20CrMoH

维普资讯 http://www.cqvip.com ・４２・　《特钢技术》　２００２年第ｌ期　２０ＣｒＭｏＨ齿轮钢淬透性和机械性能的研究与探讨　易　健王祥　川Ｉ投长城特殊钢股份有限公司第一钢厂　摘要利用逐步回归分析方法得出化学成分对２０ＣｒＭｏＨ齿轮钢淬透・Ｉ￣（Ｊ１．５，Ｊ１１）影响的回归方程，并对其　寻优和验证。　关键词　回归分析齿轮钢淬透性寻优验证　关于钢的淬透性的问题，近半个世纪以来，　定于下列三个因素：即钢的性质、钢件的截面尺　人们进行了大量的研究开发工作，随着钢材生　寸，淬火介质的冷却能力。而钢的淬火硬化本　产和机械制造技术的迅速发展，钢的淬透性及　质是通过淬火获得高硬度的马氏体。保证获得　其应用技术也随之得到长足的进步。我国近年　马氏体的关键是加热形成奥氏体后过冷，冷却　来，为适应市场竞争需要，机械制造业对钢的淬　到马氏体开始转变温度Ｍｓ以前。同时还能够　透性技术（如端淬法）的重现问题，促使我国开　抑制向珠光体和贝氏体转变。如图ｌ—ｌ所示：　展了一系列由钢材生产厂家和用户或钢材生产　厂家与大专院校等参与的多种形式的联合试验　研究。但是相对来说，在我厂，对淬透性的基础　研究和基本数据的积累，都比较薄弱，而关于淬　透性技术的生产应用则更是处于初级阶段，研　究淬透性大多属于定性研究。可以说，淬透性　技术的开发和应用已成为我厂当前生产工艺领　域中一个“瓶颈”环节。　却建皮ｃ，ｅ／ｓ）．　１９９８年，重庆某公司按Ｃ１Ｊ４４—９８协议在　冈ｌ　钢结晶体的转变曲线　我厂订购了ｌ５．０ｔ　２０ＣｒＭｏＨ，除一般要求外，还　提出淬透性Ｊ（４２～４８）／１、５＋Ｊ（３０～３６）／ｌｌ，　当淬火冷却速度为ＶＩ、Ｖ２时，则过冷奥氏　（后又放宽为Ｊ（４２～４８）／１．５＋Ｊ（２８～３６）／１　ｌ、　体能够到达Ｍｓ而转变成马氏体，如果淬火冷　带状≤２．０等特殊要求。１９９９年，又有用户对　速小于ｖ２和ｖ３时，则过冷奥氏体在到达Ｍｓ　我厂生产的齿轮钢提出经过实验按常规工艺生　以前即产生珠光体。保证过冷奥氏体不产生珠　产，生产的齿轮钢达不到上述要求。考虑到生　光体、贝氏体的转变的最小冷却速度ｖ２（即临　产中的迫切需要，我们对齿轮钢中的２０ＣｒＭｏ　界冷却速度）的大小则与钢的转变曲线在温度　的淬透性开展了系列研究工作。　——时间坐标图中的位置有关。如果钢的转变　ｌ　理论分析　’　曲线靠右，则临界冷速较小，即通过缓慢的冷却　方式即可使过冷奥氏体向马氏体转变。反之，　有资料表明［１］：淬火钢材淬硬层的深度决　转变曲线靠左，则Ｖｃ较大，必须在较激烈的冷　联系人：易健主任工程师四川江油（６２１７０１）　四川川投长城特殊钢股份有限公司第一钢厂技术中心电话：（Ｏ８Ｉ６）３６４８３３６　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第１期　《特钢技术》　・４３・　却条件下，过冷奥氏体才能在冷却过程中躲过　要有三种即：①通过调整钢中的主要化学成份　最小稳定区，即转变曲线的“鼻子”而转变成马　来达到调质钢的淬透性目的。②在钢中加微　氏体。由此可见，钢的过冷奥氏体能够在高温　量元素来达到调整钢的淬透性的目的。③采　区不产生珠光体、贝氏体转变而直接到达低温　用超淬透性技术（２】。由于方法③对设备、技术　淬火区淬火成马氏体。归根到底，是基于晶粒　要求较高，包括我厂在内国内绝大多数厂家目　在成核、长大构成的扩散型转变过程中存在一　前不具有按此种方法生产的能力，故我们暂只　个孕育期。显而易见，最小稳定区的孕育期越　考虑前两种方法。　长，钢的淬透性越高，反之，孕育期越短，则临界　如前所述，我厂对淬透性的基础技术研究　冷速越大，钢的淬透性越低，所以，钢的淬透性　和基本数据的积累都比较薄弱，为此决定由我　决定于钢的过冷奥氏体转变动力学特征。而钢　厂技术组负责组织攻关小组，并将攻关分两步　的冷却转变动力学特征主要决定于其过冷奥氏　走：（１）统计、分析、记录我厂生产的２０ＣｒＭｏ化　体的化学成份和组织状态，当然，过冷奥氏体承　学成份、冶炼工艺参数和加工工艺参数，并与国　受的应力状态和形变对钢的冷却，转变动力学　内外先进生产厂家对比分析。（２）根据要求，设　特征有一定的影响，从而钢的淬透性也主要由　计钢种，试制２炉　３炉，进行验证。　其化学成份和加热时获得的奥氏体组织决定。　２．１统计，计录、分析　由于国标或技术协议一般都对试样的淬火　自ｌ９９９年４月ｌ５日至７月ｌ５日，本组对　温度、时间，试样尺寸有较严格的要求，因此，钢　我厂生产的２０ＣｒＭｏ化学成分、淬透性进行了　的淬透性也就主要取决于钢的化学成份。　统计和分析，结果如表ｌ所示。　２研究方案　上述化学成分均指平均化学成分，其中抚　钢、大冶各收集２炉６组测试数据，川投长钢一　现在国际上关于调质钢的淬透性的方法主　厂共收集２５ｌ炉５Ｏ组数据，数据见表２。　表Ｉ化学成份与淬透性检测表（％）　由表２可知，我厂生产的２０Ｃｒ￣ｏ中Ｃｒ、　究Ｃ与ＨＲＣ的关系，我们在经抛光的端淬面上　Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ，分别比抚钢低０．１０５％、０．８５％、０．　测试硬度，并把各试样的ＨＲＣ的平均值作为该　０３％、０．０４６％其余成分大致相当。　试样的ＨＲＣ值，热处理工艺参数为９４５℃＋３Ｏ　经测试，末端淬火后，本钢种淬火试样淬火　分钟＋水，试样测试点位置如图２所示：　端为全马氏体。有资料表明，在全马氏体状态　测试结果如表３所示　下，碳决定钢的最高淬火硬度（全马氏体时的硬　２．２设计　度）（３】，由此可推断出，在马氏体状态下，当其它　２．２．１　回归方程　参数不变时，对于某一钢种而言，其ＨＲＣ应只　根据格罗斯曼、阿西莫假定３　Ｃ　）设　是Ｃ的函数，即Ｊｏ＝ｆ（Ｃ）。经测试，末端淬火　Ｊｏ＝Ｋ　Ｘ　Ｃ　ｄ　后，本钢种淬火试样淬火端为全马氏体。为研　（１）　将表３数据代人式（１），并对Ｋ、ａ、ｄ进行　维普资讯 http://www.cqvip.com ・４４・　《特钢技术》　２００２年第１期　注Ｉ：ｌ８４一ｌ０７Ｏ、ｌ９２—３４３、ｌ９卜Ｉ４ｏ４、ｌ９Ｆ—４４２、ｌ９Ｆ一４４３、ｌ９Ｆ—４９７、ｌ９Ｆ一４９８为实验炉号　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第ｌ期　《特钢技术》　・４５・　回归得：　Ｊｏ＝６Ｏ×Ｃ　＋１９　（２）　由于Ｊ１．５处的组织与Ｊｏ处的组织基本相　同，查有关资料，有如下数据：　当０．５≤Ｍｎ≤１．５时，Ｍｎ含量与ＨＢ大致　图２试样测试点定位　存在线性关系；　当Ｏ≤Ｃｒｙ＜１．５５时，Ｃｒ含量与ＨＢ大致存　表３　Ｃ含量与Ｊ０关系表　在线性关系；　当Ｏ≤Ｎｉ≤５．０时，Ｎｉ含量与ＨＢ大致存在　线性关系；　当Ｏ≤Ｍｏ￣＜Ｏ．５２时，Ｍｏ含量与ＨＢ大致存　在线性关系。　根据格罗斯曼一阿西莫假定２，参照贾斯　特方程及式（２）可令：　设Ｊ１．５＝ａ×Ｃ％＋ｂ×Ｍｏ＋Ｃ×Ｃｒ％＋ｄ×　Ｍｎ％＋ｅ×Ｎｉ％＋ｆ　（３）　将表４数据代入式（３），对ａ、ｂ、Ｃ、ｄ、ｅ、ｆ进　行回归可得方程如（４）所示：　表４随机抽样２０ＣｒＭｏ化学成份表（％）　Ｊ１．５：６０×（Ｃ％）　＋２６×Ｍｏ％＋１．６×　Ｊ１．５＝６０×（Ｃ％）　＋２６×Ｍｏ％＋１．６×　Ｃｒ％＋１．５×Ｍｎ％＋１．Ｏｌ８×Ｎｉ％＋　Ｃｒ％＋１．５×Ｍｎ％＋１５　（５）　５　（４）　同样可求得：　由于Ｎｉ含量较少，忽略不计，（１）式可减化　Ｊｌ　１＝２０．５×（Ｃ％）　＋２２．５　为：　×Ｃｒ％＋５．０×Ｎｉ％＋２９×Ｍｏ％＋ｌ６　维普资讯 http://www.cqvip.com ・４６・　《特钢技术》　２００２年第１期　×Ｍｎ％一２０　（６）　将表５代入式（５），式（６）可得表６　表５　２０ＣｒＭｏ化学成份表（％）　由表６不难看出，由式（５）、式（６）计算出来　３最优方案　的理论值与实测值偏差较小，精度能满足生产　将ＧＢ３０７７—８８中２０ＣｒＭｏ成分范围代人式（５），　需要。　式（６），令自适应因子为Ｋ，Ｊ１．５＝４５，Ｊ１１＝　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第１期　表６理论计算与实测淬透性对比表　』！：　炉号　—《特钢技术》　・４７・　８成分重新代入最优化方案，可得各元素控制范　围（具体各元素成份范围略）。　Ｊ１１　—备注　理论　实际　理论　实际　４生产工艺　４．１生产工艺流程　电弧炉冶炼一浇注８００ｋｇ方锭一锻造至　１４５ｍｍ方一空冷一精整一送轧钢分厂加热一轧　３２，循环步长为０．Ｏｌ，采用变量轮换寻优主　合金成本ｆ（ｘ）（算法框图及程序略）。　考虑实际生产情况，将范围偏差值Ｉ　及表　制致成品一空冷一箱整一入库　４．２工艺控制要点　４．２．１　冶炼要点　４．２．１．１　化学成份（单位：％）（按设计成份执　行）　４－．２．１．２采用氧化法冶炼，要求炉体良好，新　炉体及炉体损坏严重不得冶炼本钢。炉料由低　硫、磷废钢及本车间返回废钢、专长头、生铁、洁　净干燥废钢组成，配料成分要求：配碳０．９０％～　１．Ｏ０％。　４．２．１．３　矿氧综合氧化，氧化脱碳量≥０．　３０％。脱碳速度≥０．０２％，强调高温均匀沸腾，　去气体、夹杂。　表７　２０ＣｒＭｏ最优化后成份表　４．２．１．４　氧末控制终点碳：０．１０％～０．１３％，　调Ｍｎ至０．２０％左右进行净沸腾，时间≥ｌ０分　钟。　４．２．１．５扒渣温度≥１６３０℃，镜面加硅钙块０．　５ｋｇ／ｔ，稀薄渣下插铝ｌｋｇ／ｔ。　４．２．１．６化好薄渣，加电石３ｋｇ／ｔ，以Ｃ—Ｓｉ粉　保持白渣，时间／＞３０分钟，［ＦｅＯ］≤０．４０％。　４．２．１．７　出钢温度：１５９０～１６１０℃，终脱氧插　铝１．２ｋｇ／ｔ。　４．２．１．８　浇注系统清洁、干燥；钢包清洁、烤　红，采用包底吹氩，钢液不能裸露。　４．２．１．９浇注８００ｋｇ锭型，镇静时间／＞４分钟。　４．２．１．１０　６小时脱模后坑冷２４小时。　４．２．２锻钢工艺要点　４．２．２．１开锻温度：≥ｌ１００℃　维普资讯 http://www.cqvip.com ・４８・　《特钢技术》　２００２年第ｌ期　终锻温度：≥８５０℃　每炉（批）取样１００ｍｍ×２个按表８要求测　４．２．２．２均匀加热，严防过热、过烧，生产出现　试各个点淬透值，并作２０ＣｒＭｏＨ淬透带图及温　故障，严格按操作规程降温。　度——淬透值图。　４．２．２．３冷却方式：空冷　４．２．２．４角、面裂挖除干净。　表８　２０ＣｒＭｏＨ淬透性试样热处理及测试要求表　４．２．２．５开坯规格：１４５ｍｍ×１４５ｍｍ一切三下　料，坯料长度１．３ｍ　１．６ｍ。　４．２．３轧制工艺要点　４．２．３．１　开轧温度≥１０５０℃，并适当提高终轧　温度。　４．２．３．２控制出钢速度，Ｋ７架五轧过完后出　钢。　５．１．３力学性能　４．２．３．３抢钢温轧制，温度低于８９０℃者，不得　每炉（批）取样２００ｍｍ×２个按表９要求测　强行轧制，应回炉再生产。　试力学性能并作图分析。　４．２．３．４冷却方式：采用快速冷却方式，冷床　风机全打开，快冷至６５０℃左右，收集堆冷。　表９　２０ＣｒＭｏＨ力学性能试样热处理表　４．２．３．５　因该钢淬透性、带状要求较严，生产　时，必须严格控制初轧和终轧（锻）温度，要求严　格按试制工艺执行。　５实验与验证　５．１实验、验证项目与方法　５．１．１化学成分与气体含量　５．１．４每炉（批）取样２０ｍｍ×３个，分别观察　每炉钢取二支钢锭，在锭上头、中、尾取样　组织，带状和晶粒度并照相。　做化学成分全分析及氧含量试验。　５．２检测结果　５．１．２淬透性　５．２．１化学成分及氧含量检测结果见表ｌ０　表ｌＯ化学成份氧含量检测结果表　注：各元素的含量为三个试样的算术平均值　由上表不难看出，按所订工艺生产，我厂能　可作淬透带图及温度一淬透带图如图３、图４。　将成分基本控制在设计范围内，此二炉冶炼成　由上图３、图４及表ｌｌ不难看出：　分基本满足设计要求。不足之处是Ｏ含量过　（１）按所设计的成分生产出的２０ＣｒＭｏＨ　高，与原期望值小于０．０００２５％有一定差距。　均满足Ｃ１Ｊ４４—１９９８标准中的淬透性要求。　５．２．２淬透性检测结果见表ｌｌ　（２）结合各截面处的金相组织来看，９０５℃　根据各截面上的各点硬度实测值及表ｌ２　一９４５℃淬火时，在Ｊ１．５处２０ＣｒＭｏ的硬度值基　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第１期　《特钢技术》　・４９・　是由于端淬时，本钢种在一定长度内仍可形成　表ｌ１淬透性检测结果表　部分马氏体，而马氏体的硬度远高于其它组织　测试点　试样热处理制度——　的硬度，因此马氏体含量的多少则决定着钢种　Ｊ１．５　ｊ６　ｊ９　Ｊ１１　Ｊ１５　ｊ３０　ｊ５０　硬度大小，而马氏体形成又取决于冷却速度的　９２５℃正火＋９２５℃淬火４４　３５　３１　２８　２７　２１　１６　快慢。故对本钢种而言，通过适当的调整淬火　９２５℃正火＋９２５℃淬火４３　３８　３３　３Ｏ　２６　２２　１９　．温度，在Ｊ６～Ｊｌｌ少量调整各点硬度值有一事　９２５℃正火＋９２５℃淬火４３　３７　３２　３Ｏ　２６　２３　ｌ９　实上的应用意义。　注：各测试点的硬度值为两个试样同一截面处５×２点的　（４）Ｊ１．５以后，随着淬火温度的变化，其硬　算术平值（各截面硬度值的实际波动范围略）。　度值变化不大，这主要是端淬时，这以后的组织　内马氏体含量非常少，而无论是贝氏体，届氏　５Ｏ　体、索氏体还是珠光体，其硬度值基本在同一数　●Ｏ　二　＼　量级上，因此淬火温度变化对其影响不大，这也　＾　可以解释我们过去在进行Ｊ１．５检测时，发现淬　、，　宣　３Ｏ　＼＼　—＼　火温度对淬火硬度影响不大的原因。　鼙　聋　２０　（５）结合（３）、（４）点结论，不难推出，本钢　种的冷却半径为ｌ１ｍｍ～１５ｍｍ。为验证（２）、　１Ｏ　（３）、（４）结论，我们对其冷却半径进行了计算。　Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　Ｉ　Ｉ　计算方法为将　Ｉ．５　３．０　４．５　６．０了．５　９．０　１０．５　１２．Ｏ　１３．５　１５．Ｏ　Ｌｇ（￣Ｃ／ｈ）：９．８１一（４．２６Ｃ＋１．０５Ｍｎ＋　实一点臣鼻（一）　．　０．５４Ｎｉ＋０．５Ｃｒ＋０．６６Ｍｏ　图３　２０ＣｒＭｏＨ淬透带图　．　＋Ｏ．ＯＯ　Ｊ８３Ｐａ　Ｖ水＝１２８７００×（Ｈｌ／Ｉ－１０）×ｄ一。・。　量度一淬透值啊　联立求解得ｄ＝ｌ　１．９６　其求解结果与我们推论、实验结果、图例走　＾　向一致。故上述结论正确。　量　５．２．３力学性能检测结果见表ｌ２　鏊　由上表不难看出，按所签订工艺生产的　翟　２０ＣｒＭｏ力学性能可以满足Ｃ１Ｊ４４—１９９９要求，　与按传统工艺生产的２０ＣｒＭｏ相比，可以提高　５％左右的强度指标，并可同时少量改善塑性指　ｌ　２　３　４　５　６　了　标。　潮　睡鼻（－ｌ－）　．５．２．４金相检测结果：　图４　２０ＣｒＭｏＨ温度一淬透值图　５．２．４．１组织检测结果见图５。　本无变化，这再一次验证了同一种钢种当　５．２．４．３晶粒度检测结果见图６。　其淬火组织基本为全马氏体，其硬度值主要取　６结论　决于Ｃ含量的结论。　（３）Ｊ６～Ｊ１ｌ，在９０５￣Ｃ～９４５￣Ｃ温度区间　（１）按工艺生产出的２０ＣｒＭｏ（含　内，随着淬火温度的升高，硬度值升高，这主要　２０ＣｒＭｏＨ）可满足ＣＩＪ４４—１９９８中淬透性及带　状要求。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・５Ｏ・　《特钢技术》　２００２年第１期　注７：指一厂１９９９年４月１５乃至７月ｌ５日所生产的２０ＣｒＭｏ￣５０ｍｍ所测数据的平均ｆ『｛。　图６　２０ＣｒＭｏｔｔ金十Ｉｌ榆验图　图５　２０ＣｒＭｏＨ金相组织图　同一钢种当其淬火组织为全马氏体　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第１期　时，其硬度值主要取决于Ｃ含量。　《特钢技术》　・５ｌ　・　（３）淬火温度对小于淬火半径的淬火硬度　有一定影响，对大于淬火半径的淬火硬度影响　不大。　致谢本文在写作和课题研究过程中得到　了李德贵副总工程师，张旭东，副总工程师，许　育中教授、刘松副教授和各相关部门的大力支　（４）加工后采用适当的在线热处理工艺可　持、帮助、指导，借此机会表示感谢。　提高２０ＣｒＭｏ（２０ＣｒＭｏＨ）机械性能。　（截稿日期２００１年ｌ２月）　参考文献　１郗佰泰等著．《钢的淬透性原理、冶金因素的影响和工业应用》（美）　上海：上海出版社，１９９７年　２　ＡＦ　ｄｅＲｅｔａｎａ　ａｎｄ　Ｄ．Ｖ　Ｄｏａｅ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ　Ｓｔｅｅｌｓ　Ｍｅｔａｌ　Ｐｒａｇｒｅｓｓ．Ｓｔｅｐ　１．９９７　１　００．６５　３　“ＳＡＥＨａｎｄｂｏｏｋ　Ｊ４０６”．１９６１、１９７８、１９８７年版　４吴季恂、周光裕、苟毓闽编．《钢的淬透性应用技术》　北京：机械Ｘ－，＿Ｉｋ出版社，１９９４　５刘松、李德和编．最优化原理与应用．陕西西安交通大学出版社，１９９６　川崎钢铁公司开发出取向性电工钢板新产品　［日刊《川崎制铁技报》报道］ＪＪＩ崎钢铁公司取向性电工钢板铁损特性逐年改善。　近年。开发了铁损快速降低的产品“２３ＮｅｗＲＧＨＰＤ”。该产品，（１）通过减小钢板厚度（０．２７ｍｍ　～０．２３ｒａｍ），减少涡流损失；（２）通过结晶方位的高度集积化，减少磁滞损失；（３）在钢板表面形成　多数沟，使磁区细分，减少涡流损失。　磁畴宽度由静磁能和磁畴壁能的平衡所决定，由于沟的去磁，使静磁能增加，获得磁畴细分化　效果，这是沟形成法的原理。沟深度增加，材料磁宽度飞跃减小，沟深度可增到不使磁滞损失增加　的积度，采用此项技术，可获得铁损大幅降低的效果。　和铁损不同，磁通密度的改善已经多年。近年，开发了Ｂ８为１．９３Ｔ的高磁通电工钢板　“ＮｅｗＲＧＨ”，用作低噪音变压器铁芯获得好评。铁芯材料的磁通密度Ｂ８和变压器发生噪音的关系　表明，材料磁通密度提高，变压器的噪音大幅度改善。采用传统材料３０ＲＧＨ１５０”和新产品　“ＮｅｗＲＧＨＰＤ”作模型变压器铁芯材料．进行实机特性的比较，无论用作叠层铁芯和卷状铁芯，都获　变压器铁损大大降低的效果。另外，变压器励磁电流降低效果也很显著。　／．　；　，　，；　，　，；　，；　！，；＼！一　／　／　／；＼！　，；、　；＼！　／；　、！　＼　；＼！，　／　／；＼！　马钢开发出新型船体用钢　［据《世界金属导报》项爽报道］日前，由马钢技术中心、一钢厂、中板厂等单位联合研制的含稀　土耐蚀Ｂ级碳素船体用钢板材，生产获得成功。它标志着我国在碳素Ｂ级船体钢耐海洋腐蚀技术　水平方面又迈进了一大步。　耐蚀Ｂ级碳素船体用钢，是采用稀土处理技术改善钢中内在组织的一种新型海洋腐蚀钢材。　该材料可广泛应用在船只。海洋建筑及近海建筑等领域。近年来，马钢将该试制产品用于实海挂　片试验，效果良好。它取代普通Ｂ级船体用造船，可延长船只的使用寿命延长船只大修期。　今年ｌ１月马钢接到订单，用马钢新建转炉至新建板坯连铸工艺，有效实现　ＬＦ炉精炼脱硫、　喂稀土等技术。其中，ＬＦ精炼工艺攻关，一举使钢中的硫含量降至０．００８％以下，单指标接近纯净　水平。　ｌ