有滚动也有滑动，齿根部会受到脉动和交变弯曲应力的作用。因此，高质量齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且其加工后的齿轮变形小、精度高和噪音低[1]。随着对轿车轻量化、安全、稳定的行车要求的逐步提高，对齿轮钢相应性能的要求也逐步提升。

20CrNi2MoSH钢为低碳CrNiMo钢，其主要化学成分要求见表1。

表1　20CrNi2MoSH钢化学成分　%

除表1中要求的化学元素外，还要求w[O]≤20×10-6，w[N]≤150×10-6，m(Al)/m(N)≥2，w(Cu)+ 10w(Sn)≤0.50%。

按GB/T 1979标准评级，技术条件要求为：一般疏松、中心疏松、偏析均≤3.0级，一般斑点状偏析、边缘斑点状偏析均≤1.0级。

按ASTME45标准中A法评级，A类夹杂物≤4.0级，B类夹杂物≤2.0级，C、D类及DS夹杂物级别≤1.0级。

按ASTME112方法检验，奥氏体晶粒度细于7级。

按GB/T 225方法检验，钢材硬度（HRC）在测试点J10时为35～39。

按GB/T 13298、GB/T 13299检验试验，合格级别≤3级。

钢材以热轧状态交货，要求钢材硬度（HBW）≤300。

2　关键工艺控制

本钢20CrNi2MoSH钢的生产工艺流程：EBT→LF→VD→连铸235 mm×265 mm中方坯→缓冷→加热→棒材连轧机组→缓冷→修磨→检验→包装缴库→发货。

电炉配料采用70%以上的铁水和少量精选废钢，各种脱氧剂、保护渣、造渣材料及铁合金烘烤性能良好。电炉冶炼采用氧气氧化，出钢控制碳及磷元素含量，并进行预脱氧和出钢过程合金化，同时加入精选混合渣料。LF炉精炼采用两次扩散脱氧工艺，造白渣（白渣精炼时要保持足够时间），全程吹氩搅拌，出钢前喂铝线脱氧，按目标要求调整钢水成分和温度。VD真空脱气处理，使得真空度在100Pa下保持足够时间，成分按设计目标予以微调，终脱氧后进行一定时间的软吹氩搅拌。采用三机三流弧形连铸机连铸钢坯，铸坯规格为235 mm×265 mm，全过程保护浇铸，合理配置过热度、拉速、比水量等工艺参数，保证获得均匀致密的铸坯质量。

对于连铸坯的保温，采用蓄热步进梁式加热炉，以高炉、焦炉混合煤气为加热燃料。重点保证加热温度和加热速度的均匀性，减小铸坯温差，防止奥氏体晶粒粗大。采用二辊可逆式初轧机粗轧预备方，采用无牌坊短应力线连轧机组轧制Φ45 mm、Φ55 mm的圆钢，控制轧制变形、终轧温度、轧后冷速，减少带状组织。钢材下冷床后堆冷，按流号收集。

3　试制结果

生产试制单炉连铸1炉钢，分别轧制Φ45 mm、Φ55mm规格钢材。

将20CrNi2MoSH钢熔炼成分分析结果列于表2。

表2　20CrNi2MoSH钢实际化学成分

低倍组织评级结果见表3。Φ45mm钢材低倍组织照片见图1。

表3　20CrNi2MoSH钢的低倍组织级别　级

图1　低倍组织（1:1）

试验钢的非金属夹杂物检验结果见表4。

表4　20CrNi2MoSH钢的非金属夹杂物级别　级

奥氏体晶粒度全部为7级。

对试样采用925℃正火、920℃淬火处理。末端淬透性的检验结果见表5。

表5　20CrNi2MoSH钢的末端淬透性值

带状组织全部为3.0级。

钢材以热轧状态交货，实际钢材硬度（HBW）在221～232之间，钢材轧后组织为贝氏体，图2为轧后组织照片。

图2　钢材轧后组织

4　质量测试

为较全面评价钢材质量水平，针对钢质均匀性、致密度、纯净度等方面特性，进行了连铸坯成分偏析、末端淬透性稳定性、钢材硬度等质量测试。

连铸每流取1块铸坯，对每块铸坯沿角部至半径1/2处和角部至边部中心处等距分析各点化学成分。分析结果是：同块铸坯碳元素质量分数最大极差为0.06%，硫元素质量分数最大极差为0.003%，锰、铬、镍合金元素质量分数极差均不超过0.03%；不同铸坯之间碳元素质量分数最大极差为0.08%，硫元素质量分数最大极差0.004 5%，锰、铬、镍合金元素质量分数极差均不超过0.04%。

在每块铸坯上取1片低倍试片进行酸浸低倍组织检验，9片低倍试片一般疏松均为0级，中心疏松和锭型偏析均为1.0级。图3为第二流头段坯低倍组织照片（照片上白纸片为试片编号标识）。

图3　第二流头段坯低倍组织

在每块连铸坯所产钢材上取1个试样（共8个试样），进行末端淬透性试验。各点末端淬透性平均值、最大值、最小值、极差见表6，根据各点平均值绘制的末端淬透性曲线见图4。

表6　不同连铸坯产钢材末端淬透性特征值（HRC）

对于每个规格钢材，随机取3个试片，每个试片用台式硬度计测试其中心及半径1/2处硬度值，试验数据见表7。

5　产品质量分析

各项检验数据满足技术标准要求。从成品化学成分及连铸坯化学成分偏析分析结果看，P、Ti、Cu、Sn等残余元素、有害元素以及气体中[O]、[N]含量均偏低，化学成分均匀，偏析小。各点末端淬透性极差远小于同炉钢，其离散值不大于4HRC的齿轮钢末端淬透性，同一轧制批次钢材硬度基本一致，表明钢质均匀性较好。连铸坯低倍检验及钢材低倍检验数据表明钢材具有良好的致密度。用户投料使用后反映：20CrNi2MoSH钢工艺性能较好，能保证加工使用要求。

图4　淬透性曲线

表7　成品钢材硬度（HB）

6　结论

1）本钢采用EBT→LF→VD→连铸235mm×265 mm中方坯→缓冷→加热→棒材连轧机组→缓冷→修磨→检验→包装缴库→发货生产的工艺，成功研制了生产高档轿车齿轮用钢20CrNi2MoSH。

2）本钢开发生产的20CrNi2MoSH圆钢，其化学成分均匀，有害元素及气体含量低，末端淬透性稳定，钢材组织均匀，纯净度高，致密度好。

3）本钢具备采用电炉连铸连轧工艺稳定生产高档轿车齿轮钢20CrNi2MoSH的能力。

[1]王丽敏.汽车零部件用钢的主要国内外标准综述[J/O L].http: //www.doc88.com/p-170877808032.html.

（编辑：胡玉香）

Development of the High Grade Gear Steel 20CrNi2MoSH for Automobile of BX Steel

ZHAO Qianshui，KAN Kai，LI Chaoqun
（Products Research Institute of Benxi Steel Plates Co.，Ltd.，Benxi Liaoning 117000）

The high grade gear steel 20CrNi2MoSH for automobile of BX Steel is successfully produced by the follow sheet:EBT→LF→VD→caster 235 mm×265 mm square billet→slow cooling→reheating→continuously roll→slow cooling→finishing→inspection→packaging and pay into treasury→shipment.The product has series of the qualities,including homogeneity of chemical composition,low content of harmful elements and gas,stable end-quench hardenability,compact and uniform organization,high purity,meeting the operating requirements of the high grade gear for automobile.

20CrNi2MoSH,gear steel，continuous casting

TG142.72

A

1672-1152（2016）02-0011-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.04

2016-03-10

赵千水（1973—），男，高级工程师，从事特殊钢生产工艺技术研究和新产品开发研制工作，受聘为中国金属学会特殊钢分会不锈钢与耐热钢学术委员会委员。