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hot news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