高檔轎車齒輪用鋼20CrNi2MoSH的研制

趙千水，　闞　開，　李超群

（本鋼板材股份有限公司產品研究院， 遼寧　本溪　117000）

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高檔轎車齒輪用鋼20CrNi2MoSH的研制

趙千水，闞開，李超群

（本鋼板材股份有限公司產品研究院， 遼寧本溪117000）

本鋼采用EBT→LF→VD→連鑄235mm×265mm方坯→緩冷→加熱→棒材連軋機組→緩冷→精整→檢驗→包裝繳庫→發貨的工藝流程，成功研制生產了高檔轎車齒輪用鋼20CrNi2MoSH。產品化學成分均勻，有害元素及氣體含量低，末端淬透性穩定，鋼材組織均勻，純凈度高，致密度好，滿足了高檔轎車齒輪用鋼的使用要求。

20CrNi2MoSH齒輪鋼連鑄

20CrNi2MoSH（VW4521）齒輪鋼是德國大眾公司高檔轎車后橋齒輪、五檔變速箱齒輪用材料，屬大眾企業標準TL系列CrNiMo鋼牌號之一，與CrMnTiH等齒輪鋼相比具有更好的硬度、耐磨性和抗疲勞性能。本鋼為適應高端齒輪鋼市場的需求，針對一汽大眾高檔轎車研究試制了20CrNi2MoSH鋼。

1　技術要求

汽車齒輪主要被裝配于汽車的齒輪箱，用于汽車的傳動和變速。一對嚙合齒輪在運行過程中齒面之間既有滾動也有滑動，齒根部會受到脈動和交變彎曲應力的作用。因此，高質量齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性，能很好地承受沖擊、彎曲和接觸應力，而且其加工后的齒輪變形小、精度高和噪音低[1]。隨著對轎車輕量化、安全、穩定的行車要求的逐步提高，對齒輪鋼相應性能的要求也逐步提升。

20CrNi2MoSH鋼為低碳CrNiMo鋼，其主要化學成分要求見表1。

表1　20CrNi2MoSH鋼化學成分　%

除表1中要求的化學元素外，還要求w[O]≤20×10-6，w[N]≤150×10-6，m(Al)/m(N)≥2，w(Cu)+ 10w(Sn)≤0.50%。

按GB/T 1979標準評級，技術條件要求為：一般疏松、中心疏松、偏析均≤3.0級，一般斑點狀偏析、邊緣斑點狀偏析均≤1.0級。

按ASTME45標準中A法評級，A類夾雜物≤4.0級，B類夾雜物≤2.0級，C、D類及DS夾雜物級別≤1.0級。

按ASTME112方法檢驗，奧氏體晶粒度細于7級。

按GB/T 225方法檢驗，鋼材硬度（HRC）在測試點J10時為35～39。

按GB/T 13298、GB/T 13299檢驗試驗，合格級別≤3級。

鋼材以熱軋狀態交貨，要求鋼材硬度（HBW）≤300。

2　關鍵工藝控制

本鋼20CrNi2MoSH鋼的生產工藝流程：EBT→LF→VD→連鑄235 mm×265 mm中方坯→緩冷→加熱→棒材連軋機組→緩冷→修磨→檢驗→包裝繳庫→發貨。

電爐配料采用70%以上的鐵水和少量精選廢鋼，各種脫氧劑、保護渣、造渣材料及鐵合金烘烤性能良好。電爐冶煉采用氧氣氧化，出鋼控制碳及磷元素含量，并進行預脫氧和出鋼過程合金化，同時加入精選混合渣料。LF爐精煉采用兩次擴散脫氧工藝，造白渣（白渣精煉時要保持足夠時間），全程吹氬攪拌，出鋼前喂鋁線脫氧，按目標要求調整鋼水成分和溫度。VD真空脫氣處理，使得真空度在100Pa下保持足夠時間，成分按設計目標予以微調，終脫氧后進行一定時間的軟吹氬攪拌。采用三機三流弧形連鑄機連鑄鋼坯，鑄坯規格為235 mm×265 mm，全過程保護澆鑄，合理配置過熱度、拉速、比水量等工藝參數，保證獲得均勻致密的鑄坯質量。

對于連鑄坯的保溫，采用蓄熱步進梁式加熱爐，以高爐、焦爐混合煤氣為加熱燃料。重點保證加熱溫度和加熱速度的均勻性，減小鑄坯溫差，防止奧氏體晶粒粗大。采用二輥可逆式初軋機粗軋預備方，采用無牌坊短應力線連軋機組軋制Φ45 mm、Φ55 mm的圓鋼，控制軋制變形、終軋溫度、軋后冷速，減少帶狀組織。鋼材下冷床后堆冷，按流號收集。

3　試制結果

生產試制單爐連鑄1爐鋼，分別軋制Φ45 mm、Φ55mm規格鋼材。

將20CrNi2MoSH鋼熔煉成分分析結果列于表2。

表2　20CrNi2MoSH鋼實際化學成分

低倍組織評級結果見表3。Φ45mm鋼材低倍組織照片見圖1。

表3　20CrNi2MoSH鋼的低倍組織級別　級

圖1　低倍組織（1:1）

試驗鋼的非金屬夾雜物檢驗結果見表4。

表4　20CrNi2MoSH鋼的非金屬夾雜物級別　級

奧氏體晶粒度全部為7級。

對試樣采用925℃正火、920℃淬火處理。末端淬透性的檢驗結果見表5。

表5　20CrNi2MoSH鋼的末端淬透性值

帶狀組織全部為3.0級。

鋼材以熱軋狀態交貨，實際鋼材硬度（HBW）在221～232之間，鋼材軋后組織為貝氏體，圖2為軋后組織照片。

圖2　鋼材軋后組織

4　質量測試

為較全面評價鋼材質量水平，針對鋼質均勻性、致密度、純凈度等方面特性，進行了連鑄坯成分偏析、末端淬透性穩定性、鋼材硬度等質量測試。

連鑄每流取1塊鑄坯，對每塊鑄坯沿角部至半徑1/2處和角部至邊部中心處等距分析各點化學成分。分析結果是：同塊鑄坯碳元素質量分數最大極差為0.06%，硫元素質量分數最大極差為0.003%，錳、鉻、鎳合金元素質量分數極差均不超過0.03%；不同鑄坯之間碳元素質量分數最大極差為0.08%，硫元素質量分數最大極差0.004 5%，錳、鉻、鎳合金元素質量分數極差均不超過0.04%。

在每塊鑄坯上取1片低倍試片進行酸浸低倍組織檢驗，9片低倍試片一般疏松均為0級，中心疏松和錠型偏析均為1.0級。圖3為第二流頭段坯低倍組織照片（照片上白紙片為試片編號標識）。

圖3　第二流頭段坯低倍組織

在每塊連鑄坯所產鋼材上取1個試樣（共8個試樣），進行末端淬透性試驗。各點末端淬透性平均值、最大值、最小值、極差見表6，根據各點平均值繪制的末端淬透性曲線見圖4。

表6　不同連鑄坯產鋼材末端淬透性特征值（HRC）

對于每個規格鋼材，隨機取3個試片，每個試片用臺式硬度計測試其中心及半徑1/2處硬度值，試驗數據見表7。

5　產品質量分析

各項檢驗數據滿足技術標準要求。從成品化學成分及連鑄坯化學成分偏析分析結果看，P、Ti、Cu、Sn等殘余元素、有害元素以及氣體中[O]、[N]含量均偏低，化學成分均勻，偏析小。各點末端淬透性極差遠小于同爐鋼，其離散值不大于4HRC的齒輪鋼末端淬透性，同一軋制批次鋼材硬度基本一致，表明鋼質均勻性較好。連鑄坯低倍檢驗及鋼材低倍檢驗數據表明鋼材具有良好的致密度。用戶投料使用后反映：20CrNi2MoSH鋼工藝性能較好，能保證加工使用要求。

圖4　淬透性曲線

表7　成品鋼材硬度（HB）

6　結論

1）本鋼采用EBT→LF→VD→連鑄235mm×265 mm中方坯→緩冷→加熱→棒材連軋機組→緩冷→修磨→檢驗→包裝繳庫→發貨生產的工藝，成功研制了生產高檔轎車齒輪用鋼20CrNi2MoSH。

2）本鋼開發生產的20CrNi2MoSH圓鋼，其化學成分均勻，有害元素及氣體含量低，末端淬透性穩定，鋼材組織均勻，純凈度高，致密度好。

3）本鋼具備采用電爐連鑄連軋工藝穩定生產高檔轎車齒輪鋼20CrNi2MoSH的能力。

[1]王麗敏.汽車零部件用鋼的主要國內外標準綜述[J/O L].http: //www.doc88.com/p-170877808032.html.

（編輯：胡玉香）

Development of the High Grade Gear Steel 20CrNi2MoSH for Automobile of BX Steel

ZHAO Qianshui，KAN Kai，LI Chaoqun
（Products Research Institute of Benxi Steel Plates Co.，Ltd.，Benxi Liaoning 117000）

The high grade gear steel 20CrNi2MoSH for automobile of BX Steel is successfully produced by the follow sheet:EBT→LF→VD→caster 235 mm×265 mm square billet→slow cooling→reheating→continuously roll→slow cooling→finishing→inspection→packaging and pay into treasury→shipment.The product has series of the qualities,including homogeneity of chemical composition,low content of harmful elements and gas,stable end-quench hardenability,compact and uniform organization,high purity,meeting the operating requirements of the high grade gear for automobile.

20CrNi2MoSH,gear steel，continuous casting

TG142.72

A

1672-1152（2016）02-0011-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.04

2016-03-10

趙千水（1973—），男，高級工程師，從事特殊鋼生產工藝技術研究和新產品開發研制工作，受聘為中國金屬學會特殊鋼分會不銹鋼與耐熱鋼學術委員會委員。