镁对20MnCr5齿轮钢中夹杂物的改质研究

摘要：20MnCr5齿轮钢通常有较好的疲劳性能及切削性能,而钢中夹杂物是影响这些性能的重要因素。为了研究镁对20MnCr5齿轮钢中夹杂物的改质行为和规律,开展了相应的工业实验,采用金相显微镜、扫描电镜以及非水溶液电解腐蚀技术对铸坯和轧材进行了分析。结果表明：镁处理后,钢液更加洁净,夹杂物数量变少,尺寸也变小;以Al2O3为核心外围包裹着MnS的复合夹杂,转变为以MgO·Al2O3为核心外围包裹着MnS的复合夹杂物,且复合夹杂物的占比从4.2%提高到8.3%。对轧材进行分析,发现镁的加入使20MnCr5轧材中长条状的硫化物更加短小弥散,硫化物的细系评级从2.5级显著降低到1.5级;由于复合夹杂物内部硬质MgO·Al2O3核心抑制了轧制过程中夹杂物的变形,使夹杂物保持球形或椭球形。     

20MnCr5齿轮钢氧含量控制及其对钢的疲劳性能影响

提出了100 t EAF-LF-VD-CC-CR全流程控制齿轮钢氧含量的工艺措施;研究了0.00053%～0.00145%氧含量20MnCr5齿轮钢的旋转弯曲疲劳性能、断口和夹杂物尺寸。结果表明,钢中总氧含量越高,最大夹杂物尺寸也越大,疲劳强度越低,当[O]≤0.0010%时,随[O]降低,疲劳强度升高幅度较小;试验钢在表层不产生疲劳裂纹的临界夹杂物尺寸为21μm,距表面深度30～430μm的浅层区域为相对安全区域,其中的夹杂物很难引起疲劳开裂。     

高品质齿轮钢28MnCr5的开发

山东莱芜钢铁集团股份有限公司采用"EAF→LF→VD→CC"工艺开发了28MnCr5齿轮钢,通过精确控制钢中C、Si、S、P等元素,得到能够满足成分要求的钢水。试验结果表明:采用该工艺生产高品质汽车用28MnCr5齿轮钢铸坯w(T.O)≤15×10-6,夹杂物种类、形态和尺寸得到有效控制,淬透性满足要求。     

20MnCr5齿轮钢连铸坯中硫化物三维形貌的解析

20MnCr5齿轮钢具有良好的疲劳和易切削性能匹配,钢中硫化物形态与分布是影响材料性能的重要因素。为了探究20MnCr5齿轮钢连铸坯中硫化物的三维形貌及分布规律,采用金相显微镜、扫描电镜以及三维腐刻技术对连铸坯进行了分析。结果表明:20MnCr5连铸坯中硫化物主要类型为MnS、MnS+Al₂O₃复合夹杂物,铸坯中硫化物尺寸由边部激冷层到中心等轴晶区呈先增大后减小的趋势。激冷层中硫化物三维形态主要为椭球状和长条状,各占一半左右;在柱状晶区末端椭球状减小到不足10%,长条状和不规则状占比分别为55%和35%,并开始出现少量八面体状;中心等轴晶区硫化物不规则状占比增大到60%,长条状占比减小到约30%,八面体状约占10%,椭球状占比减小到不足5%。在连铸坯不同区域主要的硫化物三维形态不同,激冷层为椭球状和长条状,柱状晶区为长条状,等轴晶区为不规则状。     

20MnCr5齿轮钢连铸坯中硫化物三维形貌的解析

20MnCr5齿轮钢具有良好的疲劳和易切削性能匹配,钢中硫化物形态与分布是影响材料性能的重要因素。为了探究20MnCr5齿轮钢连铸坯中硫化物的三维形貌及分布规律,采用金相显微镜、扫描电镜以及三维腐刻技术对连铸坯进行了分析。结果表明:20MnCr5连铸坯中硫化物主要类型为MnS、MnS+Al₂O₃复合夹杂物,铸坯中硫化物尺寸由边部激冷层到中心等轴晶区呈先增大后减小的趋势。激冷层中硫化物三维形态主要为椭球状和长条状,各占一半左右;在柱状晶区末端椭球状减小到不足10%,长条状和不规则状占比分别为55%和35%,并开始出现少量八面体状;中心等轴晶区硫化物不规则状占比增大到60%,长条状占比减小到约30%,八面体状约占10%,椭球状占比减小到不足5%。在连铸坯不同区域主要的硫化物三维形态不同,激冷层为椭球状和长条状,柱状晶区为长条状,等轴晶区为不规则状。     

含硫齿轮钢20CrMnTiH中硫化物对切削性能的影响

在不同切削速度(200～230 m/min)和切削深度(0.5～2 mm)下试验研究了普通20CrMnTiH齿轮钢(0.006%S)和含硫20CrMnTiH齿轮钢(0.031%S)的切削性能。结果表明,随切削速度增大,刀具的磨损增大,在200 m/min,0.031%S钢是0.006%S钢刀具的使用寿命的2.8倍;在230 m/min,0.031%S钢是0.006%S钢刀具使用寿命的2.6倍;随切削深度增加,切削力增加,但在相同切削深度下,0.031%S钢的切削力低于普通0.006%S钢;由于0.031%S钢存在≤6μm的MnS夹杂,使切屑易断,并硫化物夹杂能够包裹Al₂O₃尖晶石夹杂,减少刀具磨损,提高钢材的切削性能。     

LF(VD)精炼工艺对控制28MnCr5齿轮钢中硫和硫化物的影响

试验了45 t LF精炼渣的碱度、喂硫线和脱氧工艺对28MnCr5钢(％:0.25～0.30C、0.60～0.80Mn、0.020～0.035S、0.80～1.00Cr)硫含量的控制、氧化物含量和钢中硫化物的影响。结果表明,LF精炼渣碱度控制在2.8～5.1喂硫线,VD后硫的回收率达80％～90％;钢中氧化物级别≤1.5级;精炼结束喂适量CaSi线可改善钢中硫化物的形貌。     

顶渣改质工艺对IF钢夹杂物的影响

为研究顶渣改质工艺对无间隙原子钢 (IF钢) 顶渣氧化性与钢中夹杂物的影响, 在不同改质工艺中的多个位置取渣样和钢样进行分析.结果表明:在氩站加入改质剂的改质效果最好.以渣中全铁和氧化锰质量分数w (T.Fe+MnO) 表示炉渣的氧化性, 改质前后炉渣氧化性下降了8.73%.与真空循环脱气 (RH) 脱氧合金化后和RH精炼结束后加入改质剂改质工艺相比, 氩站改质工艺条件下的中包夹杂物数量密度分别下降了38.5%和36.0%.RH精炼结束后, 钢中夹杂物数量较少, 但在炉渣氧化性高时, 炉渣向钢中传氧, 使中包钢中夹杂物上升.     

控制20CrMnTiH齿轮钢氧含量和夹杂物的生产试验

20CrMnTiH钢的工艺流程为100 t转炉-LF-VD-方坯连铸-轧制。通过采取提高转炉出钢[C]≥0.08%,优化LF精炼渣系,控制渣中CaO/Al₂O₃ 1.5～1.7,用喂SiCa线代替喂Ca线,防止钢水二次氧化等措施,20CrMnTiH齿轮钢氧含量0.001 5%～0.001 9%和夹杂物级别≤1.5。     

镧对纯净钢夹杂物和耐腐蚀的影响

通过观察纯净钢中稀土夹杂物的形态，测试电化学腐蚀EIS谱和极化曲线，研究稀土元素镧对纯净钢耐腐蚀性能的影响。试验结果表明，镧加入纯净钢中，可变质夹杂物和改善夹杂物形态，从而提高了纯净钢耐腐蚀性能。     

20CrNiMoH齿轮钢中夹杂物的来源分析

为改善20CrNiMoH齿轮钢的质量,减少钢中夹杂物含量,采用大样电解法提取钢中大型夹杂物,测定其含量,并分析其粒度及成因,对该钢种生产工艺提供改进依据.     

超低氧齿轮钢28MnCr5中镁铝尖晶石夹杂物的控制

利用FactSage软件对28MnCr5钢液和镁铝尖晶石夹杂物的平衡反应进行了分析,当w[Al]在0.02%~0.04%之间,w[Mg](0.39~0.42)×10-6的临界范围时开始生成镁铝尖晶石。计算发现:在现有28MnCr5钢精炼工艺条件下,钢液中会不可避免生成镁铝尖晶石夹杂物。当钢液w[Mg]8.5×10-6时,加入钙不能使其转变成低熔点液态夹杂物;而当钢液w[Mg]小于此值时,增加w[Ca]时,夹杂物按照"镁铝尖晶石→CaO-Al2O3-MgO系液态夹杂物→CaO"路径转变,钢液w[Ca]增加至3×10-6左右时均能将其转化为CaO-Al2O3-MgO系液态夹杂物。计算表明,精炼渣还原提供的[Ca]不能使28MnCr5钢中镁铝尖晶石夹杂物完全变性,须采用向钢液中喂钙线等手段来提高钢液中的钙含量。     

钙处理对20CrMo齿轮钢硫化物夹杂的影响

在热力学计算的基础上,分析了20CrMo含硫齿轮钢钙处理的工艺条件,并对某厂钙处理后的含硫齿轮钢轧材进行了取样研究。结果表明,RH破空后钙处理的钢水中,硫化物和钙铝酸盐能结合生成复合纺锤状和低熔点夹杂;同时,钙处理前钢中w(O)控制在10×10-6以下,可使加入的钙充分对Al2O3、硫化物进行变性,并有利于形成以MnS为核心的氧硫复合夹杂;而且钢水铝脱氧后调整钢中w(AlS)=0.015%～0.025%,并在温度较高时喂Si-Ca线,可减少凝固过程中硫的偏析。该厂通过钙处理工艺生产的含硫齿轮钢夹杂物形貌良好,各项性能均达到客户的要求。     

氧含量对硫系易切削钢切削性能的影响

研究了氧含量对硫系易切削钢中硫化物夹杂及对切削性能的影响。结果表明：在一定范围内,钢中氧含量越高越有利于改善切削性能,其原因是氧含量高时,钢中会形成大量的纺锤形（Mn、Fe）（S、O）复合夹杂物。在切削过程中,这类硫化物能割断基体的连续性,在刀具表面形成一层保护膜,从而降低刀具的磨损。实验室切削试验表明：w（O）=0．014％时,硫系易切削钢的切削性能优于45钢,能够获得理想的切削性能。     

易切削钢中夹杂物的纳米压痕表征

利用纳米压痕技术对钢中BN、MnS、Al₂O₃、TiN等夹杂物进行纳米压痕表征,详细讨论了BN夹杂物对钢的切削性能的改善作用,并分析了纳米压痕表征及宏观硬度测量的误差.研究表明：铸态BN夹杂物硬度低于MnS夹杂物,锻造态BN夹杂物硬度高于MnS夹杂物,三者均远低于钢基体;铸态与锻造态BN夹杂物均能在钢中起到应力集中源、润滑及包裹硬质点的作用,改善钢的切削性能;纳米压痕表征及宏观硬度测量均存在一定的误差.     

碲处理对15-5PH钢中硫化物夹杂改性的作用

155PH沉淀硬化不锈钢具有优良的机械加工性能,而钢中夹杂物可以对其性能造成显著影响.在加工时,长条状的硫化物夹杂往往会导致含硫钢的横向性能下降,呈现出明显的各向异性,进而导致材料因断裂而失效.为了研究碲处理对钢中硫化物形貌的影响,利用高温试验、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)及统计方法,研究了碲处理对15-5PH钢...