窄淬透性齿轮钢17CrNiMo6工艺实践_景春明.pdf

金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期窄淬透性齿轮钢17CrNiMo6工艺实践景春明（兰州兰石集团有限公司，甘肃 兰州 730000）摘要：针对齿轮钢17CrNiMo6窄淬透性带、高纯净、细晶粒、高强韧等生产控制难点，通过优化成分，采用30 t EAF-LF-VD冶炼流程，经吹氩搅拌、白渣还原、真空精炼、氩气保护，控制脱氧、除杂、合金元素加入、浇注温度、速度、钢液冷却等工艺，主控成分C、Mn、Cr、Mo、Ni达到内控要求，气体和非金属夹杂得到有效控制，S0.003%、P0.005%、O 0.001 6%、N 0.007 5%、H 0.000 13%；淬透性带宽控制在13 HRC，硬度值达到客户要求，低倍组织未发现点状偏析和肉眼可见的缺陷。锻造热处理后产品组织均匀，本质晶粒度达到8级，混晶不超过10%；强度、硬度值满足要求，室温和-40 的低温韧性较好，强韧性达到良好匹配。关键词：齿轮钢；EAF-LF-VD冶炼；淬透性；晶粒度中图分类号：TF76文献标识码：A文章编号：2095-5014（2023）01-0010-05Process Practice on Gear Steel 17CrNiMo6 withNarrow HardenabilityJING Chunming（Lanzhou LS Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China）ABSTRACT：To cope with the production control difficulties of gear steel 17CrNiMo6 such asnarrow hardenability range，high purity，fine grain and high strength and toughness，chemicalcomposition was optimized，30 t EAF-LF-VD smelting route was adopted with argon stirring，white slag reduction,vacuum refining and argon protection,and process parameters of deoxidation，impurity removal，alloying element addition，casting temperature and speed and cooling were bettercontrolled.With these measures，main elements like C，Mn，Cr，Mo and Ni reach inner target，gas and non-metallic inclusions are effectively controlled that S0.003%，P0.005%，O0.0016%，N0.0075%andH0.000 13%.Hardenability is controlled to be within1-3HRCand the hardness meets customers requirement.No dot-like phase or visually inspected defect isfound for macro-structure.And after forging heat treatment，the product structure gets uniform，inherent gain size reaches level 8 and mixed crystal is no more than 10%.The strength and hardnessvalue meet the requirement，the toughness is good at room temperature and-40 ，and thestrength and toughness match well.KEY WORDS：gear steel；EAF-LF-VD smelt；hardenability；grain size收稿日期：2023-01-11作者简介：景春明（1984），男，工程师，本科，主要研究方向钢铁材料。金 属 材 料 与 冶 金 工 程Metal Materials And Metallurgy Engineering第51卷第1期2023年2月Vol.51 No.1Feb.202317CrNiMo6作为齿轮和齿轮轴关键件材料，主要应用于高铁、风电、减速机等行业。由于承载能力大，工作条件严苛，为确保产品安全高效运行，用户对材料的纯净度1、晶粒度、淬2023年第1期景春明：窄淬透性齿轮钢17CrNiMo6工艺实践透性、力学性能2的要求不断提升3。为进一步拓展公司在采矿、机车牵引和风电等领域的铸锻件产品种类，提高公司高品质系列钢锭和锻件产品的销售收入，促进产能释放，开展17CrNiMo6齿轮钢自主生产工艺实践研究。1 17CrNiMo6生产工艺1.1工艺流程17CrNiMo6 钢生产工艺流程为：30 t EAF-LF-VD真空浇注钢锭坑冷加热锻造热处理成品检验。1.2成分设计17CrNiMo6齿轮钢要求高的淬透性、窄的淬透性带宽，在控制较小热变形量的同时获得优异性能，而影响17CrNiMo6齿轮钢淬透性的主要元素是C、Mn、Cr、Mo、Ni4。C含量过高易形成碳化物，降低奥氏体中有效合金元素含量，使等温转变曲线左移、淬透性降低；C 含量过低，奥氏体中固溶的碳就减少，也会使淬透性降低，因此C含量按中上限控制。Mn能增加奥氏体稳定性，同时提高其强度和淬透性，消除S的不良影响，应控制在中上限。Cr能形成稳定而硬的碳化物，提高淬透性，控制在中上限。Mo能细化晶粒，提高综合性能，Ni是提高韧性的最有效合金元素，都控制在中上限。1.3过程控制冶炼工艺是控制17CrNiMo6齿轮钢纯净度的主要技术环节，在冶炼环节中，注意控制合金元素的加入量，将成分控制在内控范围且避免过大波动；采用LF+VD精炼，有效去除夹杂物、有害气体；在浇注环节中，采用气体保护，严格控制浇注温度、速度、钢液冷却等参数，有效降低夹杂物含量，防止柱状晶发达及晶粒粗大。1.3.1电弧炉冶炼控制炉料采用本厂铬钼废钢和碳素废钢，配碳量0.6%，铝脱氧，禁止加钙（Ca1510-6），装料前炉底加装料重2%3%石灰。一次料中加碳球，熔化到 70%80%装二次料，加脱磷剂及1015 kg/t石灰，熔氧结合，自动流渣去P。T1 600 开始氧化，保持 5%7%的渣量，快速升温，根据 P 含量，换渣量80%，脱碳量0.30%，温度 1 6601 680，C 0.05%0.08%，P0.005%，Cu0.20%，出1/3钢水加铝饼2.5 kg/t（沉淀预脱氧）。包内按内控成分下限加入Mn-Fe、Si-Fe合金。1.3.2LF精炼控制钢 包 到 位，接 通 氩 气 吹 氩，Ar 流 量 0.08 L/min。加石灰1015 kg/t，萤石23 kg/t造渣，根据渣流动性控制萤石加入量在石灰的10%20%。一次加入C粉1.01.5 kg/t和Si-Fe粉11.5 kg/t，铝线和碳化硅混合脱氧剂扩散脱氧。按内控要求调整成分，依次加入CrMoNiMnSi合金，保持流动性良好的白渣。终脱氧根据钢水残Al量的0.04%喂Al线。1.3.3VD真空处理提前 15min 预约蒸汽，压力0.8 MPa，提前抽真空，确保预抽时间8 min，极限真空度67 Pa，极限真空保压时间20 min。吹Ar流量0.010.04 L/min，不允许开大 Ar 流量降温。破空前1 min关闭Ar，破空取样分析，C低时可用增 碳 剂 增 碳，软 吹 Ar10 min，流 量 0.0090.012 L/min，测温达到 1 5751 585，吊包。分别在 VD 开盖和软吹结束取渣样 VD1 和 VD2检测分析。表1 LF渣样成分（质量分数）Table 1 LF slag sample composition（wt%）精炼渣VD1VD2P2O50.010.01FeO0.671.34MnO0.170.19CaO52.7852.29MgO8.668.96Al2O315.0916.32SiO217.6417.93Cr2O30.090.11渣样检测结果显示CaO含量达到50%以上，SiO2含量小于 20%，二元碱度为 2.9，说明炼钢过程中脱S反应能力强。MgO含量小于10%，有利于减少Ca-Mg夹杂，渣样成分达到预期要求。1.3.4钢锭铸锭（模注）氩气保护浇注，17CrNiMo6钢TL=1 508，11金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期浇注温度为1 5601 570。严格控制注速，不断流、不翻花、边角不沸腾、渣面不开裂、不透亮（若透亮应及时补加保护渣），严禁结瘤进入中注管。当钢液升到冒口线以上 5060 mm时，适当减流，开始冒口充填，充填时间要大于锭身浇注时间。当钢液升到冒口2/3以上加入发热剂1.8 kg/t。钢液注满冒口后，加入碳化稻壳0.8 kg/t。1.3.5锻造及热处理钢锭开坯前，不允许去除水口及冒口，坯料的始锻温度1 200，终锻温度850，开坯总锻比3，有镦粗、拔长的过程，单个锻造比不小于 1.55。钢锭锻造前大端去除约 15%，小端去除约5%，以保证锻件中没有残余缩孔、裂纹、白点和有害偏析等缺陷。锻件心部区域应有足够的塑性变形量，锻比不小于6，将锻件的整个截面锻透，使锻件的组织结构均匀，锻后坑冷。结合客户订单实施多次生产试验，冶炼浇注1030 t不同重量等级的钢锭，采用1 000 T压机和碾环机锻造毛坯重量为 493 kg的大伞齿轮25件，采用3T锤锻造毛坯重量为133 kg的小伞齿轮 30 件，采用 5 000 T 压机锻造毛坯重量为19 755 kg的大齿轮3件。锻后采用 880 正火+680 回火预备热处理6-10和860 淬火+200 回火性能热处理11。2产品检验与分析2.1化学成分和淬透性经电弧炉脱 P、去夹杂，LF 吹氩软搅拌、白渣还原气氛精炼，VD真空精炼，降低气体、去除夹杂，主控成分C、Mn、Cr、Mo、Ni达到要求，O0.001 6%、N0.007 5%、H0.000 13%，较低的氢含量有效防止了白点的产生，S、P 降至 0.003%和 0.005%以下。采用 Al脱氧，在保证脱氧良好的基础上使Al/N达到目标值，细化晶粒，防止出现混晶。如表2所示主控成分首炉钢成品1都在中下限，造成图3端淬试验实测1硬度值偏低；后续对钢液成分进行微调，将成分控制在中上限，如成品2所示，实现窄范围波动，提高其淬透性。表2 17CrNiMo6化学成分Table 2 17CrNiMo6 chemical composition（wt%）成分控制内控成品1成品2成分控制内控成品1成品2C0.150.200.170.18Ni1.501.701.501.60Si0.200.400.240.30P0.0100.0050.004Mn0.550.750.560.71S0.0080.0030.003Cr1.551.751.591.70Al0.020.040.020.02Mo0.260.350.270.29Cu0.200.060.05O0.001 80.001 60.001 5H0.000 150.000 130.000 1N0.0080.007 50.007Al/N23.52.62.9如表 3 所示客户对 17CrNiMo6 齿轮钢的淬透性带宽及硬度要求均高于欧标和国标，按GB/T 225进行末端淬透性试验，每炉号做一次，将25100 mm的端淬试样在920 保温30 min正火，在860 保温30 min淬火，在平行于试样轴线方向上磨削出深度为0.4 mm的两个平行面进行硬度HRC的测试，试验结果见表3和图1。硬度值随着端淬距离的增大而逐渐减小，下降到最低硬度值后不再波动变化；实测1淬透性带宽较窄，可有效控制后期热处理变形，但其下限值低于要求，未达到淬透性硬度值，主要是C、Mn、Cr、Mo、Ni化学成分偏下限，等温曲线右移不够，奥氏体稳定性不足，导致其淬透性下降，后续热处理后强度和硬度在要求的范围底部波动，不能保证100%的合格率。调整化学成分试制后再次检测，C、Mn、Cr、Mo、Ni化学成分偏中上限，淬透性提升显著，带宽控制在13 HRC，硬度值达到要求，后续热处理后变形122023年第1期量小，性能水平稳定，产品合格率得到保证。2.2非金属夹杂非金属夹杂在钢中不可避免，它的存在使齿轮钢基体的连续性受到破坏，冶炼过程中严格控制钢水的氧化过程，避免发生过氧化和二次氧化，在降低钢水氧含量的同时将非金属夹杂控制在较低水平内，如表4和图2所示，仅存在少量细系D类球状氧化物夹杂。2.3低倍组织低倍组织检测试样为开坯件截面的四分之一，检查面靠近钢锭冒口部位，结果为锭型偏析、中心疏松都1.0级，一般疏松1.0级，未发现点状偏析和肉眼可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、白点、翻皮、晶间裂纹等缺陷。2.4金相组织经88010 加热，保温1 h后，取样经磨制和浸蚀后，显示奥氏体晶粒度，即本质晶粒度达到8级，混晶不超过10%。齿轮钢经淬火+回火热处理组织为回火索氏体+铁素体，在100倍、200倍、500倍的放大倍数下（图 3），显示晶粒细小且分布均匀，Al/N按要求控制在23.5的合理范围内，在奥氏体晶粒形核及长大的过程中沉淀析出AlN微粒有效钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，且随着保温时间的延长，晶粒逐渐趋于均匀化，使晶粒度级别保持稳定，无明显成分和组织偏析、粗化及“混晶”现象。若Al/N太低，则析出的 AlN微粒不足钉扎奥氏体晶界，对晶粒细化的作用不明显；若Al/N太高，表3 淬透性硬度要求及检测结果Table 3 Hardenability hardness requirements and test results端淬距离/mm3579111315203040硬度最大值（客户要求）48484847474645444241硬度最小值（客户要求）43424140403938363433实测1上限44.343.942.841.540.839.538.836.63533.5实测1下限41.840.53938.537.837.536.533.33130.5实测2上限46.445.544.343.542.941.840.539.338.536.6实测2下限45.344.243.842.541.840.539.838.636.435.5表4 非金属夹杂物含量级别Table 4 Non-metallic inclusion grade夹杂物含量级别内控标准实测值细系1.50.5粗系1.00.5细系1.00.5粗系0.50.5细系0.50.5粗系0.50.5细系1.01.0粗系1.00.5Ds类1.00.5不大于A类B类C类D类图1 端淬试验结果Fig.1 Jominy test results景春明：窄淬透性齿轮钢17CrNiMo6工艺实践13金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期则析出的AlN微粒在组织内部逐渐长大粗化甚至在高温时溶解，不但不能细化晶粒还引起晶粒粗大甚至混晶。2.5机械性能对于同一批次的锻件，取一件在冒口端加长方向切取机械性能试样，热处理后直接制成标准的冲击和拉伸试样，同时按上述要求加工好一组性能试样供客户在验收时使用。性能检测显示齿轮钢材料强度、硬度值满足要求，室温和-40 的低温韧性较好，强韧性达到良好匹配，见表5。（a）样品1；（b）样品2图2 非金属夹杂物Fig.2 Non-metallic inclusion（a）放大100倍；（b）放大200倍；（c）放大500倍图3 17CrNiMo6齿轮钢组织Fig.3 17CrNiMo6 gear steel structure表5 机械性能Table 5 Mechanical performance屈服强度Rp0.2/（Nmm-2）9001 0561 074抗拉强度Rm/（Nmm-2）1 0801 1541 195伸长率A/%101416断面收缩率Z/%35626389.398.1409496.793.598.638.545.32532.934.431.335.1布氏硬度HB150200169174175185室温（25）-40 冲击功Akv/J3结论（1）采取EAF-LF-VD的冶炼工艺路线，精炼、真空、氩气保护效果良好，17CrNiMo6齿轮钢的主控元素、气体及有害元素均达到内控标准要求，完成了淬透性好、纯净度高、成分均匀的高质量钢锭冶炼浇注。（2）经锻造和热处理后，17CrNiMo6齿轮钢金相组织、淬透性带宽、力学性能完全满足客户要求，强度和韧性良好匹配，为后续批量生产积累了有效的技术数据和经验。（下转第24页）14金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期3结果与讨论综合以上分析，材料的成分正常，非金属夹杂物也控制在较低水平，但从裂纹附近的金相组织分析可以发现，钢管内壁存在马氏体等异常组织，而结合42MnMo7钢的连续冷却转变曲线可以发现，该材料在正常热轧状态下的组织即为全贝氏体组织。生产现场调查发现，生产过程中高压水除鳞水环出现了一段时间的故障，导致冷却水从管端进入钢管内壁。由于钢管壁厚太薄，进入管体内的冷却水瞬间就会造成管体内壁局部区域发生急冷现象，导致靠内壁区域发生马氏体转变，形成马氏体组织，严重部位甚至出现了淬火裂纹，随后在钢管外表面及相近区域的热扩散下，马氏体组织出现了自回火现象。4 结论（1）此次42MnMo7无缝钢管拉伸夹持端开裂的主要原因为钢管内壁出现的马氏体异常组织，该组织使钢管整体韧性大大下降，甚至局部区域出现了淬火裂纹，从而导致钢管在受到外力作用时发生开裂。（2）42MnMo7因合金含量高，正常热轧组织几乎为全贝氏体组织，强度高、韧性差，生产过程中容易受冷却水的影响导致组织中产生马氏体等异常组织，生产过程应加强对冷却水系统检查，杜绝因设备问题带来的材料失效。（3）针对42MnMo7热轧后高强度低韧性的特征，同时为改善其加工性能，建议在热轧下线后统一增加低温回火工艺，在保证强度的前提下使热轧过程中因工艺、设备不稳定造成的马氏体等异常组织发生转变，改善热轧组织、降低组织应力，提高韧性，降低材料在加工使用中的开裂风险。参考文献：1 谢俊敏，孙澄澜.试制STM-R80钻探用无缝钢管 J.钢管，1992（4）：18-202 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