齒輪鋼連鑄坯高溫特性實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

范黎明 裴建華

(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司)

齒輪鋼連鑄坯高溫特性實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用

范黎明 裴建華

(山東鋼鐵集團(tuán)有限公司)

針對(duì)齒輪鋼代表性鋼種20CrMnTiH連鑄坯進(jìn)行高溫力學(xué)性能和高溫?zé)崤蛎浶阅軐?shí)驗(yàn)研究，充分認(rèn)識(shí)連鑄坯的兩種高溫特性在凝固和冷卻過(guò)程對(duì)形狀和尺寸影響，分析連鑄坯產(chǎn)生應(yīng)力、變形和熱裂紋的原因，為連鑄設(shè)備和工藝設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，保證齒輪鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

齒輪鋼 連鑄坯 高溫特性 凝固

0 前言

在連鑄生產(chǎn)中，提高連鑄坯質(zhì)量、生產(chǎn)無(wú)缺陷的連鑄坯長(zhǎng)期以來(lái)是一項(xiàng)重要的研究課題[1]。而鋼的高溫特性與應(yīng)力產(chǎn)生和裂紋形成有很大聯(lián)系，為提高齒輪鋼質(zhì)量，降低裂紋的發(fā)生率保證鋼的性能，為齒輪鋼連鑄坯制定合理的冷卻制度，有必要對(duì)齒輪鋼連鑄坯的高溫特性進(jìn)行研究。代表鋼種20CrMnTiH化學(xué)成分范圍見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分范圍

1 連鑄坯的高溫力學(xué)性能

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

鋼在高溫下的力學(xué)行為，是連鑄坯凝固坯殼產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)原因。只有充分認(rèn)識(shí)鋼的高溫力學(xué)性能在凝固過(guò)程中的變化規(guī)律，才能為連鑄設(shè)備和工藝設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，從而為產(chǎn)品質(zhì)量提供保證[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

連鑄坯高溫力學(xué)性能測(cè)試在Gleeble-1500型號(hào)的熱模擬機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸Φ10×120 mm，兩端有螺紋。測(cè)試時(shí)試樣室通入流量為1 L/min的氬氣流，以10 ℃/s的速率升溫到1 350 ℃保持5 min，以均勻成分和溫度，促進(jìn)析出物的溶解，然后以3 ℃/s的冷卻速度降至各試驗(yàn)溫度。每個(gè)試驗(yàn)溫度保溫2 min，然后以0.001/s的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸。試樣拉斷后，立即對(duì)拉斷部位大量噴水冷卻。試驗(yàn)溫度點(diǎn)：600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、775 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃、1 300 ℃、1 350 ℃、1 400 ℃。

1.3 高溫力學(xué)性能結(jié)果分析

1.3.1 斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度變化曲線

由圖1可知，20CrMnTiH鋼塑性整體較好，R.A.最低值也達(dá)到50%以上。若以低于60%作為脆性的判斷依據(jù)，試驗(yàn)鋼20CrMnTiH的第Ⅲ脆性溫度區(qū)為600 ℃～800 ℃。800 ℃～1 350 ℃試樣具有良好塑性，塑性溫度區(qū)間較寬。1 350℃～熔點(diǎn)為鋼的第Ⅰ脆性溫度區(qū)。1 400 ℃時(shí)試樣的R.A.值已接近于零，據(jù)此推斷，20CrMnTiH鋼的零塑性溫度(ZDT)大約在1 400 ℃。

圖1 斷面收縮率隨溫度變化曲線

圖2 抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線

由圖2可知，隨著溫度的升高，600 ℃～750 ℃抗拉強(qiáng)度由313.45 MPa迅速下降到108.66 MPa，之后隨著試驗(yàn)溫度的繼續(xù)升高，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高下降的緩慢，1 400 ℃時(shí)，強(qiáng)度值只有11.96 MPa。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的零強(qiáng)度溫度(ZST)為1 432 ℃(測(cè)兩次取平均值得到的)。

1.3.2 斷口形貌分析

由圖3可知，位于脆性區(qū)的600 ℃和750 ℃的試樣斷裂方式分別以穿晶延性斷裂和沿晶斷裂為主，而600 ℃時(shí)的斷口可看到大量微小韌窩和孔洞，并可明顯看到變形的跡象，750 ℃時(shí)韌窩很少，大部分都是沿晶界斷裂的，因此600 ℃比750 ℃時(shí)試樣的R.A.值大、塑性好。造成上述原因是由于750 ℃時(shí)產(chǎn)生的先共析鐵素體以網(wǎng)膜形式存在于晶界，由于α相的強(qiáng)度約為γ相強(qiáng)度的1/4，在熱拉伸的過(guò)程中在α相網(wǎng)膜上產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試樣很快沿晶界斷裂。而600 ℃時(shí)的先共析鐵素體網(wǎng)膜已經(jīng)消失，鐵素體變的非常粗大，并且向晶內(nèi)生長(zhǎng)，鐵素體網(wǎng)膜的應(yīng)力集中已不存在。

(a) 600 ℃

(b) 750 ℃

圖3 第Ⅲ脆性溫度區(qū)試樣的斷口形貌

由圖4可知，850 ℃和900 ℃時(shí)斷口存在大量韌窩，并且斷口周?chē)擅黠@看到拉伸過(guò)程中試樣的徑向收縮變形，因此試樣表現(xiàn)出良好的塑性。

(a) 850 ℃

(b) 900 ℃

圖4 塑性良好時(shí)試樣的斷口形貌

2 連鑄坯的高溫?zé)崤蛎浶阅?/h2>

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

鋼的熱膨脹特性是指其在加熱或冷卻過(guò)程的由于晶格尺寸的變化所表現(xiàn)出的膨脹或收縮特性，是鋼的重要的熱物理性能之一。熱膨脹特性對(duì)凝固和冷卻過(guò)程的形狀和尺寸有很大影響，也是鑄坯產(chǎn)生應(yīng)力、變形和熱裂紋的基本原因。認(rèn)識(shí)和掌握相關(guān)鋼種的熱膨脹特性是合理設(shè)計(jì)連鑄工藝或開(kāi)展連鑄過(guò)程熱應(yīng)力應(yīng)變分析的基礎(chǔ)[3]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了揭示加熱和冷卻過(guò)程中由于動(dòng)力學(xué)差異對(duì)熱膨脹特性產(chǎn)生的可能影響，本實(shí)驗(yàn)不僅按標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，還對(duì)隨后的冷卻過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2，其中保護(hù)氣體選用氬氣。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

全程熱膨脹率及瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)關(guān)系如圖5和圖6所示：

圖5 升溫過(guò)程瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)、熱應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系

圖6 降溫過(guò)程瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)、熱應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系

從圖5和圖6上可以看出，無(wú)論是在升溫過(guò)程還是在降溫過(guò)程，鋼的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)的變化可以分為三個(gè)階段。以降溫過(guò)程為例，整個(gè)溫度區(qū)間根據(jù)瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)的數(shù)值變化可分為：從1 150 ℃到先奧氏體開(kāi)始分解溫度之間純奧氏體相溫度區(qū)間，該區(qū)間瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)隨溫度降低而減小；二是從奧氏體分解溫度到共析轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度(連鑄過(guò)程冷卻速度為每分鐘幾攝氏度，共析轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度也就是珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度)結(jié)束之間的溫度區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)發(fā)生瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生共析膨脹；三是從珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束開(kāi)始到常溫的溫度區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)隨溫度降低而減小。升溫過(guò)程與降溫過(guò)程類(lèi)似。此外，從橫坐標(biāo)上可以看出，奧氏體瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)要大于先共析鐵素體/滲碳體+珠光體的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)。由于動(dòng)力學(xué)差異，升溫過(guò)程與降溫過(guò)程瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)的凹槽存在一定差異。

3 結(jié)論

(1)20CrMnTiH連鑄坯良好塑性區(qū)溫度范圍為1 350 ℃～800 ℃，塑性溫度區(qū)較寬；第Ⅲ脆性區(qū)溫度范圍為800 ℃～600 ℃，脆性溫度區(qū)較窄；20CrMnTiH齒輪鋼連鑄坯的零強(qiáng)度溫度(ZST)為1 432 ℃，零塑性溫度(ZDT)大約在1 400 ℃。連鑄坯矯直溫度應(yīng)避開(kāi)低溫脆性區(qū)，20CrMnTiH鋼的矯直溫度應(yīng)控制在800 ℃以上，這樣可以減輕和防止裂紋的產(chǎn)生。

(2)總體上來(lái)說(shuō)鋼的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)隨溫度升高而增加，但在共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)存在共析膨脹，并達(dá)到最大值，鋼的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)值。共析轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度以下至室溫的溫度區(qū)間內(nèi)，先共析鐵素體/滲碳體+珠光體組織的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)在0.000 014～0.000 018之間，且含碳量對(duì)鋼的熱膨脹影響很小；從1 150 ℃到共析轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度之間的溫度區(qū)間內(nèi)，奧氏體的瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)在0.000 021～0.000 024之間，且熱膨脹隨含碳量的增加而增大。

[1] 梁志鋒，毛衛(wèi)民，張宏. 提高連鑄鋼水質(zhì)量的措施[J].山西冶金,2007,108(4):45-47.

[2] 張晨，岳爾斌，仇圣桃.鋼的高溫力學(xué)性能及其影響因素分析[J].連鑄,2008,5(6):8-12.

[3] 操龍飛，徐光，鄧鵬等.鋼的熱膨脹特性研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(5):639-943.

EXPERIMENTAL RESEARCH AND APPLICATION OF HIGH TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF GEAR STEEL CONTINUOUS CAST SLAB

Fan Liming Pei Jianhua

(Shandong Iron and Steel Group Corporation)

The mechanical properties and high temperature thermal expansion properties of 20CrMnTiH steel billets were studied. The influence of the two high temperature characteristics on the shape and size of the cast slab during solidification and cooling was analyzed. Deformation and thermal cracking of the reasons for continuous casting equipment and process design to provide a scientific basis to ensure the quality of gear steel products.

Gear steel Continuous casting billet High temperature property Solidification

明，工程師，山東.萊蕪(271101),山東鋼鐵集團(tuán)有限公司山鋼營(yíng)銷(xiāo)總公司；

2017-1-15