通鋼生產齒輪鋼20CrMnTiH產品研制與開發

秦緒華 張秀華

摘 要：介紹20CrMnTiH產品生產工藝及產品性能，研究控制工藝要點和性能影響因素，并探討開發中出現問題的改進措施。

關鍵詞：20CrMnTiH齒輪鋼；生產工藝；技術難點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.026

0 前言

20CrMnTiH齒輪鋼是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高，經滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的芯部，并具有較高的低溫沖擊韌性，正火后可切削性良好。用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重載荷、耐沖擊及摩擦的重要零件，是18CrMnTi的代用鋼，可以制作如齒輪、齒圈、齒輪軸、滑動軸承的主軸、十字頭、爪形離合器、蝸桿等零件。

通鋼20CrMnTiH生產線全套設備大部分為首鋼拆遷設備，新增2臺冷鋸、一套精整修磨線、3臺退火爐。主要產品規格為Φ14mm～Φ80mm的熱軋直條圓鋼及Φ14mm～Φ50mm的盤圓。

1 20CrMnTiH產品技術要求

詳見表1至表4。

2 20CrMnTiH產品的研制開發

2.1 20CrMnTiH產品的開發難點

（1）20CrMnTiH鋼對溫度非常敏感，經常有彎鋼現象出現，軋制中溫度控制要求精確，且不同規格需要不同的溫度控制；

（2）20CrMnTiH鋼對帶狀組織要求嚴格。嚴重的帶狀組織將影響滲碳的均勻性，增加淬火變形程度，使滲碳齒輪尺寸精度差，因此，齒輪鋼的帶狀組織要求不大于3級；

（3）對加熱爐加熱溫度及加熱時間有較高的要求，需要精準的控制終軋溫度。

2.2 20CrMnTiH坯料準備

坯料來自第二煉軋廠70tConsteel電爐生產。

2.3 開發工藝

2.3.1 軋制溫度的制定

（1）工藝因素的影響。1）開軋溫度、終軋溫度以及軋制后冷卻速度對產品表面質量、尺寸精度、淬透性以及帶狀組織等都有影響，而帶狀組織的存在使20CrMnTiH齒輪鋼的組織不均勻，對鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能造成影響。2）20CrMnTiH齒輪鋼在凝固過程中產生直徑偏析，軋制時的變形使枝晶偏析拉長，并沿著軋制方向產生互相平行的碳與合金元素的貧化帶和富化帶。熱軋工藝的變化對奧氏體、鐵素體晶粒及γ-а相變都會產生重要影響，而這些因素直接會引起帶狀組織的變化。3）20CrMnTiH鋼對溫度敏感性較大，溫度不均勻，成品出現明顯彎曲。

（2）溫度控制及注意事項。具體溫度控制見表5和表6。

注意事項：

1）軋制初期單支出鋼，待剪切溫度穩定后按通知編組支數編組出鋼。編組出鋼支數規定為：Φ25mm以下（包含Φ25mm）按1支/組進行編組軋制，Φ25mm以上按2支/組進行編組軋制。

2）軋前及軋制過程取樣進行酸洗檢查，排除劃傷、折疊等缺陷，發現問題及時解決。

3）生產廠安排專人監控、記錄溫度、速度，發生不符合及時報告、調整。

（3）試軋結果。1）由溫度檢測可知，溫度控制符合工藝要求，出現的小范圍波動為軋件表面存在氧化鐵皮，工藝分析時予以剔除。2）爐溫的影響：首先上下溫差大造成鋼坯表面溫度不均在軋制過程中不能彌補，使成品材在冷剪后出現彎曲，其次加熱溫度過低導致不能消除或減輕原始帶狀組織，直接影響終軋溫度。3）終軋溫度的影響：終軋溫度主要影響20CrMnTiH的帶狀組織，對組織的轉變和晶粒度等都起著極其重要作用。熱塑性變形使奧氏體的自由能和熱力學不穩定性因晶格畸變而升高，同時增大奧氏體向該條件下更穩定相分解的趨勢。對于亞共析鋼，低于Ar3點以下，析出相是鐵素體，熱變形的作用會使奧氏體分解的臨界點提高，塑性變形對奧氏體固溶行為的作用可與冷卻的影響相比。由于奧氏體固溶體過飽和的結果，在溫度降至Ar3與Ar1之間時，冷卻導致奧氏體分解成鐵素體，與冷卻不同的是變形促使固溶到奧氏體中的原子擴散移動增加，即加速了奧氏體的分解。因此，凡是提高奧氏體晶格畸變的軋制參數，都促使奧氏體向鐵素體轉變的臨界點提高，即變形誘導γ-а轉變。終軋溫度無疑對亞共析鋼γ-а的開始轉變溫度產生影響。

2.3.2 冷卻速度的控制

由于20CrMnTiH鋼上冷床溫度在900℃左右，鋼在冷床上冷卻過程中正是相變的過程，而相變過程中對溫度是最敏感階段。如果在此階段出現冷卻不均就會造成組織結構不均，將使成品鋼表面嚴重彎曲。所以在冷卻過程中要把握好不同規格20CrMnTiH鋼相變時所在冷床的不同位置，根據位置不同來采取不同的冷卻方式。

冷卻速度也影響20CrMnTiH鋼的帶狀組織。軋后控制冷卻速率大于臨界冷卻速率時，抑制碳和其他元素的擴散，可降低帶狀組織等級。

3 20CrMnTiH成品性能檢測結果

通鋼精棒線本次試軋20CrMnTiH鋼9個規格，生產軋材930噸。

20CrMnTiH成品性能實際檢測結果如表7、8、9（以整個批次平均性能計算）。

化學成分檢驗21爐，42個樣本，同爐化學成分較均勻穩定。

機械性能全部在標準要求范圍內，但整體硬度偏高。

4 結語

本次生產20CrMnTiH鋼均為精棒線第一次開發生產，主要問題是冷剪后鋼材表面彎曲。生產工藝做了以下調整：

（1）根據成品規格的變化采取在冷床不同位置進行停留冷卻，達到一定溫度后步進剪切，同時控制剪切溫度。

（2）軋制過程中控制軋機、活套、過渡輥道的冷卻水，減少軋制過程中因冷卻水導致軋件表面溫度不均。

（3） 控制加熱爐爐溫的上下溫差，保證鋼坯上下表面受熱均勻。