摘 要：针对规格不小于ϕ80mm的齿轮钢20CrNiMo轧材探伤合格率低，轧材表面存在裂纹缺陷问题，对轧材裂纹缺陷进行分析，可知这可能是铸坯裂纹缺陷造成的。为了验证这一观点及查找出确切原因，便于提供解决方法，首先对铸坯表面进行抛丸检查，未发现裂纹缺陷；其次将存在裂纹的铸坯轧制成材的缺陷与轧材表面裂纹缺陷通过金相显微镜进行对比分析，发现裂纹形貌及周围脱碳程度存在差异，分析认为轧材裂纹不是由铸坯缺陷导致的；最后将铸坯开坯后方坯直接挑出缓冷后抛丸检查，发现表面存在严重划伤和凹坑缺陷，划伤缺陷形貌和周围脱碳程度与轧材裂纹相似。结果表明：轧材裂纹及翘皮缺陷是由铸坯开坯过程中产生的划伤和凹坑缺陷导致的，不是由铸坯裂纹缺陷导致的。
关键词：齿轮钢；表面裂纹；铸坯开坯；裂纹形貌；脱碳程度
20CrNiMo钢用于生产渗碳齿轮，因具有优良的弯曲、接触疲劳强度和耐磨性而获得越来越广泛的应用[1]。随着汽车制造业的不断发展，对齿轮钢钢材表面质量要求越来越严格，轧材的表面缺陷已成为产品质量提升的瓶颈，限制了钢材在汽车市场的推广应用[2]。在轧材探伤合格率低的情况下需要通过扒皮来满足客户的质量要求，增加了企业生产成本，企业迫切需要提升齿轮钢轧材表面质量[3]。
1 齿轮钢20CrNiMo生产工艺流程和质量现状
20CrNiMo主要用于汽车变速箱齿轮的制造，必须具有良好的表面质量，表面缺陷深度不得超过0.2mm[4]。生产工艺流程为：铁水预处理→90t顶底复吹转炉→LF精炼→真空脱气→连铸(ϕ380mm连铸坯)→开坯→连轧→矫直→抛丸→倒棱→超声波探伤＋涡流探伤，化学成分如表1所示。连铸机弧形半径为14.0m，连铸过程采用保护浇注，中间包过热度控制在20～30℃，结晶器采用含Ni钢专用保护渣，结晶器电磁搅拌参数为320A、3.0Hz，二冷电磁搅拌参数为350A、8.0Hz，末端电磁搅拌参数为450A、6.0Hz，结晶器水量为3500L/min，拉速为0.50m/min。
铸坯在轧制成ϕ80mm圆钢后轧材探伤一次合格率在20%左右，缺陷以裂纹和翘皮为主，为降低生产成本，生产过程中对轧制圆钢直接扒皮0.3mm探伤，探伤合格率在45%左右，仍然较低，对扒皮轧材缺陷处检查发现存在表面裂纹，如图1(a)所示，影响钢材的探伤合格率。对轧材取横向低倍，通过4%硝酸酒精对裂纹缺陷进行金相腐蚀[5]，如图1(b)所示，从高倍金相分析看裂纹两侧存在轻微脱碳现象，范围较小，裂纹底部呈长条状，深度在0.38mm左右，据此判断可能是由铸坯表面缺陷造成的[6]。
表1 20CrNiMo钢的化学成分(质量分数) %
图1 轧材表面裂纹缺陷
为进一步确认轧材裂纹是否由铸坯表面缺陷导致的，同时为了优化改善铸坯表面质量，生产时开展了一些列工艺试验，以便分析出确切原因。
2 保护渣试验及铸坯表面检查
根据钢中碳含量，决定试用厂内现有的低碳钢结晶器保护渣进行保护浇注[7]，连铸生产20CrNiMo钢时，选择一流使用低碳钢结晶器保护渣，其他流次仍使用原来含Ni钢专用结晶器保护渣，两种保护渣主要成分和物理性能指标如表2所示，相较于含Ni钢专用结晶器保护渣，低碳钢结晶器保护渣的碱度、黏度和熔点都有略微提高，使用过程中低碳钢结晶器保护渣液渣层厚度高于含Ni钢专用结晶器保护渣液渣层厚度，低碳钢结晶器保护渣渣耗量低于含Ni钢专用结晶器保护渣渣耗量。
表2 保护渣主要成分和物理性能指标(均值)
为了解使用含Ni钢专用结晶器保护渣铸坯表面质量，同时验证使用低碳钢结晶器保护渣铸坯表面质量改进效果，任选两炉铸坯进行抛丸检查，铸坯表面质量如图2(a)所示，使用含Ni钢专用结晶器保护渣铸坯表面振痕均匀，未发现明显裂纹缺陷，质量较好，使用低碳钢专用结晶器保护渣铸坯表面与使用含Ni钢专用结晶器保护渣铸坯表面质量相差不大，振痕比较均匀，但在其中一支定尺6m的铸坯上发现了表面纵向裂纹，如图2(b)所示，裂纹在距端部1.18m的位置，长度在12cm左右。
图2 圆坯表面
通过对铸坯表面的抛丸检查，原先使用含Ni钢专用结晶器保护渣的铸坯表面无明显质量问题，能够满足正常生产使用，使用低碳钢专用结晶器保护渣的铸坯存在表面裂纹缺陷，不能继续使用。考虑到现有保护渣无使用问题，铸坯表面质量较好，但轧材依然存在裂纹缺陷，对存在裂纹铸坯进行生产轧制。
3 裂纹铸坯轧制试验
为了了解铸坯裂纹在轧制过程中的变形情况及轧制之后在轧材中的形貌，对已经发现存在裂纹缺陷的铸坯进行单独组批正常生产轧制。跟踪生产轧制过程，确认靠近裂纹缺陷的端部先进加热炉，轧制规格为ϕ80mm，根据压缩比计算得出铸坯裂纹轧制后可能存在的位置，对轧材前6支6m的定尺材进行了标记，轧材需入坑缓冷，便于出坑后缩小缺陷检查的范围。轧材出坑后现场对标记的轧材进行检查，在第4支定尺材的尾部发现了长约3m的纵向裂纹，如图3所示。
图3 轧材表面裂纹
结合铸坯压缩比，轧材的缺陷位置与铸坯裂纹缺陷位置相吻合，根据位置和裂纹长度可以判断该轧材裂纹是由铸坯裂纹轧制而成的。对轧材裂纹取横向低倍试样，通过4%硝酸酒精对裂纹缺陷进行金相腐蚀，如图4所示，裂纹深度约为0.45mm，从图4(a)中看出，裂纹两侧存在大面积的脱碳现象，脱碳层从裂纹底部延伸到铸坯表面呈扇形打开，存在裂纹的铸坯经过加热炉加热后裂纹两侧会产生严重脱碳，在轧制过程中裂纹不断向两侧挤压，导致两侧存在大面积脱碳情况[8]。由图4(b)可知，裂纹底部开裂严重，呈树枝状，分叉较多，周围存在较多氧化物黑点，铸坯裂纹在轧制过程中不断被挤压开裂扩展。
对比铸坯裂纹轧制出的裂纹缺陷与原始轧材裂纹缺陷发现，原始轧材裂纹缺陷只存在两侧小面积脱碳，呈细长条状，与铸坯裂纹轧制出的轧材裂纹缺陷在脱碳面积及形貌上存在区别，可以判定原始轧材裂纹缺陷不是由铸坯裂纹缺陷导致的[9]。分析轧制过程，可能在开坯过程中产生了表面缺陷。
4 铸坯开方后表面检查
为了进一步分析出轧材裂纹缺陷产生的原因，开展了铸坯开方后表面抛丸检查试验。正常生产轧制过程中，选择其中一支铸坯出加热炉开方结束后直接挑出切割成两段入坑缓冷，不需进连轧机，方坯断面为200mm×160mm。待方坯出坑后经过精整抛丸探伤，发现方坯表面存在多处划伤和凹坑缺陷，结果如图5所示。方坯表面凹坑轧制后会在轧材表面产生翘皮。
图4 轧材裂纹高倍
图5 铸坯开方后表面
对方坯划伤缺陷取横向低倍试样，通过4%硝酸酒精对划伤缺陷进行金相腐蚀，如图6所示，裂纹深度约为0.9mm，裂纹两侧存在轻微脱碳现象，面积较小，裂纹开口较宽，底部呈细长条状，与原始轧材裂纹缺陷在形貌和脱碳面积上相似[10]。
图6 方坯表面划伤金相形貌
通过对铸坯开方表面检查及划伤缺陷分析，根据脱碳层面积和缺陷形貌特点，可以认为轧材裂纹缺陷是由铸坯在开方过程中产生的划伤缺陷导致的，而方坯表面凹坑轧制后会在轧材表面产生翘皮缺陷。通过降低铸坯在开方生产过程中产生划伤和凹坑缺陷，可以提高轧材探伤合格率。
5 改进措施
针对铸坯开坯过程中产生的划伤和凹坑等缺陷，主要从4个方面进行改进：
(1)辊道存在卡死现象，加强设备维护，及时更换备件；
(2)推床推钢过程存在划伤，进行设备技术改进，在推床面板上增加方辊，如图7所示；
(3)铸坯切割瘤掉入孔型或辊道中产生划伤，加料前剔除干净切割瘤，加强辊道检查，发现问题及时清除；
(4)辊面上粘钢会产生划伤，加强检查并及时清理。通过以上措施，有效地解决了铸坯开坯过程中的划伤问题，轧材探伤合格率提高到88%左右，同时验证了轧材探伤不合格是由于铸坯开坯过程中产生的缺陷导致的。
图7 开坯机推床
6 结论
(1)使用含Ni钢专用结晶器保护渣的ϕ380mm20CrNiMo钢铸坯表面无明显缺陷。
(2)低碳钢专用结晶器保护渣无法满足20CrNiMo钢的ϕ380mm使用要求，铸坯表面存在裂纹缺陷。
(3)轧材表面裂纹缺陷周围无明显大范围脱碳，裂纹底部呈细长条状，而铸坯裂纹缺陷轧制产生的轧材表面裂纹缺陷周围存在大面积脱碳，裂纹底部呈树枝状开裂。
(4)铸坯开方后表面产生了划伤和凹坑缺陷，划伤缺陷的脱碳层面积和形貌与轧材裂纹
缺陷相似。
(5)轧材裂纹和翘皮缺陷是由铸坯开坯过程中产生的划伤和凹坑缺陷导致的，不是由铸坯裂纹缺陷导致的。
作者：
林鹏，张洪才，刘影，许正周
江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司
参考文献：
[1]王彩，谢立湘，马军，等.SAE8620H等齿轮渗碳钢疲劳强度的提升
[2]陈晖，周细应.汽车齿轮钢的研究进展[J].材料科学与工程学报
[3]周伟基，魏仁杰，韩志远.高档汽车齿轮钢冶炼工艺研究
[4]刘苹.20CrNi2Mo钢渗碳淬火齿轮轴失效分析及对策
[5]雷娜，武甲，王明辉，等.金相试样制备方法在企业中的应用
[6]刘旭隆.12Cr1MoV钢轧材表面裂纹控制技术的研究与应用
[7]李殿明.连铸结晶器保护渣应用技术[M]
[8]朱苗勇，杜刚，阎立懿，等.现代冶金学(钢铁冶金卷)
[9]蔡开科.连铸坯质量控制
[10]王明辉，雷娜，赵乃胜.低倍检验在铸坯质量控制中的应用
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