齒輪鋼連鑄坯高溫特性實驗研究及應用

范黎明 裴建華

(山東鋼鐵集團有限公司)

齒輪鋼連鑄坯高溫特性實驗研究及應用

范黎明 裴建華

(山東鋼鐵集團有限公司)

針對齒輪鋼代表性鋼種20CrMnTiH連鑄坯進行高溫力學性能和高溫熱膨脹性能實驗研究，充分認識連鑄坯的兩種高溫特性在凝固和冷卻過程對形狀和尺寸影響，分析連鑄坯產生應力、變形和熱裂紋的原因，為連鑄設備和工藝設計提供科學依據，保證齒輪鋼產品質量。

齒輪鋼 連鑄坯 高溫特性 凝固

0 前言

在連鑄生產中，提高連鑄坯質量、生產無缺陷的連鑄坯長期以來是一項重要的研究課題[1]。而鋼的高溫特性與應力產生和裂紋形成有很大聯系，為提高齒輪鋼質量，降低裂紋的發生率保證鋼的性能，為齒輪鋼連鑄坯制定合理的冷卻制度，有必要對齒輪鋼連鑄坯的高溫特性進行研究。代表鋼種20CrMnTiH化學成分范圍見表1。

表1 化學成分范圍

1 連鑄坯的高溫力學性能

1.1 實驗目的

鋼在高溫下的力學行為，是連鑄坯凝固坯殼產生裂紋的本質原因。只有充分認識鋼的高溫力學性能在凝固過程中的變化規律，才能為連鑄設備和工藝設計提供科學依據，從而為產品質量提供保證[2]。

1.2 實驗方案

連鑄坯高溫力學性能測試在Gleeble-1500型號的熱模擬機上進行，試樣尺寸Φ10×120 mm，兩端有螺紋。測試時試樣室通入流量為1 L/min的氬氣流，以10 ℃/s的速率升溫到1 350 ℃保持5 min，以均勻成分和溫度，促進析出物的溶解，然后以3 ℃/s的冷卻速度降至各試驗溫度。每個試驗溫度保溫2 min，然后以0.001/s的應變速率進行拉伸。試樣拉斷后，立即對拉斷部位大量噴水冷卻。試驗溫度點：600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、775 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃。

1.3 高溫力學性能結果分析

1.3.1 斷面收縮率和抗拉強度變化曲線

由圖1可知，20CrMnTiH鋼塑性整體較好，R.A.最低值也達到50%以上。若以低于60%作為脆性的判斷依據，試驗鋼20CrMnTiH的第Ⅲ脆性溫度區為600 ℃～800 ℃。800 ℃～1 350 ℃試樣具有良好塑性，塑性溫度區間較寬。1 350℃～熔點為鋼的第Ⅰ脆性溫度區。1 400 ℃時試樣的R.A.值已接近于零，據此推斷，20CrMnTiH鋼的零塑性溫度(ZDT)大約在1 400 ℃。

圖1 斷面收縮率隨溫度變化曲線

圖2 抗拉強度隨溫度變化曲線

由圖2可知，隨著溫度的升高，600 ℃～750 ℃抗拉強度由313.45 MPa迅速下降到108.66 MPa，之后隨著試驗溫度的繼續升高，抗拉強度隨溫度升高下降的緩慢，1 400 ℃時，強度值只有11.96 MPa。本實驗測得的零強度溫度(ZST)為1 432 ℃(測兩次取平均值得到的)。

1.3.2 斷口形貌分析

由圖3可知，位于脆性區的600 ℃和750 ℃的試樣斷裂方式分別以穿晶延性斷裂和沿晶斷裂為主，而600 ℃時的斷口可看到大量微小韌窩和孔洞，并可明顯看到變形的跡象，750 ℃時韌窩很少，大部分都是沿晶界斷裂的，因此600 ℃比750 ℃時試樣的R.A.值大、塑性好。造成上述原因是由于750 ℃時產生的先共析鐵素體以網膜形式存在于晶界，由于α相的強度約為γ相強度的1/4，在熱拉伸的過程中在α相網膜上產生應力集中，導致試樣很快沿晶界斷裂。而600 ℃時的先共析鐵素體網膜已經消失，鐵素體變的非常粗大，并且向晶內生長，鐵素體網膜的應力集中已不存在。

(a) 600 ℃

(b) 750 ℃

圖3 第Ⅲ脆性溫度區試樣的斷口形貌

由圖4可知，850 ℃和900 ℃時斷口存在大量韌窩，并且斷口周圍可明顯看到拉伸過程中試樣的徑向收縮變形，因此試樣表現出良好的塑性。

(a) 850 ℃

(b) 900 ℃

圖4 塑性良好時試樣的斷口形貌

2 連鑄坯的高溫熱膨脹性能

2.1 實驗目的

鋼的熱膨脹特性是指其在加熱或冷卻過程的由于晶格尺寸的變化所表現出的膨脹或收縮特性，是鋼的重要的熱物理性能之一。熱膨脹特性對凝固和冷卻過程的形狀和尺寸有很大影響，也是鑄坯產生應力、變形和熱裂紋的基本原因。認識和掌握相關鋼種的熱膨脹特性是合理設計連鑄工藝或開展連鑄過程熱應力應變分析的基礎[3]。

2.2 實驗方案

為了揭示加熱和冷卻過程中由于動力學差異對熱膨脹特性產生的可能影響，本實驗不僅按標準方法對加熱過程進行了測試，還對隨后的冷卻過程進行了相應測試。實驗方案見表2，其中保護氣體選用氬氣。

表2 實驗方案

2.3 實驗結果分析

全程熱膨脹率及瞬時熱膨脹系數關系如圖5和圖6所示：

圖5 升溫過程瞬時熱膨脹系數、熱應變與溫度之間的關系

圖6 降溫過程瞬時熱膨脹系數、熱應變與溫度之間的關系

從圖5和圖6上可以看出，無論是在升溫過程還是在降溫過程，鋼的瞬時熱膨脹系數的變化可以分為三個階段。以降溫過程為例，整個溫度區間根據瞬時熱膨脹系數的數值變化可分為：從1 150 ℃到先奧氏體開始分解溫度之間純奧氏體相溫度區間，該區間瞬時熱膨脹系數隨溫度降低而減小；二是從奧氏體分解溫度到共析轉變結束溫度(連鑄過程冷卻速度為每分鐘幾攝氏度，共析轉變結束溫度也就是珠光體轉變結束溫度)結束之間的溫度區間，該區間內發生瞬時熱膨脹系數出現負值，即發生共析膨脹；三是從珠光體轉變結束開始到常溫的溫度區間，該區間內瞬時熱膨脹系數隨溫度降低而減小。升溫過程與降溫過程類似。此外，從橫坐標上可以看出，奧氏體瞬時熱膨脹系數要大于先共析鐵素體/滲碳體+珠光體的瞬時熱膨脹系數。由于動力學差異，升溫過程與降溫過程瞬時熱膨脹系數的凹槽存在一定差異。

3 結論

(1)20CrMnTiH連鑄坯良好塑性區溫度范圍為1 350 ℃～800 ℃，塑性溫度區較寬；第Ⅲ脆性區溫度范圍為800 ℃～600 ℃，脆性溫度區較窄；20CrMnTiH齒輪鋼連鑄坯的零強度溫度(ZST)為1 432 ℃，零塑性溫度(ZDT)大約在1 400 ℃。連鑄坯矯直溫度應避開低溫脆性區，20CrMnTiH鋼的矯直溫度應控制在800 ℃以上，這樣可以減輕和防止裂紋的產生。

(2)總體上來說鋼的瞬時熱膨脹系數隨溫度升高而增加，但在共析轉變溫度區間內存在共析膨脹，并達到最大值，鋼的瞬時熱膨脹系數呈現負值。共析轉變結束溫度以下至室溫的溫度區間內，先共析鐵素體/滲碳體+珠光體組織的瞬時熱膨脹系數在0.000 014～0.000 018之間，且含碳量對鋼的熱膨脹影響很小；從1 150 ℃到共析轉變開始溫度之間的溫度區間內，奧氏體的瞬時熱膨脹系數在0.000 021～0.000 024之間，且熱膨脹隨含碳量的增加而增大。

[1] 梁志鋒，毛衛民，張宏. 提高連鑄鋼水質量的措施[J].山西冶金,2007,108(4):45-47.

[2] 張晨，岳爾斌，仇圣桃.鋼的高溫力學性能及其影響因素分析[J].連鑄,2008,5(6):8-12.

[3] 操龍飛，徐光，鄧鵬等.鋼的熱膨脹特性研究[J].北京科技大學學報,2014,36(5):639-943.

EXPERIMENTAL RESEARCH AND APPLICATION OF HIGH TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF GEAR STEEL CONTINUOUS CAST SLAB

Fan Liming Pei Jianhua

(Shandong Iron and Steel Group Corporation)

The mechanical properties and high temperature thermal expansion properties of 20CrMnTiH steel billets were studied. The influence of the two high temperature characteristics on the shape and size of the cast slab during solidification and cooling was analyzed. Deformation and thermal cracking of the reasons for continuous casting equipment and process design to provide a scientific basis to ensure the quality of gear steel products.

Gear steel Continuous casting billet High temperature property Solidification

明，工程師，山東.萊蕪(271101),山東鋼鐵集團有限公司山鋼營銷總公司；

2017-1-15