20CrMnTi齒輪鋼中氮含量對(duì)硫化物夾雜的影響

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 08:17

齒輪鋼在很多材料領(lǐng)域中廣泛使用，隨著中國車輛機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，齒輪鋼的市場需求量越來越多，其中20CrMnti是齒輪用鋼的主導(dǎo)品種。齒輪鋼擁有較高的強(qiáng)韌性、耐磨性、疲勞強(qiáng)度。當(dāng)鋼中有較多MnS夾雜物時(shí)，MnS夾雜作為應(yīng)力集中源，割斷了基體的連續(xù)性而使切削易斷，以及具有潤滑作用降低刀具磨損，并且硫化物夾雜能包裹Al2O3尖晶石類硬質(zhì)夾雜物而減少刀具磨損。從而改善了鋼材的切削加工性能。為了使齒輪鋼在加工時(shí)提高其切削性能，目前國內(nèi)外將齒輪鋼的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.025%~0.040%。

然而由于鋼坯在熱軋制過程中，鋼坯中的MnS夾雜物會(huì)沿著軋制方向伸長，當(dāng)鋼材中的MnS夾雜物形態(tài)呈現(xiàn)為細(xì)長條狀分布時(shí)，將會(huì)降低垂直于軋制方向的延性和韌性，加劇鋼材的各向異性，材料的橫向沖擊斷開為木紋狀斷口，使橫向沖擊韌性值降低。文獻(xiàn)指出當(dāng)鋼材中硫化物形態(tài)為橢圓形均勻分布及極少量條狀時(shí)，相比于細(xì)長條及少量橢圓形且分布不均勻的切削性能好、橫向沖擊韌高。本文通過對(duì)鋼中MnS夾雜進(jìn)行改性試驗(yàn)，控制鋼中MnS夾雜物形貌特征，以改善鋼材中硫化物的尺寸大小。
1、20CrMnTi鋼硫化物控制現(xiàn)狀
鋼廠生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪鋼硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.025%~0.035%，主要化學(xué)成分見表1。

冶煉20CrMnTi時(shí)采用“90t轉(zhuǎn)爐吹煉LF精煉RH真空處理150mm×150mm方坯連鑄”流程，原工藝條件下，軋材金相高倍下硫化物夾雜形貌分布如圖1所示，硫化物夾雜成分均為MnS，此鋼的A類硫化物均為細(xì)長條形，夾雜物按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561評(píng)定達(dá)到3.0~3.5級(jí)。
為了控制MnS夾雜物的長寬比，使其形態(tài)為紡錘狀，且均勻分布，諸多鋼廠采用鋼水鈣處理獲得有核心的(Mn，Ca)S球形或紡錘狀復(fù)合夾雜物，也有通過加入稀土對(duì)MnS夾雜進(jìn)行變性處理，形成高硬度不易變形的稀土硫化物或稀土硫氧化物改善MnS形態(tài)。但從目前的工藝技術(shù)研究和運(yùn)用上看，對(duì)于含0.025%~0.035%硫和0.020%左右鋁的20 CrMnTi鋼，采用鈣處理對(duì)硫化物夾雜進(jìn)行變性時(shí)，鋼水中的氧化鋁夾雜很難變性為12(CaO)·7(Al2O3)，工藝一旦掌握不好，不但不能使氧化物和硫化物夾雜很好地變性，反而容易造成連鑄浸入式水口結(jié)瘤。
鋼廠針對(duì)含硫含鋁鋼可澆性進(jìn)行了相關(guān)的工藝優(yōu)化，通過抑制CaS生成，使鋼中氧化物夾雜物仍以鈣鋁酸鹽為主，可顯著改善鋼水可澆性，但該工藝對(duì)鋼中硫化物夾雜形貌的控制方面沒有改善作用。對(duì)于含鈦鋼種，吳樹漂等認(rèn)為，冶煉過程中控制好TiN的形狀或使其變性，可以消除其對(duì)疲勞壽命的影響。該鋼廠現(xiàn)有工藝條件下生產(chǎn)的20 CrMnTi鋼中含有0.04%~0.08%的鈦、0.0030%~0.0040%的氮。本文利用鋼水凝固過程中TiN和MnS的結(jié)合變性思路進(jìn)行工藝的優(yōu)化試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)既可控制TiN又可改變硫化物夾雜的形態(tài)、尺寸及組成。
2、TiN和MnS析出熱力學(xué)計(jì)算
鋼液在連鑄澆鑄過程中，隨著溫度的降低，Ti和N的溶解度逐漸降低，當(dāng)其溶度積超過平衡溶度積時(shí)，TiN即析出。MnS亦然。
按照表1的20 CrMnTi鋼的化學(xué)成分，計(jì)算得到液相線和固相線溫度分別為1508和1445℃。由熱力學(xué)計(jì)算分析可以得到，20CrMnTi鋼中的TiN和MnS均在固液兩相區(qū)析出。具備了TiN與MnS在相鄰的凝固溫度下先后析出。
原工藝條件下，硫化物析出的附近存在片狀氮化鈦，之所以TiN和MnS平行析出而沒有以TiN為核心的MnS，主要是因?yàn)閮烧叩奈龀鰷囟冉咏膱D3和圖4的比對(duì)可發(fā)現(xiàn)，通過增加鋼中氮含量可以使TiN在更高的溫度下析出，優(yōu)先與MnS析出，從而使更多的MnS夾雜能以TiN為形核核心，使A類夾雜物改性從而改善其形態(tài)。

3、鋼中不同氮含量對(duì)硫化物影響的試驗(yàn)研究
基于熱力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，分析研究20 CrMnTi鋼中含有不同氮含量下，*終軋材A類硫化物夾雜的形貌、組元變化情況。
3.1 試驗(yàn)方案
20CrMnTi鋼在原冶煉生產(chǎn)工藝不變的條件下，使用不影響鋼水潔凈度的RH真空處理過程增氮技術(shù)，鋼水在RH處理過程中使用氮?dú)庾鳛樘嵘龤怏w，并保持不同的時(shí)間達(dá)到鋼水增氮，使鋼中的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原工藝0.0035%左右分別增加到0.0055%左右和0.0075%左右，然后通過相同的軋鋼工藝、壓縮比進(jìn)行軋制。

試驗(yàn)方案見表3，試驗(yàn)得到氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0035%、0.0057%和0.0073%的鋼坯，對(duì)3種氮含量的鋼坯進(jìn)行軋制，并對(duì)軋材進(jìn)行金相檢驗(yàn)和夾雜物的 SEM-EDS分析。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
3種氮含量的軋材按照GB/T10561-2005進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，檢驗(yàn)評(píng)級(jí)結(jié)果見表4。可以看出，鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.0050%后，A類夾雜物有明顯改善，尤其是鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0053%時(shí)，相比氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0035%的非金屬夾雜A類由細(xì)系3.5級(jí)降低到1.0級(jí)。

圖5所示為不同氮含量鋼軋材中非金屬A類夾雜的形貌、分布，與鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0035%的相比(圖1)，鋼中氮含量高后，A類夾雜物變的短小、均勻分散。而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0073%的鋼中長條狀硫化物要多一些，且出現(xiàn)了大顆粒的TiN。如圖3中的點(diǎn)“4”，鋼中氮含量過高，TiN在兩相區(qū)過早析出，而過早析出的TiN存在聚集長大的條件。

在實(shí)際的生產(chǎn)試驗(yàn)中，鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.0073%后，鋼中析出的TiN尺寸*大達(dá)到16m，如圖5(b)所示，而要使TiN作為形核核心，其顆粒必須細(xì)小、彌散，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0057%的鋼中沒有出現(xiàn)單獨(dú)的大尺寸的TiN，其A類夾雜物控制*好，這一結(jié)果與理論分析的結(jié)果相符合。
3.2.1 A類夾雜數(shù)量和尺寸變化
利用掃描電鏡對(duì)鋼中A類夾雜物進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析，3種氮含量鋼中單位面積A類夾雜物尺數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

A類夾雜物的總數(shù)量上變化不大，w([N])>0.0040%的鋼中每平方毫米小于10m的A類夾雜物數(shù)量相比w([N])0.0035%的鋼增加19%，10~30μm的增加10%。w([N])=0.0035%的鋼中30~50m的A類夾雜物數(shù)量只有29個(gè)/mm2，而w ([N])=0.0057%鋼中30~50m的A類夾雜物數(shù)量*多(67個(gè)mm2)，同比增加了22%。可見，鋼中氮含量增加后A類夾雜物長條狀的變少，短狀變多。
含0.0057%氮的鋼中不大于50μm的A類夾雜物單位面積數(shù)量占比達(dá)89%，要比含0.0073%氮的鋼多22%，含0.0057%氮的鋼基本沒有大于100μm的A類夾雜物，而含0.0073%氮的鋼有占比8.8%的A類夾雜物大于100μm。可見鋼中氮含量過高后，對(duì)鋼中硫化物的改性效果減弱。
3.2.2 A類夾雜物組成變化
對(duì)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0057%的軋材中A類夾雜物進(jìn)行 SEM-EDS分析，圖7所示為A類夾雜物形貌及面掃結(jié)果，圖8所示為A類夾雜物的能譜分析結(jié)果。可以看出，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0057%的鋼A類夾雜物相比于氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0035%鋼的純MnS夾雜物，多數(shù)夾雜物為Mn、S、Ti、N的復(fù)合夾雜物，以及芯部為TiN周圍包裹著MnS的夾雜。
從對(duì)20 CrMnTi鋼不同氮含量下A類夾雜物的分析結(jié)果看，通過適當(dāng)提高鋼中的氮含量，有利于使鋼中TiN優(yōu)先于MnS析出，為MnS夾雜物提供了形核核心，進(jìn)而使硫化物變性為含Ti和N的復(fù)合夾雜。達(dá)到了對(duì)硫化物夾雜物的氮化鈦改性，*終使軋材中的硫化物夾雜呈小型態(tài)。
3.3 鋼的低倍及性能變化
為確認(rèn)鋼中氮含量增加后鋼材性能的影響，對(duì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0035%和0.0057%的鑄壞同時(shí)軋制成∮0mm熱軋材進(jìn)行力學(xué)性能、末端淬透性及低倍組織等比對(duì)材進(jìn)行比對(duì)分析，檢驗(yàn)比對(duì)結(jié)果見表5和表6。

進(jìn)口直讀光譜儀

可以看出，鋼中適量增加氮含量后鋼材的性能略有改變，方案一比原工藝的軋材屈服和抗拉盛度降低50MPa左右，U型沖擊吸收功相提高了5-10J，硬度降低2HBW左右。通過提高鋼中氮含量改善A類夾雜，有利于提高鋼材的沖擊韌性。
4、結(jié)論
(1)20CrMnti鋼中的TiN、MnS夾雜不會(huì)在液相線溫度以上析出，而是在液相線和固相線之間開始析出。通過增加鋼中氮含量可以使TiN在更高的溫度下析出，優(yōu)先于MnS析出。
(2)鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0035%增加到0.0050%~0.0080%可明顯改善非金屬夾雜A類細(xì)系等級(jí)，尤其氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.0055%左右，A類細(xì)系由原來的3.5級(jí)降低到1.0級(jí)。
(3)鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0057%增加到0.0073%，鋼中TiN在兩相區(qū)過早的析出、長大，析出的TiN顆粒尺寸*大達(dá)到16m，不利于MnS夾雜物的形核析出，A類夾雜形貌改善不明顯。
(4)鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.0055%左右，小于10m的A類夾雜物數(shù)量相比增加19%，10~30m的增加10%，30~50m的增加22%，A類夾雜物長條狀的變少，變得短小、均勻分散，A類夾雜物改性為Mn、S、Ti、N的復(fù)合夾雜物，以及芯部TiN、周圍包裹著MnS的復(fù)合夾雜。

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