转炉20CrMnTiH齿轮钢子钢号的研制

发表时间：[2013-01-22]　　作者：李顺1，张朋2，段桃英2　　编辑录入：admin　　点击数：1129

转炉 20CrMnTiH 齿轮钢子钢号的研制

李顺1，张朋2，段桃英2

( 1 特钢事业部 2 淄博锚链有限公司)

摘要: 采用转炉工艺流程开发生产了 20CrMnTiH 齿轮钢子钢号。通过转炉终点控制，精炼渣系调整，连铸工艺全程保护浇注，电磁搅拌，轧后控冷等措施，钢材达到了成分稳定、淬透性带窄、晶粒细小均匀、表面优良的高质量水平。

关键词: 转炉工艺流程; 20CrMnTiH 齿轮钢; 转炉终点控制

0 前言

20CrMnTiH 是我国自主开发的齿轮钢钢种，该钢种的主要元素价格低廉、晶粒长大倾向小、生产工艺成熟。莱钢是国内 20CrMnTiH 齿轮钢的最大生产厂家，曾连续多年位居国内市场占有率第一，而且在电炉生产线按用户个性化要求成功开发了20CrMnTiH1 ～ H6 窄淬透性齿轮钢子钢号，实现了齿轮钢子钢号全系列化。

1 主要技术要求

20CrMnTiH 全系列子钢号作为汽车齿轮用钢，主要性能指标包括低倍、淬透性、非金属夹杂物、晶粒度、显微组织等，其中窄淬透性带、非金属夹杂物、带状组织是最重要的指标，影响着用户加工使用性能和齿轮的使用寿命。冶炼时化学成分的控制是保证窄淬透性带的关键，钢的化学成分应符合表 1 规定。钢中氧含量≤20 ×10－ 6。

在国标 20CrMnTiH 规定范围内，对应不同淬透性和淬透性带宽要求，对 C、Cr、Mn、Ti 成分进行一定的调整，开发出 20CrMnTiH1 ～ H6 齿轮钢子钢号。

低倍组织按 GB/T1979 检验，酸浸横截面试片上不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、白点及晶间裂纹等影响使用的缺陷。一般疏松、中心疏松及偏析均≤2. 0 级。

钢的淬透性按 GB/T225 检验。用预备热处理过的毛坯制成 25 mm 标准试样测定钢材的淬透性，热处理制度: 正火 ( 920 ± 10 ℃ 空冷) + 端淬 ( 880 ± 10 ℃ 水淬) ，其结果应达到如下要求:① J9 HRC26 ～ 45 与 J15 HRC22 ～ 41; ② 按照20CrMnTiH 子钢号要求从 H1 ～ H6 保证范围内特定的淬透性和淬透性带宽。

按 GB/T10561ASTM 评级图Ⅱ中 A 法评定非金属夹杂物级别，要求符合表 2 的规定。

按 GB/T6394 检验钢的奥氏体晶粒度，级别应≥6 级。

2 工艺设计

2. 1 工艺流程

铁水预处理→混铁炉→复吹转炉→LF精炼→连铸机→轧钢车间

2. 2 工艺控制要点

2. 2. 1 末端淬透性控制

为保证淬透性控制的稳定性，采用窄成分控制技术: 将碳含量控制在较窄的范围内，－0. 01% ≤ΔC≤ ± 0. 01% ; 通过适当提高锰含量，提高末端淬透性值; 适当提高铬含量，并通过锰、铬配合和合金总量合理控制，不仅保证窄淬透性，且可大幅度提高冲击功。

2. 2. 2 纯净度控制

20CrMnTiH 齿轮钢纯净度主要指钢中除硫以外的夹杂物含量的水平，是检验齿轮钢性能的一个主要指标，通常用钢的总氧含量表示。钢的纯净度要求，主要是指降低氧化物夹杂的含量，以减轻其对齿轮疲劳性能的有害作用。为保证钢中总氧含量不大于 20 ×10－ 6，主要控制措施如下:

1) 转炉冶炼终点控制

根据碳氧反应平衡理论，在一定温度下碳氧浓度积等于常数。实际生产中，终点氧含量还受终点渣氧化铁、熔池温度的影响。根据碳氧积，当20CrMnTiH 冶炼终点碳处于 0. 1% ～ 0. 2% 时，终点碳含量越低，钢水中氧含量增加越显著。转炉冶炼工序对氧含量和夹杂物控制的重点是控制钢水终点碳含量和优化脱氧剂的使用，目标是防止钢水过氧化、控制钢液氧含量、保证铝的脱氧效果、稳定合金收得率。

2) 铝脱氧

20CrMnTiH 要求钢中氧含量不大于 20 × 10－ 6，晶粒度不小于 6. 0 级。采用铝脱氧和细化晶粒，铝的加入量主要依据钢水终点碳含量 ( 由碳含量推知氧含量) 进行合理控制。

2. 2. 3 带状组织

为提高钢的质量防止带状组织形成，连铸时采用低过热度全程保护浇注、电磁搅拌技术，尽量扩大等轴晶区，抑制柱状晶的发展; 中间包钢水保持恒速、恒温、恒液面三恒浇注; 优化二冷区水量分布，使铸坯表面温度分布均匀; 在铸坯的凝固末端设置强制冷却区和采用轻压下技术; 适当提高钢材轧后高温区的冷却速度，缩短碳元素的扩散时间和扩散距离，抑制带状组织的形成。

3 产品实物质量

3. 1 20CrMnTiH 化学成分

20CrMnTiH 化学成分检验结果见表 3。

由表 3 看出，脱氧过程良好，氧含量的降低，可大大提高齿轮的疲劳寿命。20CrMnTiH1 ～ H6 中C、Mn、Cr、Ti 等主要化学元素均稳定控制在较窄的范围内，Al 含量平均控制在 0. 03% 左右，各化学成分满足子钢号设计要求，而且均能控制在较窄的范围内，钢水成分稳定。

3. 2 末端淬透性

统计分析，20CrMnTiH 齿轮钢系列子钢号 H1～ H6 每一个区间内 J9、 J15 命中率基本可达100% ，且在技术要求范围内，同一炉淬透性差值最大为 5 HRC。

可见 20CrMnTiH 齿轮钢系列子钢号淬透性及淬透性带宽控制良好，均达到了研发目标要求。

3. 3 非金属夹杂物及钢材脱碳层

非金属夹杂物检验结果见表 4。

检验结果表明，非金属夹杂物含量低，A、B、C、D 类夹杂物级别均满足企业标准，非金属夹杂物均匀细小，十分有利于提高钢材使用寿命性能。为了减轻钢中碳化物的不均匀性，钢坯的加热时间较长，但通过合理控制加热温度和炉内气氛，在保证碳化物要求的前提下，尽可能的减轻圆钢的脱碳，检验结果说明，脱碳层控制良好，完全符合标准要求。

3. 4 钢的低倍组织、显微组织

低倍组织、显微组织检验结果: 疏松、中松、偏析均≤1. 5 级，带状组织均≤2. 0 级，晶粒度为7 ～ 8 级，未发现显微孔隙等异常组织缺陷，高低倍检验结果表明热轧圆钢低倍、显微组织良好，组织致密，完全符合标准要求。

4 结语

莱钢采用转炉冶炼→LF精炼→连铸→轧制工艺开发生产 20CrMnTiH 窄淬透性齿轮钢产品，生产工艺合理、先进，生产稳定顺行，产品具有化学成分稳定、淬透性带窄、纯净度高、组织致密、晶粒细小均匀，表面质量优良等优点，标志着莱钢转炉流程生产工艺装备具备生产高质量齿轮钢的能力。

用户使用后反映，产品具有锻打合格率高、热处理稳定性强、变形小、加工性能优良等特点，完全能够满足汽车用高级齿轮的加工、使用要求。