20CrMnTi齒輪鋼中氮含量對硫化物夾雜的影響

齒輪鋼在很多材料領域中廣泛使用，隨著中國車輛機械工業的快速發展，齒輪鋼的市場需求量越來越多，其中20CrMnti是齒輪用鋼的主導品種。齒輪鋼擁有較高的強韌性、耐磨性、疲勞強度。當鋼中有較多MnS夾雜物時，MnS夾雜作為應力集中源，割斷了基體的連續性而使切削易斷，以及具有潤滑作用降低刀具磨損，并且硫化物夾雜能包裹Al2O3尖晶石類硬質夾雜物而減少刀具磨損。從而改善了鋼材的切削加工性能。為了使齒輪鋼在加工時提高其切削性能，目前國內外將齒輪鋼的硫質量分數控制為0.025%~0.040%。

然而由于鋼坯在熱軋制過程中，鋼坯中的MnS夾雜物會沿著軋制方向伸長，當鋼材中的MnS夾雜物形態呈現為細長條狀分布時，將會降低垂直于軋制方向的延性和韌性，加劇鋼材的各向異性，材料的橫向沖擊斷開為木紋狀斷口，使橫向沖擊韌性值降低。文獻指出當鋼材中硫化物形態為橢圓形均勻分布及極少量條狀時，相比于細長條及少量橢圓形且分布不均勻的切削性能好、橫向沖擊韌高。本文通過對鋼中MnS夾雜進行改性試驗，控制鋼中MnS夾雜物形貌特征，以改善鋼材中硫化物的尺寸大小。

1 、20CrMnTi鋼硫化物控制現狀

鋼廠生產的20CrMnTi齒輪鋼硫質量分數控制位0.025%~0.035%，主要化學成分見表1。

冶煉20CrMnTi時采用“90t轉爐吹煉LF精煉RH真空處理150mm×150mm方坯連鑄"流程，原工藝條件下，軋材金相高倍下硫化物夾雜形貌分布如圖1所示，硫化物夾雜成分均為MnS，此鋼的A類硫化物均為細長條形，夾雜物按照國家標準GB/T 10561評定達到3.0~3.5級。

為了控制MnS夾雜物的長寬比，使其形態為紡錘狀，且均勻分布，諸多鋼廠采用鋼水鈣處理獲得有核心的(Mn，Ca)S球形或紡錘狀復合夾雜物，也有通過加入稀土對MnS夾雜進行變性處理，形成高硬度不易變形的稀土硫化物或稀土硫氧化物改善MnS形態。但從目前的工藝技術研究和運用上看，對于含0.025%~0.035%硫和0.020%左右鋁的20 CrMnTi鋼，采用鈣處理對硫化物夾雜進行變性時，鋼水中的氧化鋁夾雜很難變性為12(CaO)·7(Al2O3)，工藝一旦掌握不好，不但不能使氧化物和硫化物夾雜很好地變性，反而容易造成連鑄浸入式水口結瘤。

鋼廠針對含硫含鋁鋼可澆性進行了相關的工藝優化，通過抑制CaS生成，使鋼中氧化物夾雜物仍以鈣鋁酸鹽為主，可顯著改善鋼水可澆性，但該工藝對鋼中硫化物夾雜形貌的控制方面沒有改善作用。對于含鈦鋼種，吳樹漂等認為，冶煉過程中控制好TiN的形狀或使其變性，可以消除其對疲勞壽命的影響。該鋼廠現有工藝條件下生產的20 CrMnTi鋼中含有0.04%~0.08%的鈦、0.0030%~0.0040%的氮。本文利用鋼水凝固過程中TiN和MnS的結合變性思路進行工藝的優化試驗，實現既可控制TiN又可改變硫化物夾雜的形態、尺寸及組成。

2、 TiN和MnS析出熱力學計算

鋼液在連鑄澆鑄過程中，隨著溫度的降低，Ti和N的溶解度逐漸降低，當其溶度積超過平衡溶度積時，TiN即析出。MnS亦然。

按照表1的20 CrMnTi鋼的化學成分，計算得到液相線和固相線溫度分別為1508和1445℃。由熱力學計算分析可以得到，20CrMnTi鋼中的TiN和MnS均在固液兩相區析出。具備了TiN與MnS在相鄰的凝固溫度下先后析出。

原工藝條件下，硫化物析出的附近存在片狀氮化鈦，之所以TiN和MnS平行析出而沒有以TiN為核心的MnS，主要是因為兩者的析出溫度接近。從圖3和圖4的比對可發現，通過增加鋼中氮含量可以使TiN在更高的溫度下析出，優先與MnS析出，從而使更多的MnS夾雜能以TiN為形核核心，使A類夾雜物改性從而改善其形態。

3、鋼中不同氮含量對硫化物影響的試驗研究

基于熱力學理論計算結果，進行工業試驗，分析研究20 CrMnTi鋼中含有不同氮含量下，最終軋材A類硫化物夾雜的形貌、組元變化情況。

3.1試驗方案

20CrMnTi鋼在原冶煉生產工藝不變的條件下，使用不影響鋼水潔凈度的RH真空處理過程增氮技術，鋼水在RH處理過程中使用氮氣作為提升氣體，并保持不同的時間達到鋼水增氮，使鋼中的氮質量分數由原工藝0.0035%左右分別增加到0.0055%左右和0.0075%左右，然后通過相同的軋鋼工藝、壓縮比進行軋制。

試驗方案見表3，試驗得到氮質量分數分別為0.0035%、0.0057%和0.0073%的鋼坯，對3種氮含量的鋼坯進行軋制，并對軋材進行金相檢驗和夾雜物的 SEM-EDS分析。

3.2試驗結果

3種氮含量的軋材按照GB/T10561-2005進行非金屬夾雜物評級，檢驗評級結果見表4?？梢钥闯?，鋼中氮質量分數不低于0.0050%后，A類夾雜物有明顯改善，尤其是鋼中氮質量分數為0.0053%時，相比氮質量分數為0.0035%的非金屬夾雜A類由細系3.5級降低到1.0級。

圖5所示為不同氮含量鋼軋材中非金屬A類夾雜的形貌、分布，與鋼中氮質量分數為0.0035%的相比(圖1)，鋼中氮含量高后，A類夾雜物變的短小、均勻分散。而氮質量分數為0.0073%的鋼中長條狀硫化物要多一些，且出現了大顆粒的TiN。如圖3中的點“4"，鋼中氮含量過高，TiN在兩相區過早析出，而過早析出的TiN存在聚集長大的條件。

在實際的生產試驗中，鋼中氮質量分數達到0.0073%后，鋼中析出的TiN尺寸最大達到16m，如圖5(b)所示，而要使TiN作為形核核心，其顆粒必須細小、彌散，氮質量分數為0.0057%的鋼中沒有出現單獨的大尺寸的TiN，其A類夾雜物控制最好，這一結果與理論分析的結果相符合。

3.2.1 A類夾雜數量和尺寸變化

利用掃描電鏡對鋼中A類夾雜物進行自動統計分析，3種氮含量鋼中單位面積A類夾雜物尺數量統計結果如圖6所示。

A類夾雜物的總數量上變化不大，w([N])>0.0040%的鋼中每平方毫米小于10m的A類夾雜物數量相比w([N])0.0035%的鋼增加19%，10~30μm的增加10%。w ([N])=0.0035%的鋼中30~50m的A類夾雜物數量只有29個/mm2，而w ([N])=0.0057%鋼中30~50m的A類夾雜物數量最多(67個mm2)，同比增加了22%?？梢?，鋼中氮含量增加后A類夾雜物長條狀的變少，短狀變多。

含0.0057%氮的鋼中不大于50μm的A類夾雜物單位面積數量占比達89%，要比含0.0073%氮的鋼多22%，含0.0057%氮的鋼基本沒有大于100μm的A類夾雜物，而含0.0073%氮的鋼有占比8.8%的A類夾雜物大于100μm?？梢婁撝械窟^高后，對鋼中硫化物的改性效果減弱。

3.2.2 A類夾雜物組成變化

對含質量分數為0.0057%的軋材中A類夾雜物進行 SEM-EDS分析，圖7所示為A類夾雜物形貌及面掃結果，圖8所示為A類夾雜物的能譜分析結果?？梢钥闯?，氮質量分數為0.0057%的鋼A類夾雜物相比于氮質量分數為0.0035%鋼的純MnS夾雜物，多數夾雜物為Mn、S、Ti、N的復合夾雜物，以及芯部為TiN周圍包裹著MnS的夾雜。

從對20 CrMnTi鋼不同氮含量下A類夾雜物的分析結果看，通過適當提高鋼中的氮含量，有利于使鋼中TiN優先于MnS析出，為MnS夾雜物提供了形核核心，進而使硫化物變性為含Ti和N的復合夾雜。達到了對硫化物夾雜物的氮化鈦改性，最終使軋材中的硫化物夾雜呈小型態。

3.3鋼的低倍及性能變化

為確認鋼中氮含量增加后鋼材性能的影響，對氮質量分數為0.0035%和0.0057%的鑄壞同時軋制成∮0mm熱軋材進行力學性能、末端淬透性及低倍組織等比對材進行比對分析，檢驗比對結果見表5和表6。

可以看出，鋼中適量增加氮含量后鋼材的性能略有改變，方案一比原工藝的軋材屈服和抗拉盛度降低50MPa左右，U型沖擊吸收功相提高了5-10J，硬度降低2HBW左右。通過提高鋼中氮含量改善A類夾雜，有利于提高鋼材的沖擊韌性。

4結論

(1)20CrMnti鋼中的TiN、MnS夾雜不會在液相線溫度以上析出，而是在液相線和固相線之間開始析出。通過增加鋼中氮含量可以使TiN在更高的溫度下析出，優先于MnS析出。

(2)鋼中氮質量分數由0.0035%增加到0.0050%~0.0080%可明顯改善非金屬夾雜A類細系等級，尤其氮質量分數控制為0.0055%左右，A類細系由原來的3.5級降低到1.0級。

(3)鋼中氮質量分數由0.0057%增加到0.0073%，鋼中TiN在兩相區過早的析出、長大，析出的TiN顆粒尺寸最大達到16m，不利于MnS夾雜物的形核析出，A類夾雜形貌改善不明顯。

(4)鋼中氮質量分數增加到0.0055%左右，小于10m的A類夾雜物數量相比增加19%，10~30m的增加10%，30~50m的增加22%，A類夾雜物長條狀的變少，變得短小、均勻分散，A類夾雜物改性為Mn、S、Ti、N的復合夾雜物，以及芯部TiN、周圍包裹著MnS的復合夾雜。

印傳磊（江蘇沙鋼），鋼中氮含量對含硫齒輪鋼硫化物影響的試驗