重載齒輪用8620H鋼多點窄淬透性帶計算與控制

白 剛， 康再興

（本鋼板材股份有限公司， 遼寧 本溪 117000）

重載齒輪通常指應用于傳遞較大動力、承受較大載荷的齒輪，應用于運輸、起重、機車牽引及風力發(fā)電等重要領域。鋼材通常為低碳合金鋼，通過滲碳處理、淬火加低溫回火的熱處理方式，使得表層具有較高的硬度、耐磨性的同時心部具有較高的塑性和韌性[1]。8620H齒輪鋼是本鋼板材股份有限公司（一下簡稱公司）供給國內(nèi)某企業(yè)大型重載汽車齒輪傳動用鋼，生產(chǎn)重型汽車變速器。

淬透性是齒輪鋼的重要特性，它主要取決于過冷奧氏體穩(wěn)定性的大小，鋼材淬透性的穩(wěn)定與否對鋼件熱處理后變形影響很大[2]。因此，齒輪鋼對于淬透性帶寬有非常高的要求，淬透性帶越窄、離散度越小越有利于齒輪加工和提高嚙合精度[3]。淬透性的計算從20世紀40年代起就開始由定性描述到定量[4]。1943年Field[5]提出描述淬透性的理想臨界直徑計算公式，1969年Just[5]引領了采用回歸方程計算端淬曲線的方法，1997年余柏海在文獻[6]中公布了采用非線性方程計算端淬曲線的方法，2006年金滿等人解得硬度分布函數(shù)[7]。近幾年非線性方程和硬度分布函數(shù)兩種計算方法在各鋼鐵企業(yè)應用比較廣泛，其中非線性方程用于CrMnTi系列齒輪鋼，而硬度分布函數(shù)用于CrMo系列、CrNiMo系列齒輪鋼。

8620H屬CrNiMo系列，本文采用硬度分布函數(shù)法計算，以最優(yōu)淬透性計算結果各主要化學成分值為基礎并指導生產(chǎn)，生產(chǎn)中以主要化學元素窄化學成分控制范圍為目標，嚴格控制碳成分偏析，使最終產(chǎn)品實現(xiàn)多點窄淬透性帶控制。

1 淬透性計算

1.1 化學成分及淬透性要求

主要化學成分和淬透性要求見表1。

表1 8620H鋼的化學成分和淬透性要求

1.2 計算公式

利用硬度分布函數(shù)法計算，其方程形式見公式（1）。

公式（1）中，J（x）為端淬硬度（HRC）；x為端淬距離，mm；Jmax為端淬曲線最高硬度（HRC）；Jmin為端淬曲線最低硬度（HRC）；b為試樣端部全部獲得馬氏體區(qū)的長度，mm；h為淬透性系數(shù)，其幾何意義是從原點至曲線拐點的距離，mm。其中：

1.3 計算

利用公式（1）-（5）進行計算，以表 1化學成分要求為基礎，對主要化學元素含量分3個組別計算J1.5、J5.0、J7.9、J12.7淬透性值，化學成分組別及設定的主要化學元素含量值見表2。

將表2中設定的元素含量代入公式（1）—（5）中分組計算，結果見表2。通過表2計算值與表1要求值的對比可見，1組、2組計算結果符合要求，但1組計算結果J1.5、J12.7偏要求下限，2組計算結果幾乎都在要求中限較好。而3組計算結果J7.9超出要求上限范圍2HRC，且J5.0、J12.7均為要求上限。因此，以表2中2組設定值為目標成分，進行試生產(chǎn)。

表2 8620H鋼主要化學元素分組設定值和淬透性計算值

2 窄淬透性帶控制實踐

2.1 化學成分的窄范圍設計

鋼水窄成分控制對齒輪鋼淬透性帶寬控制意義重大，也是實現(xiàn)齒輪鋼窄淬透性帶控制的必要手段。因此，基于化學成分對淬透性各自不同的影響，設定主要元素含量控制范圍如下：w（[C]）為±0.007 5%，w（[Si]）為±0.03%，w（[Mn]）、w（[Cr]）、w（[Ni]）均為±0.02%，w（[Mo]）為±0.01%，w（[Alt]）為±0.010%，w（[P]）、w（[S]）≤0.020%，w（[B]）≤0.000 5%。結合表2的綜合分析結果，設計試生產(chǎn)化學成分控制要求見表3。

表3 化學成分的窄范圍設計 %

2.2 化學成分的窄范圍控制

為實現(xiàn)化學成分窄范圍控制，一是要保證鋼水成分精確控制，二是要控制成分均勻性，減少偏析，特別是碳偏析。

鋼水精煉和鋼水連鑄是實現(xiàn)化學成分窄范圍控制的關鍵環(huán)節(jié)。精煉全過程底吹氬氣，保證脫氧、脫硫、去夾雜和調(diào)整溫度的工藝操作，避免因操作不當或下渣嚴重而導致鋼水增碳和回磷。在不同精煉時期控制好底吹氬量，精煉期間氬氣壓力0.2～0.4MPa，精煉后期氬氣壓力0.1～0.3 MPa靜吹氬，保證鋼液面不裸露，防止鋼水與空氣接觸而氧化，靜吹氬時間大于15 min，促使夾雜物聚集長大并上浮去除，避免夾雜物多而消耗有效的合金元素。連鑄低溫澆鑄，過熱度波動不超過±5℃，做好保護澆鑄，防止鋼水二次氧化。成分偏析的控制除同樣采取上述措施外，還要合理控制鋼坯的加熱溫度，保證1 100℃以上的均溫時間，減小合金元素偏析并促進碳化物充分溶解。

2.3 生產(chǎn)實踐

按照窄成分設計目標生產(chǎn)15爐，成分目標范圍控制合格率100%。成分均勻性采用成品鋼材1/2R（半徑）處的碳成分與熔煉成品樣進行比較，對碳偏析情況（碳偏析指數(shù)等于1/2R處碳元素含量與成品碳元素含量的比）進行分析[8]，結果表明1/2R處碳含量普遍高于熔煉成品成分，實際計算碳偏析指數(shù)最高不超過1.035%。

對所產(chǎn)鋼材按GB/T 225標準測試淬透性值，同時利用硬度分布函數(shù)計算進行計算，計算值（用j代表）和實測值（用s代表）一一對比見下頁圖1—圖4。

由圖1—圖4可見，采用成分窄范圍設計和控制，鋼材淬透性實測值帶寬波動3～4，與硬度分布函數(shù)計算值偏差小于2.5，進一步驗證了硬度分布函數(shù)計算淬透性的精確性。

圖1 J1.5處淬透性計算值與實測值

圖2 J5.0處淬透性計算值與實測值

圖3 J7.9處淬透性計算值與實測值

圖4 J12.7處淬透性計算值與實測值

3 結論

1）從實際應用看，硬度分布函數(shù)法計算8620H鋼淬透性值，具有計算步驟清晰、精度高等優(yōu)點，與實測值偏差小于2.5 HRC。

2）以計算結果為基礎指導工業(yè)化試生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中采用成分窄范圍設計和控制，主要元素控制范圍：w（[C]）為±0.007 5%，w（[Si]）為±0.03%，w（[Mn]）、w（[Cr]）、w（[Ni]）均為±0.02%，w（[Mo]）為 ±0.01% ，w（[Alt]）為 ±0.010% ，w（[P]）、w（[S]）≤0.020%，w（[B]）≤0.000 5%。并控制碳偏析指數(shù)0.95～1.05，產(chǎn)品實物質(zhì)量可達到淬透性帶寬不大于6 HRC，甚至不大于4 HRC的先進水平。