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產品：圓鋼、板子

汽車用齒輪鋼要求具有穩定的化學成分、較高的純淨度、窄的末端淬透性帶、細晶粒、良好的力學性能等。繼成功開發出20CrMnTi齒輪鋼之後，武鋼於2007年1月開始採用120 t轉爐連鑄工藝試製生產20CrMnTi鋼，經過兩年的努力，武鋼條材總廠已形成批量生產轉爐連鑄20CrMnTi鋼的能力，性能指標達到GB/T3077-1999標準要求，實物性能水平也全面達到國內電爐鋼的先進水平。

1、20CrMnTi齒輪鋼生產工藝

轉爐生產20CrMnTi鋼的工藝流程爲：鐵水脫硫→120 t BOF→LF→CC→200 mm×200 mm方坯。軋鋼工藝流程爲：鋼坯加熱→高壓水除鱗→開坯→粗軋→中軋→精軋→產品檢驗→剪切收集→打捆稱重→入庫堆垛。

1.1 20CrMnTi轉爐冶煉

轉爐入爐鐵水條件要求[S]≤0.015%，採用高拉碳工藝，防止鋼水過氧化，終點出鋼C大於0.08%，冶煉末期底吹攪拌，促進鋼、渣平衡。嚴格控制轉爐下渣，採用擋渣出鋼，鋼包渣層厚度要求控制在50 mm以下。採用爐外合金化，控制[C]在0.15～0.20%（含合金帶入的碳），Mn、Si、Cr含量在標準中下限；出鋼過程保持連續吹氬，按噸鋼0.8 kg隨鋼流加入鋁塊脫氧，每爐鋼加入石灰700 kg、螢石100 kg在鋼包造新渣。

1.2 吹氬工藝

鋼包吹氬技術能有效地均勻鋼水溫度和成分，去除有害氣體和夾雜物，改善鋼液質量，因此被廣泛應用。一般吹氬時間控制在20～30 min。鋼包到站吹氬3 min後，測溫、取樣，爲了更好地脫氧和細化晶粒，根據出鋼碳，採用精煉喂鋁線方式，喂入鋁線150 m左右，再吹氬3 min後起吊至LF爐。

1.3 LF精煉

精煉過程採用鋁沉澱脫氧加渣面擴散脫氧的方式，根據出鋼碳，按噸鋼0.4 kg左右喂鋁線，保證脫氧充分，鋼中Als含量在0.01%～0.03%爲宜。渣系採用CaO-SiO2-Al2O3，鹼度R控制在3.0～4.0（目標），LF精煉渣成分見表1，精煉後期採用Ca處理。適當加入活性石灰、螢石調整熔渣，渣量控制在1.5%～2.0%，渣量適中。按內控及目標成分要求調整化學成分，調好成分後，嚴禁大氬量攪拌使鋼水裸露。在精煉中後期加入鈦鐵或採用喂鈦線工藝以提高鈦的收得率。

鑄坯軋製時，開軋溫度控制在（1050±50）℃，終軋溫度控制在≤950℃，軋後空冷。

2 產品檢驗與分析

2.1 化學成分和氣體含量

對20CrMnTi齒輪鋼化學成分分析，122爐鋼水中的C、Si、Mn、Cr、Ti含量均控制在穩定的較窄範圍內（表3），能夠保證獲得較窄的淬透性帶。另外，鋼種殘餘元素Cu、Ni含量均小於0.08%。

對20CrMnTi圓鋼取氣體樣，通過10爐氮、氧氣體含量檢測分析，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，均穩定在較低的水平。

2.2 組織與熱頂鍛性能

對20CrMnTi連鑄坯進行低倍酸浸檢驗、結果表明，剛纔中心疏鬆、一般疏鬆級別均小於1.0級，一般點狀偏析和邊緣點狀偏析爲0級，完全滿足GB/T3077-1999標準中的要求。

對20CrMnTi齒輪鋼取樣做金相檢驗，均爲鐵素體＋珠光體，組織正常。統計30爐20CrMnTi齒輪鋼晶粒度均在9.5～10.5級。

將20CrMnTi熱軋材按照GB/T233-2000進行熱頂鍛試驗。熱頂鍛試驗合格率達到95%以上，不合格原因一般是由連鑄坯輕微的皮下氣泡、邊角裂紋或軋鋼時劃傷或摺疊缺陷引起的表面開裂。

2.3 力學與衝擊性能

從表4可見，Φ25 mm 20CrMnTi鋼屈服強度、抗拉強度、斷後延伸率、斷面收縮率各項指標均滿足標準要求。

表4 20CrMnTi鋼材力學性能，122爐

2.4 端淬透性

實測規格Φ28 mm 20CrMnTi鋼洛氏硬度值結果見表5，從表5中可以看到，實測硬度值處於GB/T5216-2004中20CrMnTi鋼端淬試驗規定硬度值範圍的中下限；△J9＝5.9 HRC，△J13＝4.3 HRC，滿足汽車用齒輪鋼小於8 HRC帶寬的要求。化學成分的精確控制可保證獲得窄淬透性帶寬的高品質齒輪鋼。

表5 20CrMnTi鋼端淬試驗HRC硬度值

20CrMnTi是亞共析合金結構鋼。C是影響淬透性和淬硬性的最有效元素，隨着C含量提高，J9、J15提高；Mn、Cr能提高珠光體的形核功和轉變激活能，降低珠光體的形核率和長大速度，Mn、Cr及其碳化物溶於奧氏體中，使奧氏體等溫轉變曲線右移，增大過冷奧氏體穩定性，抑制珠光體轉變，提高淬透性；Ti往往和V結合形成高熔點的細小TiC質點存在於鋼中，TiC難溶於奧氏體中，未溶碳化物不但降低奧氏體中有效碳含量，而且淬火時促使奧氏體分解，TiC未溶質點爲珠光體形核提供核心，降低過冷奧氏體穩定性，但是能改善鋼的機械性能；同時，Ti會和N結合形成高熔點（1 900℃）的TiN夾雜存在於鋼中，過多的TiN(TiCN)夾雜會影響鋼的韌性且易導致連鑄水口堵塞，適當的TiN夾雜能起到細化晶粒等作用；Si是強化鐵素體的元素，一定程度上提高淬透性。

3 結論

（1）120 t轉爐-LF-CC-熱軋工藝生產的20CrMnTi齒輪鋼，化學成分穩定，淬透性帶寬HRC值小於8，P、S、殘餘元素和氧、氮含量低，高低倍組織正常；未見縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、翻皮及白點等缺陷。

（2）20CrMnTi軋材低倍組織、顯微組織正常，熱頂鍛性能、力學性能、衝擊性能、淬透性能良好，完全滿足GB/T3077-1999標準及供貨技術協議的要求。