合金元素和轧制工艺对20CrMnTi棒材组织性能的影响研究

摘要

20CrMnTi钢是目前国内最常使用的一种中强度渗碳齿轮钢，通常用来制造机器中较为重要的耐磨损零件，如制造汽车、农用机械上的齿轮、轴及活塞销等。在齿轮加工过程中需要经过多道剪切和车削工序，齿轮钢棒材硬度偏高会使齿轮加工质量和效率下降，因此齿轮生产企业一般要求其硬度小于217HBW。本文从合金元素偏析和轧后冷却速度两方面进行研究，降低棒材硬度。通过使用金属原位统计分布分析仪分析连铸坯中合金元素的分布，确定偏析程度较小的电磁搅拌工艺；采用热压缩实验研究了终轧温度及轧后冷却速度对棒材显微组织及性能的影响。针对实际生产中常出现的不同规格棒材硬度波动较大的现象，采用有限元模拟分析棒材的轧制及轧后冷却过程，分析棒材硬度波动较大的原因，为改善生产工艺提供理论依据。论文的主要研究结果如下：
　　(1)通过调整连铸电磁搅拌参数并使用金属原位分析仪对连铸坯合金元素的分布进行检测，发现当连铸电磁搅拌电流从200A增大到400A，电流频率保持2.5Hz不变时，连铸坯横截面上的C、Mn、Cr等主要合金元素的偏析度逐渐减小，分布变得均匀。试验结果表明当电磁搅拌电流为400A时，碳的统计偏析度最小，合金元素分布最为均匀。
　　(2)通过热压缩模拟实验模拟20CrMnTi钢变形条件下的连续冷却转变，结合金相观察绘制了连续冷却转变曲线，研究了连续冷却过程中奥氏体相变及转变产物的组织形态。热压缩模拟实验结果表明当终轧温度在950℃～1000℃，冷却速度为0.2～0.3℃/s时，20CrMnTi钢都能获得较好的显微组织与性能，当冷速达到0.5℃/s时，组织中出现退化珠光体组织，提高棒材硬度。
　　(3)通过采用DEFORM有限元软件对棒材轧制和轧后冷却过程进行模拟，获得了轧制过程中轧件的温度场、等效应力的分布规律。对Φ150mm和Φ80mm两种规格的棒材轧后冷却过程中温度场的变化进行了对比，发现当开轧温度相同时，Φ80mm棒材出精轧后其横截面上的温度分布更为均匀，但轧后棒材的冷却速度也更快，使它的硬度比Φ150mm棒材更高。
　　(4)工业试生产结果表明采用400A、2.5Hz的电磁搅拌电流，控制棒材终轧温度，增加冷床保温罩，小规格棒材运送过程中采用紧密排列等方式以减缓棒材的冷速后，齿轮钢棒材的硬度情况得到改善，不同规格棒材的硬度差异减小。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 齿轮钢概述

1.2.1 齿轮生产工艺

1.2.2 齿轮钢的生产

1.2.3 汽车用齿轮钢的质量要求

1.2.4 汽车用齿轮钢发展趋势

1.3 齿轮钢中合金元素的作用

1.3.1 合金元素在钢中的存在形式

1.3.2 合金元素对组织转变的影响

1.3.3 合金元素对力学性能的影响

1.4 有限元模拟在塑性加工中的应用

1.4.1 有限元法的类型

1.4.2 轧制温度场的有限元分析

1.4.3 DEFORM软件的应用

1.5 本文的研究目的、内容和意义

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验设备及研究方法

2.1 实验材料及制备

2.2 合金元素分布分析

2.2.1 棒材合金元素分布

2.2.2 连铸电磁搅拌工艺

2.3 热应力模拟实验

2.3.1 连续冷却转变曲线的测定

2.3.2 冷却工艺模拟

2.4 组织性能检测

2.4.1 金相显微组织观察

2.4.2 硬度检测

第三章 20CrMnTi钢的连铸工艺及元素偏析的研究

3.1 引言

3.2 合金元素分布与硬度的关系

3.3 电磁搅拌工艺的优化

3.3.1 电磁搅拌工艺对偏析的影响

3.3.2 棒材成品合金元素分布

3.4 本章小结

第四章 20CrMnTi棒材轧后冷却工艺的研究

4.1 引言

4.220CrMnTi钢的连续冷却转变曲线

4.3 硬度检测结果分析

4.3.1 钢厂棒材产品硬度情况

4.3.2 热模拟试样硬度分析

4.4 金相组织分析

4.4.1 冷却速度对组织性能的影响

4.4.2 终轧温度对组织性能的影响

4.5 异常组织观察

4.5.1 棒材成品异常组织

4.5.2 热压缩实验试样异常组织观察

4.5.3 退化珠光体组织形成的影响因素

4.6 工艺试验

4.6.1 生产工艺流程

4.6.220CrMnTi棒材的生产

4.7 本章小结

第五章 棒材轧制及轧后冷却模拟

5.1 引言

5.2 棒材硬度情况分析

5.3 Ф150mm棒材轧制过程模拟

5.3.1 DEFORM软件简介

5.3.2 有限元模型的优化

5.3.3 轧制有限元模型的建立

5.4 模拟结果及分析

5.4.1 Ф150mm棒材轧制过程温度场模拟

5.4.2 Ф150mm棒材轧制等效应力场

5.4.3 Ф150mm棒材轧制等效应变场

5.5 Ф80mm、Ф150mm棒材对比分析

5.5.1 轧制过程温度场的分析

5.5.2 等效应变场与应变速率的分析

5.5.3 轧后冷却过程冷却速度分析

5.6 工艺试验

5.7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读硕士学位期间发表的学术论文目录)