20CrMnTi热轧齿轮圆钢热顶锻裂纹分析与改进措施
2021-06-30 16:10
山西中重
八钢每年生产20CrMnTi热轧齿轮钢约3万t， 规格尺寸为0.18 ~ 0.32mm。产品用于制作摩托车轴类零件与摩托车齿轮类零件。
八钢齿轮钢的生产工艺流程为:70t超高功率直流电弧炉——70tLF精炼炉-150方4机4流连铸机（结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌)——连铸 坯检验人库——加热——小型机组连续轧制——钢材热顶锻试验——钢材机械性能检验——人库。
热轧齿轮圆钢的生产技术难点主要是钢材的热顶锻试验性能不稳定，试样易产生热顶锻裂纹。近年来用户为此提出了不少的质量异议，为改进产品质量，对热顶锻裂纹产生原因进行了分析，并进行了相应改进。
热顶锻裂纹产生的主要原因
通过热顶锻试验模拟用户在齿轮制作过程中的锻造环节，即以齿轮圆钢直径的2倍长度截取试样, 并将该试样热锻为原高度的1/3。热顶锻试样的鼓形面上不得有裂纹、裂缝、裂口。
造成热顶锻裂纹的原因可归纳为两大类：第一类为炼钢工序产生的冶金原因;第二类为轧制原因。
冶金原因
(1)连铸坯轻微的皮下气泡及表面针孔。齿轮钢的化学成分。
规定的化学成分条件之下，中于合金元素含量较高,还含有一定量的酸溶铝,钢水的脱氧的热力学条件非常充分，因此，齿轮钢连铸坯严重的皮下气泡巳经十分罕见但是轻微的局部皮下气泡及连铸坯的零星表面针孔却不容忽视,会造成热顶锻试样的鼓面裂纹为连铸坯表面零星针孔造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹处的金相组织照片。热顶锻裂纹的主要 特征为裂口较明砧,但裂纹长度较短，通常不会贯穿鼓形面。金相组织表明，裂纹处明显脱碳，裂纹底部呈“鸭蛋”型，裂纹深度一般0.5 ~ 1.5mm。
针孔造成的热顶锻裂纹形貌
连铸场偏离角裂纹
对连铸坯低倍组织进行抽检，有时会发现偏离角裂纹的问题。当裂纹非常靠近连铸坯表面时，连铸述在加热过程中随着表面氧化铁皮的脱落，裂纹会曝露出来,轧制过程无法使其焊合。热顶锻试验遇到这种缺陷时，就会出现热顶锻裂纹。
为连铸坯偏离角裂纹造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹处的金相组织照片热顶锻试样上的裂纹裂口明显，裂口较长，贯通整个鼓形面。金相组织表明,裂纹处明显脱碳，裂纹较深,通常3 ~ 5mm,裂纹底部呈现尖锐角
轧制原因
折叠造成的热顶锻裂纹有两个明显特怔：一是有一条明显裂纹并伴有多道轻微的裂纹，形成一条裂纹带，其长度贯通整个试样的鼓面;二是裂纹分布呈现出明显的规律性，通常出现在四个对称区间，各区域之间的间隔约90℃。热顶锻试样上的裂纹带或单独出现,或呈现180℃对称分布，或呈现“十字形” 对称分布、观察热顶锻试样相邻处的同根母材试样,由于其表面有氧化铁皮痕盖，用肉眼无法辨识缺陷。但对母材试样酸洗之后，便可发现明显的簇状折叠缺陷。折叠缺陷的分布具有明显的对称性,分布特征与热顶锻试样裂纹的分布特征相一致。
折叠造成的热顶锻裂纹形貌和裂纹处的金相组织特征。热顶锻裂纹带呈“十字”形对称分布，裂纹贯穿整个鼓形面。金相分析表明，裂纹处的组织与基体组织一致，裂纹呈“锯齿”状，裂纹深度约 0.3mmo
刮伤。
刮伤造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹的金相组织。由于母材刮伤造成的热顶锻裂纹，其裂纹浅,深可见底母材上的刮痕肉眼可见，在钢材的表面质量检验过程中容易发现此类缺陷.金相组织表明，此类裂纹底部圆钝，裂纹深度较浅，一般约0.2mm
防止连铸坯皮下气泡及局部表面针孔的措施(1 )新钢包的前3包，不得用于冶炼20CrMnTi 齿轮钢;(2)严格执行齿轮钢的结晶器电磁搅拌工艺参数,消除连铸坯的表面局部针尖状气孔；(3)认真烘烤连铸保护渣，不得使用受潮的保护渣；(4)烧水口引流或更换水口，必须按规定的长度切除该部位的连铸坯;(5)大包长水口与中间包浸人式水口必须采用氩气保护浇注;(6)每个中间包第一、三、五炉钢的浇注中期取4 ~ 8块连铸坯低倍样,检验连铸坯皮下气泡与表面针孔。
防止连铸坯偏离角裂纹的措施
齿轮钢连铸坯的偏离角裂纹主要由脱方引起，防止连铸坯脱方的主要措施:（1 )将结晶器液面控制由手动改进为自动控制，液面波动控制在±3mm;
(2)定期对连铸结晶器水缝、二冷水喷嘴进行认真维护,及时清洗结晶器水垢,及时更换被油污堵塞的二冷水喷嘴，使连铸坯均匀冷却;（3)每个中间包第一、 三、五炉钢的浇注中期取4 ~ 8块连铸坯低倍样,检验连铸坯的低倍组织及脱方情况。一旦发现问题，及时反馈,调整连铸丁艺 3.3防止折叠的措施
(1)定期柚检1#、2#剪的圆样，做酸洗检验观察是否存在折叠，并判断折叠产生的工位。据此认真进行调整，消除折叠缺陷；(2)粗轧组1#、2#机架为平辊，其余均带孔型乳制；（3)每批齿轮钢，在不同根钢材上取4个样子做热顶锻试验，不合格的产品拒绝出厂。
防止刮伤的措施
(1)轧制齿轮钢时，粗轧机的导卫全部更换为无磨损的新导卫;（2)认真调试,保证轧制线对中及导卫对中；（3)加强钢材表面质量的检验，发现钢材存在刮伤缺陷,立即停机调试,消除后方可生产。
通过对齿轮钢热顶锻裂纹原因的分析实施了多项改进。2011年上半年由热顶锻裂纹引起的质量异议一共有7起,改进后,到目前为止，没有发生因热顶锻造成的质童异议。
2012年的热顶锻试验结果表明，改进后消除了 180℃对称分布与“十字形”对称分布的热顶锻裂纹。 根据对热顶锻试样的研究分析，筛选出具有代表性 的试样作为标样放置在生产现场，方便操作人员对缺陷进行辨识与生产调控。
由于个别连铸坯冶金缺陷造成的热顶锻裂纹及个别钢材表面刮伤引发的热顶锻裂纹仍不能彻底杜绝，将继续进行研究。
八钢齿轮钢的生产工艺流程为:70t超高功率直流电弧炉——70tLF精炼炉-150方4机4流连铸机（结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌)——连铸 坯检验人库——加热——小型机组连续轧制——钢材热顶锻试验——钢材机械性能检验——人库。
热轧齿轮圆钢的生产技术难点主要是钢材的热顶锻试验性能不稳定，试样易产生热顶锻裂纹。近年来用户为此提出了不少的质量异议，为改进产品质量，对热顶锻裂纹产生原因进行了分析，并进行了相应改进。
热顶锻裂纹产生的主要原因
通过热顶锻试验模拟用户在齿轮制作过程中的锻造环节，即以齿轮圆钢直径的2倍长度截取试样, 并将该试样热锻为原高度的1/3。热顶锻试样的鼓形面上不得有裂纹、裂缝、裂口。
造成热顶锻裂纹的原因可归纳为两大类：第一类为炼钢工序产生的冶金原因;第二类为轧制原因。
冶金原因
(1)连铸坯轻微的皮下气泡及表面针孔。齿轮钢的化学成分。
规定的化学成分条件之下，中于合金元素含量较高,还含有一定量的酸溶铝,钢水的脱氧的热力学条件非常充分，因此，齿轮钢连铸坯严重的皮下气泡巳经十分罕见但是轻微的局部皮下气泡及连铸坯的零星表面针孔却不容忽视,会造成热顶锻试样的鼓面裂纹为连铸坯表面零星针孔造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹处的金相组织照片。热顶锻裂纹的主要 特征为裂口较明砧,但裂纹长度较短，通常不会贯穿鼓形面。金相组织表明，裂纹处明显脱碳，裂纹底部呈“鸭蛋”型，裂纹深度一般0.5 ~ 1.5mm。
针孔造成的热顶锻裂纹形貌
连铸场偏离角裂纹
对连铸坯低倍组织进行抽检，有时会发现偏离角裂纹的问题。当裂纹非常靠近连铸坯表面时，连铸述在加热过程中随着表面氧化铁皮的脱落，裂纹会曝露出来,轧制过程无法使其焊合。热顶锻试验遇到这种缺陷时，就会出现热顶锻裂纹。
为连铸坯偏离角裂纹造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹处的金相组织照片热顶锻试样上的裂纹裂口明显，裂口较长，贯通整个鼓形面。金相组织表明,裂纹处明显脱碳，裂纹较深,通常3 ~ 5mm,裂纹底部呈现尖锐角
折叠造成的热顶锻裂纹有两个明显特怔：一是有一条明显裂纹并伴有多道轻微的裂纹，形成一条裂纹带，其长度贯通整个试样的鼓面;二是裂纹分布呈现出明显的规律性，通常出现在四个对称区间，各区域之间的间隔约90℃。热顶锻试样上的裂纹带或单独出现,或呈现180℃对称分布，或呈现“十字形” 对称分布、观察热顶锻试样相邻处的同根母材试样,由于其表面有氧化铁皮痕盖，用肉眼无法辨识缺陷。但对母材试样酸洗之后，便可发现明显的簇状折叠缺陷。折叠缺陷的分布具有明显的对称性,分布特征与热顶锻试样裂纹的分布特征相一致。
折叠造成的热顶锻裂纹形貌和裂纹处的金相组织特征。热顶锻裂纹带呈“十字”形对称分布，裂纹贯穿整个鼓形面。金相分析表明，裂纹处的组织与基体组织一致，裂纹呈“锯齿”状，裂纹深度约 0.3mmo
刮伤。
刮伤造成的热顶锻裂纹形貌与裂纹的金相组织。由于母材刮伤造成的热顶锻裂纹，其裂纹浅,深可见底母材上的刮痕肉眼可见，在钢材的表面质量检验过程中容易发现此类缺陷.金相组织表明，此类裂纹底部圆钝，裂纹深度较浅，一般约0.2mm
防止连铸坯皮下气泡及局部表面针孔的措施(1 )新钢包的前3包，不得用于冶炼20CrMnTi 齿轮钢;(2)严格执行齿轮钢的结晶器电磁搅拌工艺参数,消除连铸坯的表面局部针尖状气孔；(3)认真烘烤连铸保护渣，不得使用受潮的保护渣；(4)烧水口引流或更换水口，必须按规定的长度切除该部位的连铸坯;(5)大包长水口与中间包浸人式水口必须采用氩气保护浇注;(6)每个中间包第一、三、五炉钢的浇注中期取4 ~ 8块连铸坯低倍样,检验连铸坯皮下气泡与表面针孔。
防止连铸坯偏离角裂纹的措施
齿轮钢连铸坯的偏离角裂纹主要由脱方引起，防止连铸坯脱方的主要措施:（1 )将结晶器液面控制由手动改进为自动控制，液面波动控制在±3mm;
(2)定期对连铸结晶器水缝、二冷水喷嘴进行认真维护,及时清洗结晶器水垢,及时更换被油污堵塞的二冷水喷嘴，使连铸坯均匀冷却;（3)每个中间包第一、 三、五炉钢的浇注中期取4 ~ 8块连铸坯低倍样,检验连铸坯的低倍组织及脱方情况。一旦发现问题，及时反馈,调整连铸丁艺 3.3防止折叠的措施
(1)定期柚检1#、2#剪的圆样，做酸洗检验观察是否存在折叠，并判断折叠产生的工位。据此认真进行调整，消除折叠缺陷；(2)粗轧组1#、2#机架为平辊，其余均带孔型乳制；（3)每批齿轮钢，在不同根钢材上取4个样子做热顶锻试验，不合格的产品拒绝出厂。
防止刮伤的措施
(1)轧制齿轮钢时，粗轧机的导卫全部更换为无磨损的新导卫;（2)认真调试,保证轧制线对中及导卫对中；（3)加强钢材表面质量的检验，发现钢材存在刮伤缺陷,立即停机调试,消除后方可生产。
通过对齿轮钢热顶锻裂纹原因的分析实施了多项改进。2011年上半年由热顶锻裂纹引起的质量异议一共有7起,改进后,到目前为止，没有发生因热顶锻造成的质童异议。
2012年的热顶锻试验结果表明，改进后消除了 180℃对称分布与“十字形”对称分布的热顶锻裂纹。 根据对热顶锻试样的研究分析，筛选出具有代表性 的试样作为标样放置在生产现场，方便操作人员对缺陷进行辨识与生产调控。
由于个别连铸坯冶金缺陷造成的热顶锻裂纹及个别钢材表面刮伤引发的热顶锻裂纹仍不能彻底杜绝，将继续进行研究。
