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20CrMnTi齿轮钢中氮含量对硫化物夹杂的影响

齿轮钢在很多材料领域中广泛使用，随着中国车辆机械工业的快速发展，齿轮钢的市场需求量越来越多，其中20CrMnti是齿轮用钢的主导品种。齿轮钢拥有较高的强韧性、耐磨性、疲劳强度。当钢中有较多MnS夹杂物时，MnS夹杂作为应力集中源，割断了基体的连续性而使切削易断，以及具有润滑作用降低刀具磨损，并且硫化物夹杂能包裹Al2O3尖晶石类硬质夹杂物而减少刀具磨损。从而改善了钢材的切削加工性能。为了使齿轮钢在加工时提高其切削性能，目前国内外将齿轮钢的硫质量分数控制为0.025%~0.040%。

然而由于钢坯在热轧制过程中，钢坯中的MnS夹杂物会沿着轧制方向伸长，当钢材中的MnS夹杂物形态呈现为细长条状分布时，将会降低垂直于轧制方向的延性和韧性，加剧钢材的各向异性，材料的横向冲击断开为木纹状断口，使横向冲击韧性值降低。文献指出当钢材中硫化物形态为椭圆形均匀分布及极少量条状时，相比于细长条及少量椭圆形且分布不均匀的切削性能好、横向冲击韧高。本文通过对钢中MnS夹杂进行改性试验，控制钢中MnS夹杂物形貌特征，以改善钢材中硫化物的尺寸大小。
1、20CrMnTi钢硫化物控制现状
钢厂生产的20CrMnTi齿轮钢硫质量分数控制为0.025%~0.035%，主要化学成分见表1。

冶炼20CrMnTi时采用“90t转炉吹炼LF精炼RH真空处理150mm×150mm方坯连铸”流程，原工艺条件下，轧材金相高倍下硫化物夹杂形貌分布如图1所示，硫化物夹杂成分均为MnS，此钢的A类硫化物均为细长条形，夹杂物按照国家标准GB/T 10561评定达到3.0~3.5级。
为了控制MnS夹杂物的长宽比，使其形态为纺锤状，且均匀分布，诸多钢厂采用钢水钙处理获得有核心的(Mn，Ca)S球形或纺锤状复合夹杂物，也有通过加入稀土对MnS夹杂进行变性处理，形成高硬度不易变形的稀土硫化物或稀土硫氧化物改善MnS形态。但从目前的工艺技术研究和运用上看，对于含0.025%~0.035%硫和0.020%左右铝的20 CrMnTi钢，采用钙处理对硫化物夹杂进行变性时，钢水中的氧化铝夹杂很难变性为12(CaO)·7(Al2O3)，工艺一旦掌握不好，不但不能使氧化物和硫化物夹杂很好地变性，反而容易造成连铸浸入式水口结瘤。
钢厂针对含硫含铝钢可浇性进行了相关的工艺优化，通过抑制CaS生成，使钢中氧化物夹杂物仍以钙铝酸盐为主，可显著改善钢水可浇性，但该工艺对钢中硫化物夹杂形貌的控制方面没有改善作用。对于含钛钢种，吴树漂等认为，冶炼过程中控制好TiN的形状或使其变性，可以消除其对疲劳寿命的影响。该钢厂现有工艺条件下生产的20 CrMnTi钢中含有0.04%~0.08%的钛、0.0030%~0.0040%的氮。本文利用钢水凝固过程中TiN和MnS的结合变性思路进行工艺的优化试验，实现既可控制TiN又可改变硫化物夹杂的形态、尺寸及组成。
2、TiN和MnS析出热力学计算
钢液在连铸浇铸过程中，随着温度的降低，Ti和N的溶解度逐渐降低，当其溶度积超过平衡溶度积时，TiN即析出。MnS亦然。
按照表1的20 CrMnTi钢的化学成分，计算得到液相线和固相线温度分别为1508和1445℃。由热力学计算分析可以得到，20CrMnTi钢中的TiN和MnS均在固液两相区析出。具备了TiN与MnS在相邻的凝固温度下先后析出。
原工艺条件下，硫化物析出的附近存在片状氮化钛，之所以TiN和MnS平行析出而没有以TiN为核心的MnS，主要是因为两者的析出温度接近。从图3和图4的比对可发现，通过增加钢中氮含量可以使TiN在更高的温度下析出，优先与MnS析出，从而使更多的MnS夹杂能以TiN为形核核心，使A类夹杂物改性从而改善其形态。

3、钢中不同氮含量对硫化物影响的试验研究
基于热力学理论计算结果，进行工业试验，分析研究20 CrMnTi钢中含有不同氮含量下，*终轧材A类硫化物夹杂的形貌、组元变化情况。
3.1 试验方案
20CrMnTi钢在原冶炼生产工艺不变的条件下，使用不影响钢水洁净度的RH真空处理过程增氮技术，钢水在RH处理过程中使用氮气作为提升气体，并保持不同的时间达到钢水增氮，使钢中的氮质量分数由原工艺0.0035%左右分别增加到0.0055%左右和0.0075%左右，然后通过相同的轧钢工艺、压缩比进行轧制。

试验方案见表3，试验得到氮质量分数分别为0.0035%、0.0057%和0.0073%的钢坯，对3种氮含量的钢坯进行轧制，并对轧材进行金相检验和夹杂物的 SEM-EDS分析。
3.2 试验结果
3种氮含量的轧材按照GB/T10561-2005进行非金属夹杂物评级，检验评级结果见表4。可以看出，钢中氮质量分数不低于0.0050%后，A类夹杂物有明显改善，尤其是钢中氮质量分数为0.0053%时，相比氮质量分数为0.0035%的非金属夹杂A类由细系3.5级降低到1.0级。

图5所示为不同氮含量钢轧材中非金属A类夹杂的形貌、分布，与钢中氮质量分数为0.0035%的相比(图1)，钢中氮含量高后，A类夹杂物变的短小、均匀分散。而氮质量分数为0.0073%的钢中长条状硫化物要多一些，且出现了大颗粒的TiN。如图3中的点“4”，钢中氮含量过高，TiN在两相区过早析出，而过早析出的TiN存在聚集长大的条件。

在实际的生产试验中，钢中氮质量分数达到0.0073%后，钢中析出的TiN尺寸*大达到16m，如图5(b)所示，而要使TiN作为形核核心，其颗粒必须细小、弥散，氮质量分数为0.0057%的钢中没有出现单独的大尺寸的TiN，其A类夹杂物控制*好，这一结果与理论分析的结果相符合。
3.2.1 A类夹杂数量和尺寸变化
利用扫描电镜对钢中A类夹杂物进行自动统计分析，3种氮含量钢中单位面积A类夹杂物尺数量统计结果如图6所示。

A类夹杂物的总数量上变化不大，w([N])>0.0040%的钢中每平方毫米小于10m的A类夹杂物数量相比w([N])0.0035%的钢增加19%，10~30μm的增加10%。w([N])=0.0035%的钢中30~50m的A类夹杂物数量只有29个/mm2，而w ([N])=0.0057%钢中30~50m的A类夹杂物数量*多(67个mm2)，同比增加了22%。可见，钢中氮含量增加后A类夹杂物长条状的变少，短状变多。
含0.0057%氮的钢中不大于50μm的A类夹杂物单位面积数量占比达89%，要比含0.0073%氮的钢多22%，含0.0057%氮的钢基本没有大于100μm的A类夹杂物，而含0.0073%氮的钢有占比8.8%的A类夹杂物大于100μm。可见钢中氮含量过高后，对钢中硫化物的改性效果减弱。
3.2.2 A类夹杂物组成变化
对含质量分数为0.0057%的轧材中A类夹杂物进行 SEM-EDS分析，图7所示为A类夹杂物形貌及面扫结果，图8所示为A类夹杂物的能谱分析结果。可以看出，氮质量分数为0.0057%的钢A类夹杂物相比于氮质量分数为0.0035%钢的纯MnS夹杂物，多数夹杂物为Mn、S、Ti、N的复合夹杂物，以及芯部为TiN周围包裹着MnS的夹杂。
从对20 CrMnTi钢不同氮含量下A类夹杂物的分析结果看，通过适当提高钢中的氮含量，有利于使钢中TiN优先于MnS析出，为MnS夹杂物提供了形核核心，进而使硫化物变性为含Ti和N的复合夹杂。达到了对硫化物夹杂物的氮化钛改性，*终使轧材中的硫化物夹杂呈小型态。
3.3 钢的低倍及性能变化
为确认钢中氮含量增加后钢材性能的影响，对氮质量分数为0.0035%和0.0057%的铸坏同时轧制成∮0mm热轧材进行力学性能、末端淬透性及低倍组织等比对材进行比对分析，检验比对结果见表5和表6。

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可以看出，钢中适量增加氮含量后钢材的性能略有改变，方案一比原工艺的轧材屈服和抗拉盛度降低50MPa左右，U型冲击吸收功相提高了5-10J，硬度降低2HBW左右。通过提高钢中氮含量改善A类夹杂，有利于提高钢材的冲击韧性。
4、结论
(1)20CrMnti钢中的TiN、MnS夹杂不会在液相线温度以上析出，而是在液相线和固相线之间开始析出。通过增加钢中氮含量可以使TiN在更高的温度下析出，优先于MnS析出。
(2)钢中氮质量分数由0.0035%增加到0.0050%~0.0080%可明显改善非金属夹杂A类细系等级，尤其氮质量分数控制为0.0055%左右，A类细系由原来的3.5级降低到1.0级。
(3)钢中氮质量分数由0.0057%增加到0.0073%，钢中TiN在两相区过早的析出、长大，析出的TiN颗粒尺寸*大达到16m，不利于MnS夹杂物的形核析出，A类夹杂形貌改善不明显。
(4)钢中氮质量分数增加到0.0055%左右，小于10m的A类夹杂物数量相比增加19%，10~30m的增加10%，30~50m的增加22%，A类夹杂物长条状的变少，变得短小、均匀分散，A类夹杂物改性为Mn、S、Ti、N的复合夹杂物，以及芯部TiN、周围包裹着MnS的复合夹杂。

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