齿轮钢在很多材料领域中广泛使用,随着中国车辆机械工业的快速发展,齿轮钢的市场需求量越来越多,其中20CrMnti是齿轮用钢的主导品种。齿轮钢拥有较高的强韧性、耐磨性、疲劳强度。当钢中有较多MnS夹杂物时,MnS夹杂作为应力集中源,割断了基体的连续性而使切削易断,以及具有润滑作用降低刀具磨损,并且硫化物夹杂能包裹Al2O3尖晶石类硬质夹杂物而减少刀具磨损。从而改善了钢材的切削加工性能。为了使齿轮钢在加工时提高其切削性能,目前国内外将齿轮钢的硫质量分数控制为0.025%~0.040%。 ![]() 1、20CrMnTi钢硫化物控制现状 钢厂生产的20CrMnTi齿轮钢硫质量分数控制为0.025%~0.035%,主要化学成分见表1。 ![]() 为了控制MnS夹杂物的长宽比,使其形态为纺锤状,且均匀分布,诸多钢厂采用钢水钙处理获得有核心的(Mn,Ca)S球形或纺锤状复合夹杂物,也有通过加入稀土对MnS夹杂进行变性处理,形成高硬度不易变形的稀土硫化物或稀土硫氧化物改善MnS形态。但从目前的工艺技术研究和运用上看,对于含0.025%~0.035%硫和0.020%左右铝的20 CrMnTi钢,采用钙处理对硫化物夹杂进行变性时,钢水中的氧化铝夹杂很难变性为12(CaO)·7(Al2O3),工艺一旦掌握不好,不但不能使氧化物和硫化物夹杂很好地变性,反而容易造成连铸浸入式水口结瘤。 钢厂针对含硫含铝钢可浇性进行了相关的工艺优化,通过抑制CaS生成,使钢中氧化物夹杂物仍以钙铝酸盐为主,可显著改善钢水可浇性,但该工艺对钢中硫化物夹杂形貌的控制方面没有改善作用。对于含钛钢种,吴树漂等认为,冶炼过程中控制好TiN的形状或使其变性,可以消除其对疲劳寿命的影响。该钢厂现有工艺条件下生产的20 CrMnTi钢中含有0.04%~0.08%的钛、0.0030%~0.0040%的氮。本文利用钢水凝固过程中TiN和MnS的结合变性思路进行工艺的优化试验,实现既可控制TiN又可改变硫化物夹杂的形态、尺寸及组成。 2、TiN和MnS析出热力学计算 钢液在连铸浇铸过程中,随着温度的降低,Ti和N的溶解度逐渐降低,当其溶度积超过平衡溶度积时,TiN即析出。MnS亦然。 按照表1的20 CrMnTi钢的化学成分,计算得到液相线和固相线温度分别为1508和1445℃。由热力学计算分析可以得到,20CrMnTi钢中的TiN和MnS均在固液两相区析出。具备了TiN与MnS在相邻的凝固温度下先后析出。 原工艺条件下,硫化物析出的附近存在片状氮化钛,之所以TiN和MnS平行析出而没有以TiN为核心的MnS,主要是因为两者的析出温度接近。从图3和图4的比对可发现,通过增加钢中氮含量可以使TiN在更高的温度下析出,优先与MnS析出,从而使更多的MnS夹杂能以TiN为形核核心,使A类夹杂物改性从而改善其形态。 ![]() ![]() 基于热力学理论计算结果,进行工业试验,分析研究20 CrMnTi钢中含有不同氮含量下,*终轧材A类硫化物夹杂的形貌、组元变化情况。 3.1 试验方案 20CrMnTi钢在原冶炼生产工艺不变的条件下,使用不影响钢水洁净度的RH真空处理过程增氮技术,钢水在RH处理过程中使用氮气作为提升气体,并保持不同的时间达到钢水增氮,使钢中的氮质量分数由原工艺0.0035%左右分别增加到0.0055%左右和0.0075%左右,然后通过相同的轧钢工艺、压缩比进行轧制。 ![]() 3.2 试验结果 3种氮含量的轧材按照GB/T10561-2005进行非金属夹杂物评级,检验评级结果见表4。可以看出,钢中氮质量分数不低于0.0050%后,A类夹杂物有明显改善,尤其是钢中氮质量分数为0.0053%时,相比氮质量分数为0.0035%的非金属夹杂A类由细系3.5级降低到1.0级。 ![]() ![]() 3.2.1 A类夹杂数量和尺寸变化 利用扫描电镜对钢中A类夹杂物进行自动统计分析,3种氮含量钢中单位面积A类夹杂物尺数量统计结果如图6所示。 ![]() 含0.0057%氮的钢中不大于50μm的A类夹杂物单位面积数量占比达89%,要比含0.0073%氮的钢多22%,含0.0057%氮的钢基本没有大于100μm的A类夹杂物,而含0.0073%氮的钢有占比8.8%的A类夹杂物大于100μm。可见钢中氮含量过高后,对钢中硫化物的改性效果减弱。 3.2.2 A类夹杂物组成变化 对含质量分数为0.0057%的轧材中A类夹杂物进行 SEM-EDS分析,图7所示为A类夹杂物形貌及面扫结果,图8所示为A类夹杂物的能谱分析结果。可以看出,氮质量分数为0.0057%的钢A类夹杂物相比于氮质量分数为0.0035%钢的纯MnS夹杂物,多数夹杂物为Mn、S、Ti、N的复合夹杂物,以及芯部为TiN周围包裹着MnS的夹杂。 从对20 CrMnTi钢不同氮含量下A类夹杂物的分析结果看,通过适当提高钢中的氮含量,有利于使钢中TiN优先于MnS析出,为MnS夹杂物提供了形核核心,进而使硫化物变性为含Ti和N的复合夹杂。达到了对硫化物夹杂物的氮化钛改性,*终使轧材中的硫化物夹杂呈小型态。 3.3 钢的低倍及性能变化 为确认钢中氮含量增加后钢材性能的影响,对氮质量分数为0.0035%和0.0057%的铸坏同时轧制成∮0mm热轧材进行力学性能、末端淬透性及低倍组织等比对材进行比对分析,检验比对结果见表5和表6。 ![]() 4、结论 (1)20CrMnti钢中的TiN、MnS夹杂不会在液相线温度以上析出,而是在液相线和固相线之间开始析出。通过增加钢中氮含量可以使TiN在更高的温度下析出,优先于MnS析出。 (2)钢中氮质量分数由0.0035%增加到0.0050%~0.0080%可明显改善非金属夹杂A类细系等级,尤其氮质量分数控制为0.0055%左右,A类细系由原来的3.5级降低到1.0级。 (3)钢中氮质量分数由0.0057%增加到0.0073%,钢中TiN在两相区过早的析出、长大,析出的TiN颗粒尺寸*大达到16m,不利于MnS夹杂物的形核析出,A类夹杂形貌改善不明显。 (4)钢中氮质量分数增加到0.0055%左右,小于10m的A类夹杂物数量相比增加19%,10~30m的增加10%,30~50m的增加22%,A类夹杂物长条状的变少,变得短小、均匀分散,A类夹杂物改性为Mn、S、Ti、N的复合夹杂物,以及芯部TiN、周围包裹着MnS的复合夹杂。 津钠(GNR)直读光谱仪可以快速精准的分析金属中元素含量! |
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