20CrMnTi熱軋齒輪圓鋼熱頂鍛裂紋分析與改進措施
2021-06-30 16:10
山西中重
八鋼每年生產20CrMnTi熱軋齒輪鋼約3萬t， 規格尺寸為0.18 ~ 0.32mm。產品用于制作摩托車軸類零件與摩托車齒輪類零件。
八鋼齒輪鋼的生產工藝流程為:70t超高功率直流電弧爐——70tLF精煉爐-150方4機4流連鑄機（結晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌)——連鑄 坯檢驗人庫——加熱——小型機組連續軋制——鋼材熱頂鍛試驗——鋼材機械性能檢驗——人庫。
熱軋齒輪圓鋼的生產技術難點主要是鋼材的熱頂鍛試驗性能不穩定，試樣易產生熱頂鍛裂紋。近年來用戶為此提出了不少的質量異議，為改進產品質量，對熱頂鍛裂紋產生原因進行了分析，并進行了相應改進。
熱頂鍛裂紋產生的主要原因
通過熱頂鍛試驗模擬用戶在齒輪制作過程中的鍛造環節，即以齒輪圓鋼直徑的2倍長度截取試樣, 并將該試樣熱鍛為原高度的1/3。熱頂鍛試樣的鼓形面上不得有裂紋、裂縫、裂口。
造成熱頂鍛裂紋的原因可歸納為兩大類：第一類為煉鋼工序產生的冶金原因;第二類為軋制原因。
冶金原因
(1)連鑄坯輕微的皮下氣泡及表面針孔。齒輪鋼的化學成分。
規定的化學成分條件之下，中于合金元素含量較高,還含有一定量的酸溶鋁,鋼水的脫氧的熱力學條件非常充分，因此，齒輪鋼連鑄坯嚴重的皮下氣泡巳經十分罕見但是輕微的局部皮下氣泡及連鑄坯的零星表面針孔卻不容忽視,會造成熱頂鍛試樣的鼓面裂紋為連鑄坯表面零星針孔造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋處的金相組織照片。熱頂鍛裂紋的主要 特征為裂口較明砧,但裂紋長度較短，通常不會貫穿鼓形面。金相組織表明，裂紋處明顯脫碳，裂紋底部呈“鴨蛋”型，裂紋深度一般0.5 ~ 1.5mm。
針孔造成的熱頂鍛裂紋形貌
連鑄場偏離角裂紋
對連鑄坯低倍組織進行抽檢，有時會發現偏離角裂紋的問題。當裂紋非常靠近連鑄坯表面時，連鑄述在加熱過程中隨著表面氧化鐵皮的脫落，裂紋會曝露出來,軋制過程無法使其焊合。熱頂鍛試驗遇到這種缺陷時，就會出現熱頂鍛裂紋。
為連鑄坯偏離角裂紋造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋處的金相組織照片熱頂鍛試樣上的裂紋裂口明顯，裂口較長，貫通整個鼓形面。金相組織表明,裂紋處明顯脫碳，裂紋較深,通常3 ~ 5mm,裂紋底部呈現尖銳角
軋制原因
折疊造成的熱頂鍛裂紋有兩個明顯特怔：一是有一條明顯裂紋并伴有多道輕微的裂紋，形成一條裂紋帶，其長度貫通整個試樣的鼓面;二是裂紋分布呈現出明顯的規律性，通常出現在四個對稱區間，各區域之間的間隔約90℃。熱頂鍛試樣上的裂紋帶或單獨出現,或呈現180℃對稱分布，或呈現“十字形” 對稱分布、觀察熱頂鍛試樣相鄰處的同根母材試樣,由于其表面有氧化鐵皮痕蓋，用肉眼無法辨識缺陷。但對母材試樣酸洗之后，便可發現明顯的簇狀折疊缺陷。折疊缺陷的分布具有明顯的對稱性,分布特征與熱頂鍛試樣裂紋的分布特征相一致。
折疊造成的熱頂鍛裂紋形貌和裂紋處的金相組織特征。熱頂鍛裂紋帶呈“十字”形對稱分布，裂紋貫穿整個鼓形面。金相分析表明，裂紋處的組織與基體組織一致，裂紋呈“鋸齒”狀，裂紋深度約 0.3mmo
刮傷。
刮傷造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋的金相組織。由于母材刮傷造成的熱頂鍛裂紋，其裂紋淺,深可見底母材上的刮痕肉眼可見，在鋼材的表面質量檢驗過程中容易發現此類缺陷.金相組織表明，此類裂紋底部圓鈍，裂紋深度較淺，一般約0.2mm
防止連鑄坯皮下氣泡及局部表面針孔的措施(1 )新鋼包的前3包，不得用于冶煉20CrMnTi 齒輪鋼;(2)嚴格執行齒輪鋼的結晶器電磁攪拌工藝參數,消除連鑄坯的表面局部針尖狀氣孔；(3)認真烘烤連鑄保護渣，不得使用受潮的保護渣；(4)燒水口引流或更換水口，必須按規定的長度切除該部位的連鑄坯;(5)大包長水口與中間包浸人式水口必須采用氬氣保護澆注;(6)每個中間包第一、三、五爐鋼的澆注中期取4 ~ 8塊連鑄坯低倍樣,檢驗連鑄坯皮下氣泡與表面針孔。
防止連鑄坯偏離角裂紋的措施
齒輪鋼連鑄坯的偏離角裂紋主要由脫方引起，防止連鑄坯脫方的主要措施:（1 )將結晶器液面控制由手動改進為自動控制，液面波動控制在±3mm;
(2)定期對連鑄結晶器水縫、二冷水噴嘴進行認真維護,及時清洗結晶器水垢,及時更換被油污堵塞的二冷水噴嘴，使連鑄坯均勻冷卻;（3)每個中間包第一、 三、五爐鋼的澆注中期取4 ~ 8塊連鑄坯低倍樣,檢驗連鑄坯的低倍組織及脫方情況。一旦發現問題，及時反饋,調整連鑄丁藝 3.3防止折疊的措施
(1)定期柚檢1#、2#剪的圓樣，做酸洗檢驗觀察是否存在折疊，并判斷折疊產生的工位。據此認真進行調整，消除折疊缺陷；(2)粗軋組1#、2#機架為平輥，其余均帶孔型乳制；（3)每批齒輪鋼，在不同根鋼材上取4個樣子做熱頂鍛試驗，不合格的產品拒絕出廠。
防止刮傷的措施
(1)軋制齒輪鋼時，粗軋機的導衛全部更換為無磨損的新導衛;（2)認真調試,保證軋制線對中及導衛對中；（3)加強鋼材表面質量的檢驗，發現鋼材存在刮傷缺陷,立即停機調試,消除后方可生產。
通過對齒輪鋼熱頂鍛裂紋原因的分析實施了多項改進。2011年上半年由熱頂鍛裂紋引起的質量異議一共有7起,改進后,到目前為止，沒有發生因熱頂鍛造成的質童異議。
2012年的熱頂鍛試驗結果表明，改進后消除了 180℃對稱分布與“十字形”對稱分布的熱頂鍛裂紋。 根據對熱頂鍛試樣的研究分析，篩選出具有代表性 的試樣作為標樣放置在生產現場，方便操作人員對缺陷進行辨識與生產調控。
由于個別連鑄坯冶金缺陷造成的熱頂鍛裂紋及個別鋼材表面刮傷引發的熱頂鍛裂紋仍不能徹底杜絕，將繼續進行研究。
八鋼齒輪鋼的生產工藝流程為:70t超高功率直流電弧爐——70tLF精煉爐-150方4機4流連鑄機（結晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌)——連鑄 坯檢驗人庫——加熱——小型機組連續軋制——鋼材熱頂鍛試驗——鋼材機械性能檢驗——人庫。
熱軋齒輪圓鋼的生產技術難點主要是鋼材的熱頂鍛試驗性能不穩定，試樣易產生熱頂鍛裂紋。近年來用戶為此提出了不少的質量異議，為改進產品質量，對熱頂鍛裂紋產生原因進行了分析，并進行了相應改進。
熱頂鍛裂紋產生的主要原因
通過熱頂鍛試驗模擬用戶在齒輪制作過程中的鍛造環節，即以齒輪圓鋼直徑的2倍長度截取試樣, 并將該試樣熱鍛為原高度的1/3。熱頂鍛試樣的鼓形面上不得有裂紋、裂縫、裂口。
造成熱頂鍛裂紋的原因可歸納為兩大類：第一類為煉鋼工序產生的冶金原因;第二類為軋制原因。
冶金原因
(1)連鑄坯輕微的皮下氣泡及表面針孔。齒輪鋼的化學成分。
規定的化學成分條件之下，中于合金元素含量較高,還含有一定量的酸溶鋁,鋼水的脫氧的熱力學條件非常充分，因此，齒輪鋼連鑄坯嚴重的皮下氣泡巳經十分罕見但是輕微的局部皮下氣泡及連鑄坯的零星表面針孔卻不容忽視,會造成熱頂鍛試樣的鼓面裂紋為連鑄坯表面零星針孔造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋處的金相組織照片。熱頂鍛裂紋的主要 特征為裂口較明砧,但裂紋長度較短，通常不會貫穿鼓形面。金相組織表明，裂紋處明顯脫碳，裂紋底部呈“鴨蛋”型，裂紋深度一般0.5 ~ 1.5mm。
針孔造成的熱頂鍛裂紋形貌
連鑄場偏離角裂紋
對連鑄坯低倍組織進行抽檢，有時會發現偏離角裂紋的問題。當裂紋非常靠近連鑄坯表面時，連鑄述在加熱過程中隨著表面氧化鐵皮的脫落，裂紋會曝露出來,軋制過程無法使其焊合。熱頂鍛試驗遇到這種缺陷時，就會出現熱頂鍛裂紋。
為連鑄坯偏離角裂紋造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋處的金相組織照片熱頂鍛試樣上的裂紋裂口明顯，裂口較長，貫通整個鼓形面。金相組織表明,裂紋處明顯脫碳，裂紋較深,通常3 ~ 5mm,裂紋底部呈現尖銳角
折疊造成的熱頂鍛裂紋有兩個明顯特怔：一是有一條明顯裂紋并伴有多道輕微的裂紋，形成一條裂紋帶，其長度貫通整個試樣的鼓面;二是裂紋分布呈現出明顯的規律性，通常出現在四個對稱區間，各區域之間的間隔約90℃。熱頂鍛試樣上的裂紋帶或單獨出現,或呈現180℃對稱分布，或呈現“十字形” 對稱分布、觀察熱頂鍛試樣相鄰處的同根母材試樣,由于其表面有氧化鐵皮痕蓋，用肉眼無法辨識缺陷。但對母材試樣酸洗之后，便可發現明顯的簇狀折疊缺陷。折疊缺陷的分布具有明顯的對稱性,分布特征與熱頂鍛試樣裂紋的分布特征相一致。
折疊造成的熱頂鍛裂紋形貌和裂紋處的金相組織特征。熱頂鍛裂紋帶呈“十字”形對稱分布，裂紋貫穿整個鼓形面。金相分析表明，裂紋處的組織與基體組織一致，裂紋呈“鋸齒”狀，裂紋深度約 0.3mmo
刮傷。
刮傷造成的熱頂鍛裂紋形貌與裂紋的金相組織。由于母材刮傷造成的熱頂鍛裂紋，其裂紋淺,深可見底母材上的刮痕肉眼可見，在鋼材的表面質量檢驗過程中容易發現此類缺陷.金相組織表明，此類裂紋底部圓鈍，裂紋深度較淺，一般約0.2mm
防止連鑄坯皮下氣泡及局部表面針孔的措施(1 )新鋼包的前3包，不得用于冶煉20CrMnTi 齒輪鋼;(2)嚴格執行齒輪鋼的結晶器電磁攪拌工藝參數,消除連鑄坯的表面局部針尖狀氣孔；(3)認真烘烤連鑄保護渣，不得使用受潮的保護渣；(4)燒水口引流或更換水口，必須按規定的長度切除該部位的連鑄坯;(5)大包長水口與中間包浸人式水口必須采用氬氣保護澆注;(6)每個中間包第一、三、五爐鋼的澆注中期取4 ~ 8塊連鑄坯低倍樣,檢驗連鑄坯皮下氣泡與表面針孔。
防止連鑄坯偏離角裂紋的措施
齒輪鋼連鑄坯的偏離角裂紋主要由脫方引起，防止連鑄坯脫方的主要措施:（1 )將結晶器液面控制由手動改進為自動控制，液面波動控制在±3mm;
(2)定期對連鑄結晶器水縫、二冷水噴嘴進行認真維護,及時清洗結晶器水垢,及時更換被油污堵塞的二冷水噴嘴，使連鑄坯均勻冷卻;（3)每個中間包第一、 三、五爐鋼的澆注中期取4 ~ 8塊連鑄坯低倍樣,檢驗連鑄坯的低倍組織及脫方情況。一旦發現問題，及時反饋,調整連鑄丁藝 3.3防止折疊的措施
(1)定期柚檢1#、2#剪的圓樣，做酸洗檢驗觀察是否存在折疊，并判斷折疊產生的工位。據此認真進行調整，消除折疊缺陷；(2)粗軋組1#、2#機架為平輥，其余均帶孔型乳制；（3)每批齒輪鋼，在不同根鋼材上取4個樣子做熱頂鍛試驗，不合格的產品拒絕出廠。
防止刮傷的措施
(1)軋制齒輪鋼時，粗軋機的導衛全部更換為無磨損的新導衛;（2)認真調試,保證軋制線對中及導衛對中；（3)加強鋼材表面質量的檢驗，發現鋼材存在刮傷缺陷,立即停機調試,消除后方可生產。
通過對齒輪鋼熱頂鍛裂紋原因的分析實施了多項改進。2011年上半年由熱頂鍛裂紋引起的質量異議一共有7起,改進后,到目前為止，沒有發生因熱頂鍛造成的質童異議。
2012年的熱頂鍛試驗結果表明，改進后消除了 180℃對稱分布與“十字形”對稱分布的熱頂鍛裂紋。 根據對熱頂鍛試樣的研究分析，篩選出具有代表性 的試樣作為標樣放置在生產現場，方便操作人員對缺陷進行辨識與生產調控。
由于個別連鑄坯冶金缺陷造成的熱頂鍛裂紋及個別鋼材表面刮傷引發的熱頂鍛裂紋仍不能徹底杜絕，將繼續進行研究。
