锥齿轮用钢22CrMoH2的开发生产

王 超，孙永昌，海 燕

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光262711）

1 前言

长期以来，我国齿轮钢沿用原苏联的20CrMnTi材质，这种材质由于成本低、加工工艺成熟稳定等优势，一直在齿轮钢市场中占有较大的份额。但随着齿轮行业不断发展，对齿轮的要求也日益提高，如要求疲劳寿命高、热处理变形量小、强度高等，因此近年来Cr-Mo、Cr-Ni-Mo、Mn-B及Cr-Mn-Mo系列齿轮钢用量日益增加［1-2］。国内某知名齿轮钢生产厂加工制作主/从动锥齿轮用于重型汽车，要求材料淬透性高且淬透带窄、锥齿轮在热处理过程中变形量小（周向变形量≯0.1 mm）、疲劳寿命长等。为此，寿光巨能特钢对材料的化学成分进行优化调整，同时对冶炼、轧钢过程的相关工序进行了工艺优化，开发生产了锥齿轮用22CrMoH2钢。产品经用户验证，满足协议要求及使用要求。

2 产品设计及工艺流程

结合技术协议中的技术条款以及了解到的最终汽车厂家对齿轮的要求，该钢种的生产难点是齿轮经高温渗碳淬火后的变形量小以及加工制作成锥齿轮后的疲劳寿命长，为此，生产设计时对上述两方面的要求进行综合考虑及重点控制。

2.1 改善齿轮热处理变形的工艺设计

研究发现，细晶粒钢具有较小的变形趋向，细晶结构中，晶粒与晶粒间的联系紧密，晶界能加大，若发生热处理变形，产生晶粒滑移所受到的阻力加大。所以细晶结构钢种的热处理变形较小［3］。如何保证钢材在930℃的渗碳温度下，具有细的晶粒度是影响钢材变形量的关键因素之一。AlN在930℃的渗碳温度下溶解度较高，但高温长时间渗碳会导致奥氏体晶粒的粗化，仅靠AlN无法保证高温渗碳时的奥氏体晶粒度不长大。微合金元素Nb是强碳氮化物形成元素，形成的碳氮化物可以“钉扎”晶界，从而阻止晶粒长大，甚至在1 100℃的高温下仍可起到很大的“钉扎”作用［4］，Nb可显著细化钢在930℃时的奥氏体晶粒。根据马莉［3］等人的研究，该钢种当Nb过高（0.08%）时，钢中Nb（C、N）的形核能力减弱，析出相颗粒长大，Nb（C、N）析出相粗大稀少，抑制晶粒长大作用不明显，当Nb含量在0.04%左右时抑制晶粒长大效果最显著。

影响钢材热处理变形的另一个重要因素是钢材锭形偏析，根据丁毅［5］等人的研究，不同连铸坯型产材对汽车用齿轮钢热处理变形的影响不同，当轧材上的锭形偏析区域小且锭形偏析“方框”形状呈正方形时，钢材热处理后的变形均匀且方向一致，而当锭形偏析区域的“方框”不对称时，热处理时将会产生不均匀变形。为此，需要减轻连铸坯的锭形偏析级别以及保持“方框形状”的对称。本次热轧圆钢生产选用600连铸圆坯，一是因为圆坯在连铸过程中更有利于均匀冷却，从而使铸坯上的锭形偏析区域具有相对规则的几何形状，同时为了尽可能减轻锭形偏析级别。另外根据许伟阳［6］等人的研究，结晶器电磁搅拌强度对白亮带（偏析）的位置具有重要的影响，电磁搅拌强度越大，白亮带外移，导致锭形偏析区域越大，但是一味的降低结晶器内电磁搅拌强度，会使铸坯中间碳偏析增大［7］。因此结晶器电磁搅拌参数设置为150 A/2 Hz。二是因为此坯型产材压缩比大，可以减轻一般疏松及中心疏松程度，减少因钢材致密度不同造成的热处理变形［5］。

2.2 改善齿轮疲劳寿命的工艺设计

影响齿轮钢疲劳寿命的因素很多，例如：齿轮表面及心部的晶粒尺寸、齿轮表面的残余应力、金相组织、钢材的纯净度等，其中影响最大的是渗碳层晶粒尺寸及大型夹杂物，疲劳破坏主要发生在钢中粗大的非金属夹杂物或组织缺陷处。

钢中加入0.04%的Nb元素，与钢中的C反应生成Nb（C、N），在较高的温度下仍可起到对奥氏体晶界的钉扎作用，阻碍晶界的移动，起到细化奥氏体晶粒的作用。而有关文献提出［3］，当Nb与Ti混合使用时，细化奥氏体晶粒的效果更显著，但是考虑到Ti的使用量不易控制，Ti过量时在钢中形成粗大的TiN夹杂，会成为疲劳裂纹源。因此在化学成分设计时，严格控制钢中Ti的含量。

Mo在渗碳钢中能提高零件渗碳层和心部的淬透性，有利于硬化层质量的稳定，能够抑制渗碳层表面氧化，提高渗碳层的冲击断裂应力和过载加疲劳下的抗力，此外，Mo能够使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，使得钢在高温下长时间渗碳时晶粒不易长大，Mo还可以改善钢中碳化物的形态，提高其弯曲疲劳强度和耐磨性［8］。实验证明，Mo的碳化物在渗碳过程中以点状析出，并在渗碳过程中发展成球状和椭球状，而Cr的碳化物及渗碳体容易以针状、网状析出。为此成分设计时，Mo按中上限、Cr按中下限进行控制。22CrMoH2钢具体成分设计见表1。

表1 22CrMoH2钢成分协议及内控要求

钢材的纯净度对齿轮疲劳寿命具有重大的影响，日本神户制钢开展的高纯净（全氧含量均值8×10-6）和超纯净（全氧含量均值4.5×10-6）轴承钢滚动疲劳试验发现，随洁净度的提高疲劳寿命从107提高到108，L10平均值提高4.2倍。为研究不同夹杂物形态对疲劳性能的影响，山阳钢厂对不同S含量的轴承钢进行疲劳寿命对比试验，结果表明各种夹杂物对疲劳寿命的影响：氧化物＞硫化物＞Ti夹杂［9］。因此需严格控制钢中非金属夹杂物，尽可能减少钢中T.O、S及Ti的含量。

最大夹杂物尺寸对钢材疲劳性能影响显著，钢中的T.O含量只代表钢中小颗粒非金属夹杂物的总量，并不能够保证钢中没有大型的非金属夹杂物，因为大型夹杂物往往随机出现［10］，而钢中大型夹杂物的来源有：1）变性及卷渣夹杂是大型氧化物夹杂的主要来源；2）精炼脱硫是钢中大型硫化物类夹杂的主要来源［10］。为此在工艺设计时要求严控供应炼钢厂铁水中的P、S含量，减轻精炼脱硫压力，转炉出钢时高拉碳，减轻精炼脱氧压力，减少相关夹杂物的产生。为了减少卷渣夹杂的产生，采取以下3项措施：1）全程控制好软吹强度,促进夹杂物聚合上浮；2）保持中包液面稳定，防止中包渣卷入钢水；3）保持结晶器液面稳定，防止结晶器保护渣卷入钢液。

2.3 工艺技术措施

1）精炼时严控过热度，保证过热度控制在20～28℃，加强真空脱气，真空度＜100 Pa保持时间＞15 min；2）连铸时适当提高过冷度，通过增加二冷比水量和降低拉速来减轻易偏析元素在等轴晶晶粒转变处的富集；3）选用优质耐火材料，减少耐材侵蚀掉落而导致的外来夹杂物；4）轧制过程通过增加高温扩散时间，增大初道次压下量，使锭型偏析向钢材内部转移，达到减轻钢材锭型偏析级别甚至是消除锭型偏析的目的。

工艺流程：80%高炉铁水热装→80 t顶底复吹转炉→70 t LF炉外精炼→VD真空脱气→R17 m三机三流连铸机连铸生产Φ600 mm连铸坯→热送（冷送）→双蓄热步进梁式加热炉→高压水除鳞→Φ1350二辊可逆开坯机→Φ950精轧机产120圆钢材→热锯锯切→冷床收集→入坑缓冷→出坑退火→表面检查→内部超探→包装→计量、标识、入库。

3 产品实物质量检测分析

3.1 化学成分及均匀性

对生产的6个炉号的钢材进行化学成分及均匀性检验，每个炉号的钢材从横截面取样后沿直径方向进行多点（1/3半径处×2、1/2半径处×2、2/3半径处×2、中心，共7点），钢材成分均符合内控要求。其中，钢材的氧含量（6.1～8.6）×10-6，氮含量（52～63）×10-6，S含量0.013%～0.015%，Ti含量（35～43）×10-6。同一炉号的C极差为0.02%～0.04%，S极差为0.002%。

3.2 淬透性

经925℃正火+925℃淬火处理后，钢材的淬透性见表2。钢材淬透性满足协议要求。

3.3 钢材低倍组织

钢材低倍组织良好，一般疏松0.5～1.0级，中心疏松1.0～1.5级，锭型偏析0～1.0级。

3.4 奥氏体晶粒度及夹杂物

钢材的奥氏体晶粒细小均匀，晶粒度在7.5～8.5级之间，同时钢材的纯净度较好，尤其是B类、C类夹杂物级别较低，见表3。

表2 钢材的淬透性检验结果 HRC

表3 22CrMoH2钢材夹杂物 级

4 结语

锥齿轮用22CrMoH2钢种试制后共交付用户500 t左右，经加工制作主/从动锥齿轮后，齿轮在热处理时的变形量综合合格率92.55%，材料的疲劳寿命稳定达到用户要求，得到了用户的认可。锥齿轮用22CrMoH2钢种的成功开发，为高端齿轮钢生产积累了经验，为齿轮钢材上档升级以及市场开发奠定了坚实的基础。