通钢生产齿轮钢20CrMnTiH产品研制与开发

秦绪华 张秀华

摘 要：介绍20CrMnTiH产品生产工艺及产品性能，研究控制工艺要点和性能影响因素，并探讨开发中出现问题的改进措施。

关键词：20CrMnTiH齿轮钢；生产工艺；技术难点

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

0 前言

20CrMnTiH齒轮钢是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的芯部，并具有较高的低温冲击韧性，正火后可切削性良好。用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载荷、耐冲击及摩擦的重要零件，是18CrMnTi的代用钢，可以制作如齿轮、齿圈、齿轮轴、滑动轴承的主轴、十字头、爪形离合器、蜗杆等零件。

通钢20CrMnTiH生产线全套设备大部分为首钢拆迁设备，新增2台冷锯、一套精整修磨线、3台退火炉。主要产品规格为Φ14mm～Φ80mm的热轧直条圆钢及Φ14mm～Φ50mm的盘圆。

1 20CrMnTiH产品技术要求

详见表1至表4。

2 20CrMnTiH产品的研制开发

2.1 20CrMnTiH产品的开发难点

（1）20CrMnTiH钢对温度非常敏感，经常有弯钢现象出现，轧制中温度控制要求精确，且不同规格需要不同的温度控制；

（2）20CrMnTiH钢对带状组织要求严格。严重的带状组织将影响渗碳的均匀性，增加淬火变形程度，使渗碳齿轮尺寸精度差，因此，齿轮钢的带状组织要求不大于3级；

（3）对加热炉加热温度及加热时间有较高的要求，需要精准的控制终轧温度。

2.2 20CrMnTiH坯料准备

坯料来自第二炼轧厂70tConsteel电炉生产。

2.3 开发工艺

2.3.1 轧制温度的制定

（1）工艺因素的影响。1）开轧温度、终轧温度以及轧制后冷却速度对产品表面质量、尺寸精度、淬透性以及带状组织等都有影响，而带状组织的存在使20CrMnTiH齿轮钢的组织不均匀，对钢材的塑性、冲击韧性和断面收缩率等性能造成影响。2）20CrMnTiH齿轮钢在凝固过程中产生直径偏析，轧制时的变形使枝晶偏析拉长，并沿着轧制方向产生互相平行的碳与合金元素的贫化带和富化带。热轧工艺的变化对奥氏体、铁素体晶粒及γ-а相变都会产生重要影响，而这些因素直接会引起带状组织的变化。3）20CrMnTiH钢对温度敏感性较大，温度不均匀，成品出现明显弯曲。

（2）温度控制及注意事项。具体温度控制见表5和表6。

注意事项：

1）轧制初期单支出钢，待剪切温度稳定后按通知编组支数编组出钢。编组出钢支数规定为：Φ25mm以下（包含Φ25mm）按1支/组进行编组轧制，Φ25mm以上按2支/组进行编组轧制。

2）轧前及轧制过程取样进行酸洗检查，排除划伤、折叠等缺陷，发现问题及时解决。

3）生产厂安排专人监控、记录温度、速度，发生不符合及时报告、调整。

（3）试轧结果。1）由温度检测可知，温度控制符合工艺要求，出现的小范围波动为轧件表面存在氧化铁皮，工艺分析时予以剔除。2）炉温的影响：首先上下温差大造成钢坯表面温度不均在轧制过程中不能弥补，使成品材在冷剪后出现弯曲，其次加热温度过低导致不能消除或减轻原始带状组织，直接影响终轧温度。3）终轧温度的影响：终轧温度主要影响20CrMnTiH的带状组织，对组织的转变和晶粒度等都起着极其重要作用。热塑性变形使奥氏体的自由能和热力学不稳定性因晶格畸变而升高，同时增大奥氏体向该条件下更稳定相分解的趋势。对于亚共析钢，低于Ar3点以下，析出相是铁素体，热变形的作用会使奥氏体分解的临界点提高，塑性变形对奥氏体固溶行为的作用可与冷却的影响相比。由于奥氏体固溶体过饱和的结果，在温度降至Ar3与Ar1之间时，冷却导致奥氏体分解成铁素体，与冷却不同的是变形促使固溶到奥氏体中的原子扩散移动增加，即加速了奥氏体的分解。因此，凡是提高奥氏体晶格畸变的轧制参数，都促使奥氏体向铁素体转变的临界点提高，即变形诱导γ-а转变。终轧温度无疑对亚共析钢γ-а的开始转变温度产生影响。

2.3.2 冷却速度的控制

由于20CrMnTiH钢上冷床温度在900℃左右，钢在冷床上冷却过程中正是相变的过程，而相变过程中对温度是最敏感阶段。如果在此阶段出现冷却不均就会造成组织结构不均，将使成品钢表面严重弯曲。所以在冷却过程中要把握好不同规格20CrMnTiH钢相变时所在冷床的不同位置，根据位置不同来采取不同的冷却方式。

冷却速度也影响20CrMnTiH钢的带状组织。轧后控制冷却速率大于临界冷却速率时，抑制碳和其他元素的扩散，可降低带状组织等级。

3 20CrMnTiH成品性能检测结果

通钢精棒线本次试轧20CrMnTiH钢9个规格，生产轧材930吨。

20CrMnTiH成品性能实际检测结果如表7、8、9（以整个批次平均性能计算）。

化学成分检验21炉，42个样本，同炉化学成分较均匀稳定。

机械性能全部在标准要求范围内，但整体硬度偏高。

4 结语

本次生产20CrMnTiH钢均为精棒线第一次开发生产，主要问题是冷剪后钢材表面弯曲。生产工艺做了以下调整：

（1）根据成品规格的变化采取在冷床不同位置进行停留冷却，达到一定温度后步进剪切，同时控制剪切温度。

（2）轧制过程中控制轧机、活套、过渡辊道的冷却水，减少轧制过程中因冷却水导致轧件表面温度不均。

（3） 控制加热炉炉温的上下温差，保证钢坯上下表面受热均匀。