单位：上海御钢实业有限公司

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产品：圆钢、板子

汽车用齿轮钢要求具有稳定的化学成分、较高的纯净度、窄的末端淬透性带、细晶粒、良好的力学性能等。继成功开发出20CrMnTi齿轮钢之后，武钢于2007年1月开始采用120 t转炉连铸工艺试制生产20CrMnTi钢，经过两年的努力，武钢条材总厂已形成批量生产转炉连铸20CrMnTi钢的能力，性能指标达到GB/T3077-1999标准要求，实物性能水平也全面达到国内电炉钢的先进水平。

1、20CrMnTi齿轮钢生产工艺

转炉生产20CrMnTi钢的工艺流程为：铁水脱硫→120 t BOF→LF→CC→200 mm×200 mm方坯。轧钢工艺流程为：钢坯加热→高压水除鳞→开坯→粗轧→中轧→精轧→产品检验→剪切收集→打捆称重→入库堆垛。

1.1 20CrMnTi转炉冶炼

转炉入炉铁水条件要求[S]≤0.015%，采用高拉碳工艺，防止钢水过氧化，终点出钢C大于0.08%，冶炼末期底吹搅拌，促进钢、渣平衡。严格控制转炉下渣，采用挡渣出钢，钢包渣层厚度要求控制在50 mm以下。采用炉外合金化，控制[C]在0.15～0.20%（含合金带入的碳），Mn、Si、Cr含量在标准中下限；出钢过程保持连续吹氩，按吨钢0.8 kg随钢流加入铝块脱氧，每炉钢加入石灰700 kg、萤石100 kg在钢包造新渣。

1.2 吹氩工艺

钢包吹氩技术能有效地均匀钢水温度和成分，去除有害气体和夹杂物，改善钢液质量，因此被广泛应用。一般吹氩时间控制在20～30 min。钢包到站吹氩3 min后，测温、取样，为了更好地脱氧和细化晶粒，根据出钢碳，采用精炼喂铝线方式，喂入铝线150 m左右，再吹氩3 min后起吊至LF炉。

1.3 LF精炼

精炼过程采用铝沉淀脱氧加渣面扩散脱氧的方式，根据出钢碳，按吨钢0.4 kg左右喂铝线，保证脱氧充分，钢中Als含量在0.01%～0.03%为宜。渣系采用CaO-SiO2-Al2O3，碱度R控制在3.0～4.0（目标），LF精炼渣成分见表1，精炼后期采用Ca处理。适当加入活性石灰、萤石调整熔渣，渣量控制在1.5%～2.0%，渣量适中。按内控及目标成分要求调整化学成分，调好成分后，严禁大氩量搅拌使钢水裸露。在精炼中后期加入钛铁或采用喂钛线工艺以提高钛的收得率。

铸坯轧制时，开轧温度控制在（1050±50）℃，终轧温度控制在≤950℃，轧后空冷。

2 产品检验与分析

2.1 化学成分和气体含量

对20CrMnTi齿轮钢化学成分分析，122炉钢水中的C、Si、Mn、Cr、Ti含量均控制在稳定的较窄范围内（表3），能够保证获得较窄的淬透性带。另外，钢种残余元素Cu、Ni含量均小于0.08%。

对20CrMnTi圆钢取气体样，通过10炉氮、氧气体含量检测分析，其氧含量在13×10-6～24×10-6，平均氧含量在19×10-6，氮含量在30×10-6～50×10-6，均稳定在较低的水平。

2.2 组织与热顶锻性能

对20CrMnTi连铸坯进行低倍酸浸检验、结果表明，刚才中心疏松、一般疏松级别均小于1.0级，一般点状偏析和边缘点状偏析为0级，完全满足GB/T3077-1999标准中的要求。

对20CrMnTi齿轮钢取样做金相检验，均为铁素体＋珠光体，组织正常。统计30炉20CrMnTi齿轮钢晶粒度均在9.5～10.5级。

将20CrMnTi热轧材按照GB/T233-2000进行热顶锻试验。热顶锻试验合格率达到95%以上，不合格原因一般是由连铸坯轻微的皮下气泡、边角裂纹或轧钢时划伤或折叠缺陷引起的表面开裂。

2.3 力学与冲击性能

从表4可见，Φ25 mm 20CrMnTi钢屈服强度、抗拉强度、断后延伸率、断面收缩率各项指标均满足标准要求。

表4 20CrMnTi钢材力学性能，122炉

2.4 端淬透性

实测规格Φ28 mm 20CrMnTi钢洛氏硬度值结果见表5，从表5中可以看到，实测硬度值处于GB/T5216-2004中20CrMnTi钢端淬试验规定硬度值范围的中下限；△J9＝5.9 HRC，△J13＝4.3 HRC，满足汽车用齿轮钢小于8 HRC带宽的要求。化学成分的精确控制可保证获得窄淬透性带宽的高品质齿轮钢。

表5 20CrMnTi钢端淬试验HRC硬度值

20CrMnTi是亚共析合金结构钢。C是影响淬透性和淬硬性的最有效元素，随着C含量提高，J9、J15提高；Mn、Cr能提高珠光体的形核功和转变激活能，降低珠光体的形核率和长大速度，Mn、Cr及其碳化物溶于奥氏体中，使奥氏体等温转变曲线右移，增大过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体转变，提高淬透性；Ti往往和V结合形成高熔点的细小TiC质点存在于钢中，TiC难溶于奥氏体中，未溶碳化物不但降低奥氏体中有效碳含量，而且淬火时促使奥氏体分解，TiC未溶质点为珠光体形核提供核心，降低过冷奥氏体稳定性，但是能改善钢的机械性能；同时，Ti会和N结合形成高熔点（1 900℃）的TiN夹杂存在于钢中，过多的TiN(TiCN)夹杂会影响钢的韧性且易导致连铸水口堵塞，适当的TiN夹杂能起到细化晶粒等作用；Si是强化铁素体的元素，一定程度上提高淬透性。

3 结论

（1）120 t转炉-LF-CC-热轧工艺生产的20CrMnTi齿轮钢，化学成分稳定，淬透性带宽HRC值小于8，P、S、残余元素和氧、氮含量低，高低倍组织正常；未见缩孔、裂纹、气泡、夹杂、翻皮及白点等缺陷。

（2）20CrMnTi轧材低倍组织、显微组织正常，热顶锻性能、力学性能、冲击性能、淬透性能良好，完全满足GB/T3077-1999标准及供货技术协议的要求。