冶炼过程对20CrMnTiH钢成分的控制

1  引言

    20CrMnTiH钢为GB5216-85列出的15个保证淬透性的结构钢钢种之一，也是齐齐哈尔钢厂产量较大的H型钢，在汽车、拖拉机和机械制造业中主要用于齿轮生产。生产统计表明，20CrMnTiH钢一直存在着淬透性带分散、淬透性超标的问题。初检和复查结果表明，主要是σ_k值不合格者居多。

    本工作通过实测20CrMnTiH钢的化学成分、淬透性带及力学性能，用逐步回归分析的方法计算了化学成分对淬透性J₉和J₁₅的影响规律，并分析了各合金元素在不同端淬距离处对淬透性的作用，由联立方程求解出主要合金元素的控制范围；为了更准确、合理地控制钢的成分，用理论分析和数理统计的方法定量或定性地分析了主要合金元素C、Ti、Cr、Mn与钢的力学性能的关系及冶炼时应该控制的成分含量。

2  试验过程与试验结果

2.1  淬透性试验

    34支20CrMnTiH钢试样为钢厂生产检验试样，先将成分分析，并查出熔炼成分和实测的力学性能，分析试样成分与熔炼成分的分布情况；取J₉和J₁₅为因变量，C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、W、Mo、Cu、Al、Ti十二个合金元素为自变量，其中J₉和J₁₅为实测值，各合金元素为试样的真实成分，并取每一个F检验的临界值F_0.05（1.3）=4.17，用微机进行逐步回归计算，回归计算结果见表1。20CrMnTiH钢试样成分（质量分数，%，下同）、熔炼成分、J₉和J₁₅的统计范围、均值及标准差见表2。

表1  20CrMnTiH钢回归计算结果

表2  20CrMnTiH钢试样成分、熔炼成分、J₉和J₁₅统计范围、均值及标准差

2.3  化学成分与力学性能的关系

        由表1回归方程可见各主要合金元素在不同端淬距离对淬透性的作用。为了更准确、合理地控制各主要合金元素的成分含量，我们对已轧成材检验的力学性能作了统计分析，初检合格率93%，复检合格率99%（主要是α_k值不合格）。从统计分析中找出了影响20CrMnTiH钢力学性能的主要因素是碳，其次是碳钛差，Cr、Mn、P、S等对钢的力学性能也有一定的影响。为了找出钢中碳含量与力学性能的关系，我们对Cr、Mn含量中限的碳含量与α_b和α_k值作了回归分析，得出回归方程式1、2及回归直线。

α_b=57.74+367.18w（C）  相关系数为0.81                                （1）

α_k=18.62-47.35w（C）   相关系数为-0.79                               （2）

    为了找出碳钛差与力学性能的关系，我们把碳钛差与α_b、α_k值作了回归分析，得出回归方程式3、4及回归直线。

α_b=99.26+305.9[w（C）-w（Ti）]  相关系数为0.81            （3）

α_k=13.33-39.36[w（C）-w（Ti）]  相关系数为-0.80           （4）  

3  试验结果分析与讨论

3.1  淬透性与回归方程

    汇总34支钢试样的淬透性曲线基本落在标准带的上、下限之内，分布较宽，但有的低于标准下限，说明现生产工艺控制还不理想。由表2可见主要化学成分C、Mn、Cr尽管在标准内分布，但因分布太宽，致使J₉和J₁₅很分散，因此，必须制定成分内控规范，压缩淬透性带宽度。由表1可见，最终F检验的计算值远远大于F^*，回归方程可信度为95%。J₉和J₁₅的回归方程均包括C、Mn、Cr三个因子，且均为正相关，这与金属学理论相符合，并于报道相一致。通过实测值与回归值的对比，结果证明回归方程是符合实际的。

3.2  冶炼过程中对20CrMnTiH钢成分的控制

    根据概率论，回归值J实际上是^J预计取得值的平均估计，J符合N（J、^σ）正态分布，所以当^J₉和^J₁₅同时满足如下不等式时，合格概率大于97.5%。

J₁（J₉）+2^σ（J₉）≤^J₉≤J_u（J₉）-2^σ（J₉）                （5）

^J₁₅≤和J_u（J₁₅）-2^σ（J₁₅）                                            （6）

    式中J₁为淬透性标准下限；J_u为淬透性标准上限；^σ为剩余标准差

    设J₁（J₉）=30、J_u（J₉）=42、J_u（J₁₅）=35、^σ（J₉）=1.4、^σ（J₁₅）=1.25代入式5、6中，可得：

             32.8≤^J≤39.2和^J₁₅≤32.5

  代入回归方程

  　^J₉=-15.54+87.09[w（C）]+18.27[w（Mn）]+11.14[w（Cr）]

         ^J₁₅=  -21.35+83.44[w（C）]+20.21[w（Mn）]+10.98[w（Cr）]

  整理得

    2.65-4.77[w（C）]-0.61[w（Cr）]≤w（Mn）≤3.0-4.77[w（C）]-0.61[w（Cr）]   （7）

    w（Mn）≤2.66-4.13[w（C）]-0.54[w（Cr）]                                  （8）或

    4.34-7.82[w（C）]-1.64[w（Mn）]≤w（Cr）≤4.91-7.82[w（C）]-1.64[w（Mn）]  （9）

    w（Cr）≤4.90-7.60[w（C）]-1.84[w（Mn）]                                  （10）

    联立C、Mn、Cr含量的标准范围：

                0.17%≤w（C）≤0.23%                                         （11）

                0.80%≤w（Mn）≤1.15%                                        （12）

                1.00%≤w（Cr）≤1.35%                                        （13）

    即可求解出C、Mn、Cr的成分控制规范（实际生产中由C、Cr调Mn，也可以由C、Mn调Cr）。由方程1和2可以看出， 若含碳量低则α_b低、α_k值高，反之亦然。生产实践证明，20CrMnTiH钢初检往往有6%-7%的α_k值不合格。为了提高α_k值，碳含量应控制在0.17%-0.20%。由方程3和4可见，当碳钛差增加时，α_b增加，α_k值降低，这是由于当钢中碳高钛低时，形成的TiC量少了，奥氏体、马氏体中固溶的碳量增加，从而增加钢的强度。为了提高钢的α_k值，除了把碳含量严格控制在中、下限以外，并尽量使碳钛差不高于0.1%（即碳高时，配钛一定要高些，碳低时配钛可适当低一些）。在J₉和J₁₅的回归方程中没有钛，主要是由于实际生产中钛的控制较好，波动很小，生产检验可知，钛含量大部分控制在0.7%-0.9%之间。

  20CrMnTiH钢中的Mn（含量为0.8%-1.15%）几乎全部固溶到铁素体中，提高铁素体的强度，同时Mn还促使奥氏体晶粒长大，以提高钢的淬透性，Mn的这种作用对Ti较高时是很重要的，因为当钢中Ti含量较高时，钢的晶粒度很细，往往使钢的淬透性降低。适当提高Mn含量到中、上限（1.0%-1.1%），对提高钢的力学性能是很有利的。

    20CrMnTiH钢中的Cr（含量为1.0%-1.35%），大部分固溶到铁素体中，一部分Cr形成碳化物使钢的冲击值降低，但当铬与锰等很金元素互相组合时，Cr就可以在强化钢的同时又不至于降低钢的塑性和韧性。因此，把Mn控制在0.975%-1.15%，Cr控制在1.175%、C控制在0.17%-0.20%，并尽量使碳钛差≤0.1%，按照这样的成分控制原则，利用联立方程7-13来求解20CrMnTiH钢的熔炼成分含量，不仅可以获得良好的力学性能，而且使J₉和J₁₅的合格率大于97.5%。

3.3  试样成分与熔炼成分的讨论

    由表2可知，试样成分与熔炼成分的分布情况是主要元素C、Mn、Cr等在标准范围内分布，分布宽度基本上与标准宽度相等，试样成分平均值较熔炼成分平均值Mn高0.027%、Cr低0.05%。由于成分偏析或冶炼原因使得试样成分与熔炼成分不相对应，二者差值的分布范围为C：-0.05%~0.03%；Mn：-0.2%~0.10%；Cr：-0.35%~0.07%，这也是造成20CrMnTiH钢淬透性带分散、J₉和J₁₅不合格的主要原因之一。因此，必须改进冶炼工艺，使刚才的成分尽量与熔炼成分一致，这样按上述联立方程求解并考虑化学成分与钢的力学性能的关系来控制钢材的熔炼成分效果会更好。

4  结论

    （1）回归运算的结果表明，影响20CrMnTiH钢J₉和J₁₅的主要元素是C、Mn、Cr，碳是影响20CrMnTiH钢淬透性带和力学性能的主要元素，为获得良好的力学性能应把碳含量严格控制在0.17%-0.20%，并保持碳钛含量差≤0.1%，Cr含量控制在在1.175%，Mn含量控制在0.975%-1.15%。

    （2）推导出求解熔炼成分内控规范的联立方程，按联立方程来控制熔炼成分含量，并考虑化学成分与力学性能的关系，淬透性合格概率≥97.5%。

    （3）钢材成分偏析或冶炼原因是造成20CrMnTiH钢J₉和J₁₅不合格的主要原因之一，因此必须控制冶炼工艺，减少成分偏析以消除钢材成分与熔炼成分的差别。