Mn-Cr系列轿车齿轮钢的开发
作者：北满特殊钢集团有限责任公司赵振钢 刘国安 高艳丽
摘 要 为适应我国轿车发展的需要，北钢集团公司成功开发了德国Mn-Cr系列齿轮钢，使其各项技术指标到达了德国同类产品水平。
关键词 Mn-Cr系列齿轮钢 工艺质量研究
Mn-Cr系列齿轮钢是我国在引进的国轿车生产线的同时，引进的高标准轿车齿轮用钢。目前，国内生产的奥迪、捷达、桑塔纳等轿车都采用该系列钢种。该系列钢种除符合德国DIN标准的一般要求，还要符合德国大众的标准要求。我公司从96年开发试制该系列钢种并取得了满意效果，现已具备了批量生产的条件和能力。
1. Mn-Cr系列轿车齿轮钢的技术及工艺流程
1.1 Mn-Cr系列钢种技术条件要求
1.1.1 化学成分（%）见表1
表1 化学成分
| 牌号 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Al | Mo | Ni | [0]×10-6 |
| 16MnCr5 | 0.14 | ≤ | 1.00 | 0.80 | ≤ | 0.020 | 0.020 | ≤ | ||
| 0.20 | 0.12 | 1.40 | 1.20 | 0.035 | 0.035 | 0.055 | 20 | |||
| 20MnCr5 | 0.17 | ≤ | 1.10 | 1.00 | ≤ | 0.020 | 0.020 | ≤ | ||
| 0.23 | 0.12 | 1.50 | 1.30 | 0.035 | 0.035 | 0.055 | 20 | |||
| 25MnCr5 | 0.23 | ≤ | 0.60 | 0.80 | ≤ | 0.020 | 0.020 | ≤ | ||
| 0.28 | 0.12 | 0.80 | 1.10 | 0.035 | 0.035 | 0.055 | 20 | |||
| 28MnCr5 | 0.25 | ≤ | 0.60 | 0.80 | ≤ | 0.020 | 0.020 | ≤ | ≤ | ≤ |
| 0.30 | 0.12 | 0.80 | 1.10 | 0.035 | 0.035 | 0.055 | 0.10 | 0.15 | 20 |
1.1.2 纯净度
按SEP1570-71规定K法检验氧化物总量特性，≤φ50mm，K4≤30，φ51-130mm，K4≤40。按JK法检验，A≤2、B≤2、C≤1、D≤1。
1.1.3 低倍
钢材的低倍试样不得有肉眼可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点等缺陷，按GB1979-80规定，一般疏松、中心疏松和偏析均不得大于3级。
1.1.4 晶粒度
经930×4h水淬后，奥氏体晶粒度不粗于ASTME112的5级。
1.1.5 末端淬透性见表2
表2 末端淬透性
| 牌号 | 热处理制度 | 端淬硬度J10（HRC） |
| 16MnCr5 | 920℃×30’水淬 | 29-35 |
| 20MnCr5 | 920℃×30’水淬 | 35-42 |
| 25MnCr5 | 900℃×30’水淬 | 24-30 |
| 28MnCr5 | 900℃×30’水淬 | 26-32 |
注：同一牌号、同一炉号的端淬试样任取三支，其J10初的硬度值差≤4HRC。
1.1.6 正火强度要求
16MnCr5 σb 540-660Mpa；20MnCr5 σb 590-720Mpa；25MnCr5 σb 590-740Mpa；28MnCr5 σb 600-750Mpa。
1.2 工艺流程
30tEBT电路冶炼→40tLF+VD真空精炼→钢包喂线→浇注钢锭→钢锭热送或缓冷→钢锭加热→825轧机开坯→钢坯缓冷→钢坯清理→钢坯清理→500轧机成材→钢材检验→包装入库。
2. Mn-Cr系列钢种工艺质量控制
2.1 钢的纯净度控制
为了提高齿轮使用性能和疲劳寿命，Mn-Cr系列钢种对钢的纯净度有较高要求。为此，我公司采用了国内外先进的EBT电炉初炼和LF+VD真空精练及钢包喂线工艺。通过在初炼炉内造泡沫渣埋弧操作，充分利用C-O激烈反应沸腾，促进钢中夹杂物和气体的上浮，通过流渣排除。出钢时留钢、留渣钢包内重新早新渣。从而杜绝了氧化渣进入下一精炼工序，使钢液纯净度的提高有了保证。到精炼工位后，通过加热调整炉渣和真空精炼。真空精炼后，向钢包内喂入A1线并吹Ar搅拌。通过上述冶炼工艺的控制，Mn-Cr系列钢种的纯净度达到了较高水平见表3。
表3 钢液纯净度检验结果
| 检验方法 | [O]PPm | |||||
| Jk法 | K法 | |||||
| 标准 | A≤2 | B≤2 | C≤1 | D≤1 | K4≤40 | ≤20 |
| 实际 | 0.5-2 1.85 | 0.5-2 1.25 | 0 | 0-1 0.45 | 0-21 5.5 | 13-20 17.5 |
注：分子为波动范围，分母为平均值
2.2 钢中化学成分Si、S、A1含量的控制
2.2.1 钢中Si的控制
为了降低晶界氧化深度，控制钢中Si含量是有效手段，为此，Mn-Cr系列钢种对钢中Si含量有严格要求≤0.12%。为了满足要求，在生产时，我们严格控制EBT出钢时的下渣量。在精炼工位用强氧剂进行脱氧，从而满足了钢液脱氧的要求，同时使钢中Si含量控制在0.05-0.11%范围。
2.2.2 钢中S、A1含量的控制
为保证Mn-Cr系列齿轮钢的切削加工性能，标准要求[S]控制在0.020-0.035%。硫是易发挥元素，在冶炼过程中很难控制，为了达到标准要求，我们开展了钢包喂线硫磺粉线的工艺研究，即在真空精炼后，根据钢中S含量，采用钢包喂线方法，向钢包内喂入硫磺粉线。通过对喂线速度、喂线量及炉渣碱度的控制，使钢中S稳定地控制在0.020-0.035%范围内。
钢中有一定的A1含量，不仅代表钢液的脱氧程度，同时也为获得细晶粒度提供了保证条件。为此，我公司采用了钢包喂线工艺，真空精炼后，向钢包内喂A1线，通过对喂线量和喂线速度的控制，使钢中A1含量稳定控制在0.020-0.040%之间，满足了标准要求。
2.3 钢材淬透性和正火强度的控制
对齿轮钢而言，淬透性带的宽窄是衡量齿轮钢质量高低的一个重要指标。窄的淬透性带具有热处理变形小，性能稳定等特点。国内齿轮钢一般淬透性带要求在12HRC范围内。而德国Mn、Cr系列齿轮钢则要求淬透性带宽≤6HRC，并且要求同一批钢材淬透性硬度值波动≤4HRC，是目前引进钢种中淬透性带指标要求最严的钢种。为了满足要求，我们对Mn-Cr系列齿轮钢影响淬透性的化学元素用计算机进行了回归分析，根据钢中C、Mn、Cr对淬透性各点硬度值的影响，确定了该系列钢种的内控成分范围。生产中通过在精炼炉内进行成分微调，从而使化学成分控制在较窄的范围内，实现了窄淬透性带控制的目的。同时也满足了钢材正火强度的要求。淬透性硬度值和正火强度控制范围见表4、表5。
表4 淬透性硬度值（J10）
| 钢种 | 16MnCr5 | 20MnCr5 | 25MnCr5 | 28MnCr5 |
| 标准 | 29-35HRC | 35-42HRC | 24-30HRC | 26-32HRC |
| 实现 | 29-32HRC | 36-42HRC | 27-30HRC | 29-32HRC |
表5 正火强度控制范围
| 钢种 | 标准 | 实际 |
| 16MnCr5 | 540-660Mpa | 550-640Mpa |
| 20MnCr5 | 590-720Mpa | 645-720Mpa |
| 25MnCr5 | 590-740Mpa | 595-600Mpa |
| 28MnCr5 | 600-750Mpa | 605-655Mpa |
2.4 晶粒度的控制
细经粒度钢具有较高的冲击韧性和良好的精加工性及深冲性，并且细晶粒度钢的淬火温度范围宽，这对齿轮钢来讲至关重要。目前，细化晶粒的手段是往钢中加入A1、Ti、V等元素，通过上述元素与钢中的氧、氮、碳形成氧化物或碳化物。它们在钢中以细小弥散质点分布于晶界处，以阻止晶粒长大，达到细化晶粒的目的。在生产中我们通过采用钢包喂A1线技术，严格控制钢中A1含量，使钢材的奥氏体晶粒度达到了较高水平8―6级。
2.5 钢材低倍、带状组织的控制
我们在提高钢液纯净度的基础上，通过计算该系列钢种的凝固点，确定了合适的浇注温度，做到了低温快注，并加强了补缩操作，同时通过控制轧钢工艺等，从而使钢材的低倍及带状组织得到了有效控制见表6。
表6 Mn-Cr系列钢种低倍及带状检验结果
| 标准 | 一般疏松（级） | 中心疏松（级） | 方形偏析（级） | 带状（级） |
| ≤3 | ≤3 | ≤3 | ≤2 | |
| 实际 | 0 | 0 | ≤1.5 | ≤2 |
3. 结论
北钢集团公司开发的Mn-Cr系列钢种，根据的国及用户提供的技术标准要求。采用先进的生产工艺路线并制定了合理的内控成分，通过对冶炼、轧钢有关工艺参数的控制，从而生产出了满足用户对化学成分、纯净度、淬透性带、晶粒度、低倍及带状组织要求的合格钢材。完全能够满足我国轿车生产厂家对该系列钢种的使用要求。
