20CrNiMoH连铸坯表面裂纹成因及防止措施

20CrNiMoH连铸坯表面裂纹成因及防止措施

吉喆,张春雷,王哲

石钢京诚装备技术有限公司 辽宁省营口市   115000

摘要：随着汽车领域发展越来越快，对齿轮钢的需求就变得非常大，所以齿轮钢变得越来越重要，不过齿轮钢在生产过程当中存在着很多的问题，其中较为严重的就是应力集中问题，会造成表面裂纹，所以必须采取有效的方法进行解决。为了更有效的探究齿轮钢裂纹成因，在此以20CrNiMoH齿轮钢为例，分别利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析等方法对裂纹成因展开探究，分析发现连铸坯卷渣是主要因素，并提出有效的防止措施，希望给20CrNiMoH连铸坯表面裂纹防止带来有效的作用。

关键词：20CrNiMoH；连铸坯；表面裂纹成因；防止措施

    如今齿轮钢的需求非常大，生产规模也越来越大，但是受非金属杂质的影响，使得齿轮钢在生产时，会出现严重的应力集中情况，从而使得表面出现裂纹，一般裂纹的程度会受杂质性质、数量、形态以及分布情况等影响。为有效解决这些问题，着重研究了20CrNiMoH，该齿轮钢的杂质较少，淬透性、可锻性、加工性、焊接性都很好，能够良好用在重型机械当中，不过利用EAF-LF-VD-CC流程进行生产时，20CrNiMoH连铸坯表面具有裂纹，为避免裂纹产生，就对连铸技术进行了改善，以防止裂纹问题，增强产品质量。

一、20CrNiMoH齿轮钢的生产过程

     通常20CrNiMoH齿轮钢的生产包括以下五个过程，分别为：EAF电弧炉、LF钢包精炼炉、VD真空精炼炉、连铸机以及棒材轧制。

（一）EAF电弧炉

    EAF电弧炉生产过程为：先精选出废钢，然后运用铁水代替部分废钢，铁水的加入时间应在第一次加料之后，并且炉料大概熔解20%时，这样是为了避免铁水发生飞溅。在冶炼过程中应加入50%以上的铁水，这样才能有效调节稀释钢水里的残余元素。

（二）LF钢包精炼炉

    LF钢包精炼炉主要运用的是扩散脱氧以及造白渣技术，炉渣的碱度大于3，在脱氧过程当中，需要连续吹Ar并搅拌20min以上。

（三）VD真空精炼炉

     VD真空精炼炉的主要作用是净化钢水，其真空压力应为100Pa，吹氩时间大于15min。

（四）连铸机

    连铸机主要运用的是5机5流全弧型，四点矫直，连铸坯的断面为260mm×300mm，必须采取保护浇铸，避免钢水发生二次氧化，同时过热度应为15-30℃，拉坯的速度波动为±0.1m/min，最大的拉速为2.0m/min，结晶器应运用电磁搅拌，能够自动控制液位。

（五）棒材轧制

    棒材轧制的生产过程为：先将连铸坯进行缓冷，然后放进加热炉里进行加热，在加热时需要注意温度，尤其是均热段的温度，其温度应大于1180℃，并具有充足的保温时间。同时良好控制轧制时间，一般开轧温度应保持为1120-1180℃、终轧温度应保持为920-950℃，当轧制完成时，还要检验其质量，同时精整打磨处理。

二、20CrNiMoH齿轮钢的生产结果分析

    对20CrNiMoH齿轮钢的生产结果主要采用三种方法进行分析，分别为：宏观观察法、金相组织观察法以及电镜扫描观察法。

（一）宏观观察法

    通过宏观观察可知20CrNiMoH钢表面具有裂纹，而且裂纹的大小都不一样，小裂纹比较多，长度为4-10mm，大裂纹比较少，长度为20-38mm，宽度为0.3-1.5mm。

（二）金相组织观察法

    通过金相组织观察法可知20CrNiMoH钢的组成部分主要为铁素体与珠光体，裂纹处主要成分是铁素体，珠光体的含量很少。

（三）电镜扫描观察法

    电镜扫描观察法需要先在20CrNiMoH钢的裂纹中选取两处，然后在裂纹边到根部选取3处，分别标为1、2、3，再通过能谱分析就能得到其成分。

三、20CrNiMoH连铸坯表面裂纹成因

    一般造成20CrNiMoH连铸坯表面裂纹成因的因素非常多，主要因素有五个，分别为：钢水过热度、拉坯速度、结晶器内钢水液面波动、浸入式水口插入深度以及结晶器保护渣性能。

（一）钢水过热度

    钢水过热度会引起纵裂纹，形成位置主要是结晶器的钢水弯月面，如果钢水过热度较大，对结晶器与钢铸坯的润滑性越强，从而使弯月面的热量比较多，使坯壳生长速度减慢，铸坯凝固速度变慢，杂质就会上浮，增大结晶器的防渣效果，所以增大过热度，能够提升防渣的效果。

（二）拉坯速度

    如果拉坯速度较大，结晶器的窄面弯月面就会裸露，使得结晶器流体湍动与流场不对称，进而形成漩涡，当拉速不断增加，结晶器的热流就会增加，使得结晶器的宽表面流速与平均波高均显著增大。另外，当拉坯速度变大，会使液面钢的水流速度、回流强度以及漩涡强度变大，从而产生驻波，造成卷入渣量变大，深度变深。

（三）结晶器内钢水液面波动

    如果结晶器内钢水液面波动较大，就会使液面流速增大，导致钢渣卷入量过大。如果把钢水液面向下移动，就会导致弯月面坯壳因钢水面下移而造成冷却；如果把钢水液面向上移动，就会导致钢水高于弯月面坯壳，从而被加热，不断冷热作用也会加大裂纹产生。

（四）浸入式水口插入深度

    通常浸入式水口可以避免钢水发生二次氧化，并良好管控钢流，防止热流集中，从而避免纵裂纹发生。不过需要注意插入的深度，如果插入过深，则会导致钢水从侧孔流出，进而造成弯月面热量较低，保护渣无法均匀熔化，液面波动较大，坯壳不均匀生长。

（五）结晶器保护渣性能

    通常结晶器保护渣能起到良好的保护作用，对钢铸坯润滑、传热均匀、避免钢水二次氧化等具有良好的作用，给钢水浇铸带来良好的帮助。但是结晶器保护渣性能还比较低，因此，必须提升其性能，减少黏度，增大温度，从而优化渣膜与铸坯的润滑作用，促进坯壳均匀生长。

三、20CrNiMoH连铸坯表面裂纹的防止措施

（一）改善钢水过热度

    通常应在促进坯壳生长的情况下来控制裂纹生成，具体可把过热度从15-30℃变为25-35℃，并调节目标过热度，从25℃变成30℃。

（二）改变拉坯速度

    可把拉坯速度从0.9m/min变为0.8m/min。

（三）采用电磁搅拌

    电磁搅拌能够自动控制液面，为减少结晶器液面波动，应将液面波动从±6mm变为±3mm。

（四）严格控制浸入式水口深度

    因为水口插入深度会影响裂纹发生，所以必须良好控制深度，通常应处于150-180mm。

（五）优化助熔剂成分

    应加强结晶器保护渣的碱度，让保护渣黏性减小，温度提高，一般碱度变化应保持在0.05以内，这样可使20CrNiMoH表面裂纹显著减少。

五、总结

    通过上述内容可知，20CrNiMoH钢裂纹主要是连铸坯卷渣造成的，必须采取有效的防止措施，具体为改善钢水过热度、改变拉坯速度、采用电磁搅拌、严格控制浸入式水口深度、优化助熔剂成分，以防止裂纹出现。

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