20CrMnTiH5齿轮钢产品质量分析

郭志元

（山钢股份莱芜分公司 特钢事业部，山东 莱芜271105）

1 前 言

传统20CrMnTiH齿轮钢是国内用于制造各种工程机械、汽车等传动齿轮、齿轮轴材料的钢种。传统齿轮钢品种单一，竞争力不强，为此山钢股份莱芜分公司开发了汽车用Cr-Mn-Ti系列保证淬透性齿轮钢20CrMnTiH5。该钢种在成分均匀性、钢液纯净度、晶粒细密度以及淬透性上都有大幅度提高，由此细化市场，满足客户多样化要求。为考察产品质量及对生产提供进一步指导，本研究对山钢股份莱芜分公司生产的20CrMnTiH5钢质量进行检验分析。

2 质量检验

20CrMnTiH5齿轮钢生产工艺流程：50 t电炉→LF精炼→VD真空脱气→连铸（电磁搅拌）→轧制→精整→检验→入库。自2015年1—10月，山钢股份莱芜分公司共统计生产的20CrMnTiH5齿轮钢476炉，对钢的成分及性能进行检验统计。

2.1 化学成分

20CrMnTiH5钢的化学成分见表1，由表1可以看出钢的化学成分基本控制在标准要求内，P、S杂质元素控制较好，Ti含量控制在合理的水平（经验数值Ti含量为0.07%），既细化了晶粒，又避免TiN夹杂含量过多。C、Si、Mn、Cr是影响淬透性最强烈的元素，其含量控制在较窄的范围内。由于每炉之间的化学成分波动范围控制一般，扩大了淬透值的波动范围，无法满足部分客户对于大批量钢材淬透性一致的要求。

表1 20CrMnTiH5钢化学成分 %

2.2 组织与性能

2.2.1 低倍组织

经酸浸后的低倍试片上不得有肉眼可见的缩口、裂纹、气泡、夹杂、翻皮、白点及有害杂物，协议要求及检验结果见表2。由表2可以看出，不同规格钢的低倍组织均能达到要求且波动范围不大。低倍组织检验一次合格率达到100%。

2.2.2 非金属夹杂和晶粒度

非金属夹杂破坏了钢的连续性，造成了钢的组织不均匀，严重危害钢材质量，降低钢的使用寿命。钢中的非金属夹杂物应尽量少，20CrMnTiH5钢协议要求及检验结果见表3。统计表明，非金属夹杂检验的一次合格率为99.79%。晶粒大小是齿轮钢的一项重要指标，齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒，淬火后得到细马氏体组织，可明显改善钢的疲劳性能，同时减少齿轮热处理后的变形量。20CrMnTiH5钢晶粒度检验的一次合格率为100%，控制水平较高。

表2 20CrMnTiH5钢低倍组织 级

2.2.3 带状组织

带状组织的存在使20CrMnTiH5钢组织不均，对钢材的塑性、冲击韧性和断面收缩率等性能造成不利影响。因此，通过合理的方式减轻带状组织是非常重要的。在生产过程中，加热制度控制、终轧温度控制和轧后冷却速度控制对于细化晶粒、减轻带状组织有着明显的作用［1］。协议要求20CrMnTiH5钢带状组织≤3.0级，检验结果为0.5～3.0级，可知带状组织一次合格率达到100%。

2.2.4 氧含量

Q/3700 LYS 198—2010标准规定氧含量≤20×10-6。氧含量对于齿轮钢的疲劳寿命有着重要的影响［2］。检测表明，20CrMnTiH5 钢氧含量为（10.9～22）×10-6，平均 15.9×10-6，极差 11.1×10-6。检验值范围较大，一次检验时不合格14炉，氧含量一次合格率为97.06%。

2.2.5 末端淬透性

使用生产钢材加工成的齿轮出现问题最多的是淬透性的不稳定性，达不到要求的硬度或热处理后产生不均匀变形。主要原因在于不同炉次钢的质量波动和同一炉钢的质量不均匀性。20CrMnTiH5钢淬透性标准要求及检验结果见表4。标准要求J9、J15 ΔHRC≤7，带宽较窄；检验结果J9与J15淬透值超出标准要求并复验的共有37炉。淬透性一次合格率为92.23%。

表3 20CrMnTiH5钢非金属夹杂和晶粒度 级

表4 20CrMnTiH5钢淬透性（HRC）

2.3 外观质量

2.3.1 热顶锻

20CrMnTiH5钢每月的顶锻炉数与一次合格率如图1所示。

图1 20CrMnTiH5钢顶锻炉数与合格率

其中，2月与4月各出现一炉轻微顶锻裂纹，总体热顶锻质量较稳定。热顶锻一次合格率为99.57%，复顶合格率100%。

2.3.2 尺寸及外形

山钢股份莱芜分公司企业标准LQB 012—2011规定的圆钢尺寸允许偏差及不圆度见表5，图2是直径为 70、90、120、160 mm 的实测尺寸分布，其尺寸允许偏差分别为±0.7、±1.0、±1.35、±1.9 mm。可以看出尺寸基本控制在二组精度内，尺寸波动范围大，离散度高，大部分在尺寸上下限浮动，容易造成不圆度超差。为此，加强和优化轧制工艺控制，严格质量检验，20CrMnTiH5钢的外观质量明显改善。

表5 尺寸允许偏差及不圆度 mm

图2 4种规格20CrMnTiH5钢实测尺寸分布

3 质量分析

2015年1—10月，共检验入库20CrMnTiH5钢476炉，检验一次合格率88.66%，检验合格率为98.3%，钢种兑现率100%。可以看出一次合格率水平不高，复验54炉。其中因热顶锻复验为2炉（4%），氧含量复验14炉（26%），末端淬透性复验37炉（68%），非金属夹杂复验1炉（2%）。

20CrMnTiH5一次合格率仅为88.66%，而在检验不合项目中末端淬透值和氧含量复验的炉数占到不合项的94%。因此提高此钢种的一次合格率，最重要的就是要提高末端淬透性与氧含量的合格率。

3.1 氧含量控制

在工艺控制中采用控制出钢终点碳和预脱氧，加强精炼脱氧和出钢软吹，做好保护浇注等措施，降低钢中氧含量。稳定工艺操作，对EAF-LF-CC各工序环节加强控制均能有效控制氧含量［3］。

3.2 压缩比对末端淬透值的改善作用

20CrMnTiH5的成品规格从Φ65～Φ160 mm。来料均为断面260 mm×300 mm的连铸坯。根据压缩比公式（ =O/n，O为铸坯断面积，n为成品断面积），可以计算出不同成品规格的压缩比，根据检验数据可以得到末端淬透值与压缩比的关系，见图3。

图3 20CrMnTiH5钢压缩比与一次合格率关系

由图3可以看出，压缩比为3.9～11的情况下出现复验的炉数较多，而在压缩比为12.3～22.7的情况下一次合格率基本稳定。适当的压缩比可以将坯料内部的组织压实，焊合孔洞、裂纹，均匀偏析成分，使钢材性能一致［4］，从而改善齿轮钢的淬透性。在压缩比3.9～6.9范围内复验炉数最多，达到了29炉，在压缩比8.2～13.7范围内复验炉数6炉，在压缩比15.5～22.7范围内复验炉数最少，只有2炉。因此采取适当的压缩比对于末端淬透性的改善有一定的作用。

4 结 论

4.1 山钢股份莱芜分公司特钢事业部共统计生产的20CrMnTiH5齿轮钢476炉，一次合格率88.66%，检验合格率98.32%，钢种兑现率100%。总复验炉数为54炉，一次合格率水平不高。

4.2 检验不合格项目中末端淬透性值（68%）和氧含量（26%）复验的炉数占到不合格项的94%，要提高该钢种的一次合格率，最重要的就是提高其末端淬透性值与氧含量的合格率。

4.3 窄范围控制化学成分，稳定每炉之间化学成分的波动，采取适当的压缩比将坯料内部的组织压实，焊合孔洞、裂纹，均匀偏析成分，使钢材性能一致，从而改善齿轮钢的淬透性，提高末端淬透性值的一次合格率；优化工艺控制，稳定工艺操作，降低氧含量，提高氧含量的一次合格率。控制好此两项是大幅度提高钢种一次合格率的有效措施。

参考文献：

［1］ 吕林，毛建强，袁淑君，等.温度制度对齿轮钢带状组织控制的研究［J］.莱钢科技，2010（6）：50-52.

［2］ 胡联舫，李怀明.汽车用齿轮钢的现状及发展［J］.冶金标准化与质量，1996（6）：11-12.

［3］ 马佐仓，范夕荣，翟正龙，等.优化EAF—LF—CC工艺降低钢中氧含量［J］.莱钢科技，2006（6）：22-26.

［4］ 陈林，郭瑞华，包喜荣.轧钢生产问答［M］.北京：化学工业出版社，2008：98.