窄淬透性20CrMnTiH2齿轮钢棒材的研制开发①

程维玮， 韩玉梅， 谭崇凯

(1.南京钢铁股份有限公司，江苏 南京　210035；2.綦江齿轮传动有限公司，重庆　401421)

引　言

随着中国汽车、机械工业的飞速发展，以及国外品牌汽车相继在中国落户，为减少齿轮啮合磨损不一致引起的变速箱噪音增加和热处理变形造成的废品率上升，对汽车、机械用保淬透性齿轮钢性能波动要求越来越小，并开发出一些子钢号，如20CrMnTiH1～6，16～18CrMnBH，20CrNiMoH1～2等；淬透性带宽要求由12～14 HRC缩小至5～8 HRC，氧含量由≤25×10-6下降到≤20×10-6等，而近年不论是欧美国家还是日本、韩国等更是提出了2～4 HRC的极窄淬透性要求，氧含量则要求≤12×10-6～15×10-6。这些钢种的化学成分控制极窄，有的甚至近似于点成分控制。

1　窄淬透性齿轮钢供货技术指标

20CrMnTiH系列齿轮钢是目前国内用量最大、用途最广的一个典型的齿轮钢钢种，某汽车零部件厂近年开发的20CrMnTiH2的J9，J15淬透性要求分别为30～34 HRC和24～28 HRC，也是目前国内淬透性带宽要求最窄的20CrMnTiH子钢号。用户技术协议中的化学成分如表1所示，理化性能指标如表2所示。

表1　20CrMnTiH2的化学成分要求

表2　 20CrMnTiH2理化性能指标

非金属夹杂物(级)B细系B粗系C细系C粗系D细系D粗系淬透性/HRCJ9J15带状组织(级))晶粒度(级)≤2.0≤1.5≤1.5≤1.5≤1.5≤1.530～3424～28≤2.5≥5

2　窄淬透性齿轮钢棒材的研究

2.1　合金元素在钢中的作用

2.1.1碳

碳是钢材中最传统、最经济的强化元素，随着碳含量的增加，钢材的强度、硬度、淬透性提高，而冲击韧性明显下降，实际生产的各类保淬透性钢的碳含量一般控制在0.14%～0.25%之间。考虑到保淬透性齿轮钢一般用于制作汽车、工程机械等的齿轮、齿轮轴等承受冲击的部件，碳含量一般在0.23%以下，并且随着其它提高淬透性的元素加入，碳含量逐步向下限靠近，但综合考虑强度、硬度、韧性等性能，碳含量也不低于0.14%。

2.1.2锰、铬、钼

锰对淬透性贡献显著，特别是当锰的含量超过0.8%时，锰对淬透性的贡献更为显著。

铬对淬透性的影响，在低碳钢中略低于锰。

钼能有效地提高淬透性，与中碳钢相比，在高碳钢中钼有更大效果。镍与钼之间有强的交互作用。

2.1.3硅、铝、硫

在含碳0.20%左右的齿轮钢中，硅对淬透性的贡献略低于铬，但会明显增加材料的冷弯开裂倾向，故不宜高。

铝是强脱氧元素[1]，还可与氮结合生成氮化铝，具有明显的细化晶粒作用[2]。对淬透性影响较小。

硫对淬透性影响很小，可以提高钢材的切削性能，但过量时会恶化冷锻性[3]。

2.1.4钛

钛可以产生强烈的沉淀作用和中等程度的细晶强化作用。钛的化学活性很强，易与钢中的碳、氮、氧、硫等形成化合物，在奥氏体中的溶解度较小，对淬透性的贡献也小，宜向下限控制[4]。

2.2　棒材生产线工艺装备和技术

1)电弧炉冶炼采用喷粉脱磷及无渣出钢技术，可以使磷降低到0.010%以下。采用双工位的LF/VD及全程底吹氩等精炼技术，除了可以精确地进行合金成分微调，达到窄成分控制的目标，还可以进行气体含量以及氧化物、硫化物等非金属夹杂物形态的控制。目前冶炼厂在成分调整方面可以使C，Mo，Ni等元素含量精确地控制在±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。由于全程采用底吹搅拌工艺，特别是喂丝后的静搅，可以有效地去除钢水中的夹杂物，提高钢水的纯净度。

2)连铸过程采用低的过热度、全保护浇注、适宜的二次冷却及结晶器电磁搅拌和末端轻压下等工艺，可以有效地防止钢水的二次氧化，避免产生严重的中心偏析、中心疏松、表面和内部裂纹等。

3)轧制过程采用步进梁式加热炉，可以有效地提高钢坯加热质量，保证钢坯温度的均匀性。高刚度达涅利轧机和KOCKS减定径机组保证了成品尺寸精度。精整工序采用了先进的涡流或漏磁外探、超声波内探联合探伤设备，可以精确地探测成品的表面及内部质量情况，并根据探伤情况进行修磨或改尺处置，从而可以保证部分高档次产品无缺陷出厂。

2.3　20CrMnTiH2窄淬透性齿轮钢的化学成分设计

窄淬透性齿轮钢主要通过对化学成分进行精确的窄成分控制，从而达到产品的窄淬透带要求[5]。电弧炉生产20CrMnTiH2时，不会添加Ni，Cu，Mo等残余元素，在采用优质废钢和铁水时，其含量均很低且变化很小，对淬透性的影响很小，可以不予考虑，其淬透性主要受C，Si，Mn，Cr等四个元素综合影响。在技术协议范围之内将各元素的含量调整到合适的值就可以得到所需要的淬透性；但在实际生产中操作工是难以胜任各元素大范围的调整测算工作的，因此技术人员在制订工艺时，会根据技术协议要求的窄淬透性带处于标准规定的淬透性带的上带还是下带，初步确定各元素相应高、低的大致内控范围，再根据经验和参照同类钢种的实测值和理论计算值确定各元素的目标值，这样操作工只需要确保在内控范围内不要使四个元素同时高于或低于目标值即可。需要注意的是由于不同元素之间的相互作用，当一个元素含量处于不同范围内时，将会导致另外一个元素对淬透性的影响发生明显变化，所以在试验窄淬透性齿轮钢时，一般会先试验1～2炉，再根据这1～2炉的实测值和理论计算值进一步修正目标值和缩小内控范围。

20CrMnTiH2技术协议要求的淬透性J9：30～34 HRC；J15：24～28 HRC均处于GB/T 5216-2014 《保证淬透性结构钢》标准中20CrMnTiH淬透性下带20CrMnTiHL 的J9：30～38 HRC；J15：22～31 HRC的下带，根据现有的20CrMnTiHL淬透性实测值和理论计算值，确定20CrMnTiH2按照表3所示要求控制。

表3　窄淬透性20CrMnTiH2齿轮钢主要化学成分控制表/%

3　窄淬透性齿轮钢棒材的试生产

3.1　试生产工艺

试生产时，为了实现各元素含量的精确控制，电弧炉出钢合金化时，主要元素按照目标值的90%添加，并以1.0～1.2 kg/t铝丸进行深脱氧；在LF炉

精炼中采用少量多次添加合金的方式调整各主要元素的含量，并始终保持w(Alt)≥0.015%。在LF末期添加Ti，S等易氧化元素，真空处理时真空度0.5 Torr(66．66 Pa)，保持12 min以上，并在VD处理后根据化学成分检测情况通过喂线方式微调，禁止加入块状合金。喂线后静搅时间保持在15 min以上。其最终熔炼成分基本控制在目标值附近，如表4所示。

表4　窄淬透性20CrMnTiH2齿轮钢主要化学成分实际值/%

由于此钢为中低碳低合金钢，可以选择较高的加热温度，具体工艺：预热段炉温650～800 ℃，加热一段炉温控制在1090±60 ℃，加热二段炉温控制在1230±30 ℃，均热段炉温控制在1220±20 ℃。加热时间约4 h。轧后进缓冷坑缓冷。

3.2　连铸坯质量

试生产得到连铸坯的表面质量较好，未发现裂纹、结疤等缺陷，内部也无裂纹缺陷，组织正常。

3.3　成品棒材的组织

成品金相组织较好，均为P+F，带状组织0.5～2.0级(如图1所示)，奥氏体晶粒度6.0～8.5级(如图2所示)，热轧态晶粒度6.5～9.0级(如图3所示)。

图1　20CrMnTiH2带状组织(1.5级)

图2　20CrMnTiH2奥氏体晶粒度(8.5级)

图3　20CrMnTiH2热轧态组织：F+P(7.5级)

3.4　成品棒材的非金属夹杂物

非金属夹杂物级别较低，一般控制在1.0级以下，部分达到1.5级，典型的照片如图4所示。

图4　非金属夹杂物照片

3.5　低倍

对成品进行低倍检测，中心疏松0.5～2.0级，中心偏析0～1.0级。

3.6　淬透性

由于20CrMnTiH2的4HRC淬透性带宽要求是国内首次提出，要求化学成分控制范围很窄，首批试生产的两炉检测数据均偏高，分别为J9：35.5，36 HRC；J15：28.5，27.5 HRC，最高值超出了要求值2HRC；因此需要对20CrMnTiH2主要元素C，Si，Mn，Cr含量的内控范围和目标值进行修订。根据经验将C，Mn，Cr的目标值分别调低到0.01%，0.05%和0.02%，并收窄Mn，Si，Cr的内控范围，如表5所示。采用ASTM255标准初始硬度计算式、

碳系数计算式、各元素的乘数计算式，计算出对应的初始硬度、碳系数、各元素的乘数，进而得出理想临界直径DI值。

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

(1)

碳系数：fC=0.54×w(C)

(2)

锰乘数：fMn=3.3333×w(Mn)+1.00

(3)

硅乘数：fSi=1.00+0.7×w(Si)

(4)

铬乘数：fCr=1.00+2.16×w(Cr)

(5)

理想临界直径：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，远小于135.0 mm，所以J9，J15计算时均可以排除无硼钢距离硬度相除系数等于1的情况。由无硼钢距离硬度相除系数等式计算表5中各元素不同含量组合时J9，J15的理论淬透性值：

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)

以两炉试验钢的J9，J15的实测平均值与理论计算平均值的比值作为修正系数，各元素不同含量组合时的理论淬透性值与修正系数的乘积所得修正值即可作为该元素组合下的淬透性J9，J15的设定目标值。

考虑检测误差和偏析的影响，并参考化学成分相近的在产20CrMnTiHL的化学成分和J9，J10淬透性理论值和实测值，最终确定主要化学成分的目标值和内控范围，如表6所示。

表5　各元素不同含量组合时的理论值和修正值

表6　保淬透性齿轮钢试验化学成分控制表/%

除首批炉次的淬透性硬度值外，又随机抽取48炉20CrMnTiH2的淬透性数据，按照生产时间的先后顺序绘制折线图，如图5，6所示。

图5　20CrMnTiH2-J9淬透性数据图

图6　20CrMnTiH2-J15淬透性数据图

从图5，6可以看出，调整并收窄了主要化学成分C，Mn，Si，Cr的含量后，20CrMnTiH2淬透性硬度值平稳地下降到标准范围之内，其淬透性数据波动范围基本控制在3.5 HRC左右。客户在加工过程中因材料热处理变形而造成的废品率也下降了1.0%左右，由此材料制造的变速箱噪音等各项指标测试也明显好于采用20CrMnTiHL的原设计。

4　结束语

(1) 通过对化学成分窄范围控制可以达到窄的淬透性带宽目的，淬透性检测值波动范围基本可以控制在3～4 HRC以内。

(2) 对一种各元素含量均控制在一个较窄范围内的齿轮钢而言，以相应距离的淬透性实测值与理论计算值的比值为修正系数，修正按照《测定钢淬透性的标准试验方法》计算得出的理论值，对进一步收窄各元素控制范围，生产出更窄淬透性带宽的齿轮钢具有指导意义。

参考文献：

[1]赵振刚. LF+VD精炼工艺对齿轮钢氧含量的影响[J]. 特殊钢，2002，23(1)：49—50.

[2]浦学坤. 齿轮钢冶炼工艺研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2006.

[3]侯张宝. 汽车齿轮钢的生产及其发展[J]. 特殊钢，1991，12(5)：9—15.

[4]卫英慧，黄源. 钛对20CrMnTi钢淬透性影响的研究[J]. 物理测试，1995，(2)：12—15.

[5]首钢技术研究院信息所.机械用钢调研报告[R].北京：首钢技术研究院信息所，2001.