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        20CrMnTiH淬透性分析與預測

        2021-03-27 14:35:28李宇宙戈文英劉佳偉
        山西冶金 2021年1期
        關(guān)鍵詞:淬透性鋼種奧氏體

        李宇宙,岳 峰,戈文英,劉 兵,劉佳偉

        (1.北京科技大學鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100089;2.萊蕪鋼鐵股份有限公司,山東 萊蕪271104;3.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083)

        20CrMnTiH作為滲碳齒輪用鋼,具有十分廣泛的用途。淬透性可以代表20CrMnTi的質(zhì)量優(yōu)劣。齒輪鋼淬透性指標的穩(wěn)定性對齒輪熱處理后變形程度有著很大的影響,淬透性帶寬越窄、離散度越小,對齒輪的加工、齒輪壽命和嚙合精度的提高越有利[1]。本文對某鋼廠所生產(chǎn)20CrMnTiH齒輪鋼的淬透性進行分析及預測,為后期提高其淬透性的穩(wěn)定性與降低帶寬提供理論指導。

        1 現(xiàn)狀研究

        淬透性對鋼的組織性能有很大的影響,是衡量鋼的質(zhì)量的重要指標。影響淬透性的主要因素包括鋼的化學成分和奧氏體晶粒度。穩(wěn)定均勻的化學成分、適當?shù)膴W氏體晶粒度對穩(wěn)定淬透性、減小淬透性帶寬都有積極的作用[2]。由于淬透性與鋼的化學成分和組織結(jié)構(gòu)間存在非常復雜的關(guān)系,所以精煉過程鋼水化學成分的穩(wěn)定、均勻控制,實現(xiàn)淬透性的準確預報就成為縮小齒輪鋼淬透性帶寬的關(guān)鍵技術(shù)[3,4]。某廠20CrMnTiH生產(chǎn)工藝為50 t電爐-LF精煉-VD-CC。以下為其實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對其484爐合格品的成分和淬透性值J9、J15進行統(tǒng)計見表1,運用origin作圖得到的結(jié)果如圖1和圖2。

        由表1可知,該鋼種的成分滿足標準要求,但是成分波動比較大,所以造成該鋼種淬透性帶寬較大,如下圖1、圖2所示。統(tǒng)計可知,淬透性J9帶寬小于等于5HRC為60.34%,J15帶寬小于等于5HRC為57.64%。

        表1 20CrMnTiH成分 %

        圖1 J9分布

        圖2 J15分布

        2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

        研究各元素成分對淬透性的影響,對單一成分在每一質(zhì)量分數(shù)的所有爐次的淬透性值進行平均,分析各元素對淬透性的影響。

        圖3 C對淬透性的影響

        圖4 Cr對淬透性的影響

        由圖3可知,w[C]每增加0.01%,J9值增加1.31 HRC,J15值增加1.56 HRC。碳是決定齒輪鋼淬火后獲得馬氏體硬度的最重要元素,隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加,馬氏體硬度變大,同時鋼的淬透性也隨之變大。

        由圖4可知,w[Cr]每增加0.01%,J9值增加0.40 HRC,J15值增加0.45 HRC。鉻可以顯著增加鋼的淬透性,在一定強度水平情況下,使其具有較好的塑性和韌性。

        圖6 Ti對淬透性的影響

        圖5 Mn對淬透性的影響

        由圖5可知,w[Mn]每增加0.01%,J9值增加0.36 HRC,J15值增加0.7 HRC。錳大幅度增加鋼的淬透性,而且可以改善鋼的熱加工性能,但其質(zhì)量分數(shù)較高時,有使鋼晶粒粗化的傾向。

        由圖6可知,w[Ti]每增加0.01%,J9值減少0.34 HRC,J15值減少0.26 HRC。鈦是細化晶粒元素,在鋼中主要以碳化物存在,而TiC在一般奧氏體化溫度下是以未溶的,因此減少了奧氏體中含碳量、并通過細化晶粒和起到形核作用而降低鋼的淬透性。

        圖7 B對淬透性的影響

        由圖7可知,殘余元素B在鋼種中的含量非常少,但是對該鋼種的淬透性影響很大,w[B]每增加0.000 1%,J9值增加0.27 HRC,J15值增加0.20 HRC。硼易于在奧氏體晶粒的界面上偏聚,減小了奧氏體晶界的界面能,降低了過冷奧氏體分解時的形核率,從而有效地推遲過冷奧氏體的分解,阻止其轉(zhuǎn)變?yōu)榉邱R組織,從而提高了鋼的淬透性。

        綜上所述,各因素對淬透性值J9和J15的影響趨勢是一致的,但具體影響系數(shù)有所區(qū)別,其中碳、鉻、錳、硼等元素會增大淬透性,而鈦會減小淬透性。

        3 模型討論與驗證

        3.1 線性模型

        對所得到數(shù)據(jù)進行線性逐步回歸得出以下公式1和公式2結(jié)果:

        復相關(guān)系數(shù)為R2=0.690,R=0.831,置信度水平為0.05。

        復相關(guān)系數(shù)為R2=0.694,R=0.833,置信度水平為0.05。

        利用F檢驗,對所得到的回歸式顯著性檢驗得到的相關(guān)系數(shù)分別為R=0.831,R=0.833,高度顯著,得到的回歸式是有意義的,可以使用。利用t檢驗給出了回歸系數(shù)的檢驗值在置信度水平為0.05的前提下,所得到的回歸式系數(shù)的t檢驗值得絕對值均大于1.96,可以認為是高度顯著的。

        通過線性逐步回歸表明,該廠20CrMnTi的淬透性主要影響因素為碳、錳、鉻、鈦、鉬,硼。

        3.2 非線性模型

        根據(jù)回歸方程和合金化原理分析影響20CrMnTi鋼淬透性的主要合金元素及作用[5]。同時,結(jié)合修正后的余氏非線性方程,引入合金化當量M和半馬距Eb,建立淬透性預測模型,得出修正后的余氏方程如下所示:

        式中:JE為端淬硬度,HRC;E為距淬火端距離,mm;J0為淬火端馬氏體硬度,HRC;Cf為淬透性曲線形狀修復系數(shù);Eb為半馬距;M為合金化當量;G為晶粒度級別;各元素符號代表其質(zhì)量分數(shù)[6]。

        采用C#語言對該數(shù)學模型進行程序編寫。所得淬透性預測界面如下:

        圖8 淬透性預報界面

        3.3 模型對比與驗證

        對2019年11月份的16爐次數(shù)據(jù)進行兩種模型的淬透性預報,將該爐次的主要化學成分按實際值計算,得到預測值J9和J15,將所得出預報值和實際測得淬透性對比如表2和表3所示。

        表2 逐步回歸預測 HRC

        表3 非線性回歸預測 HRC

        由表2和表3可得如下結(jié)論:

        1)相比于普通的逐步回歸預測,基于余氏非線性方程的回歸預測的準確性更高。

        2)對于非線性回歸模型,爐次9和爐次11的實測值與預測值相差異常大,這可能是由于進行端淬實驗時造成的誤差,由模型所計算得出的淬透性更具有可靠性。對于其他爐次,J9和J15實測值與預測值誤差范圍較小,其平均偏差分別是4.3%和7.2%。若將淬透性預測誤差限定在3 HRC以內(nèi),J9和J15的預測準確率分別在100%和92.9%;若誤差限定在2.5HRC以內(nèi),J9和J15的預測準確率分別為92.9%和85.7%;若誤差限定在2 HRC以內(nèi),則J9和J15的預測,準確率分別為64.2%和57.1%??梢哉J為該模型對該鋼廠生產(chǎn)的20CrMnTiH鋼種具有可靠的淬透性預報功能。

        4 結(jié)論

        1)線性逐步回歸表明,某廠20CrMnTiH淬透性影響元素主要為碳、錳、鉻、鈦、鉬,硼。

        2)非線性模型預測值與實際值較為符合。J9和J15的偏差分別為4.3%和7.2%。若將淬透性預測誤差限定在3 HRC以內(nèi),該模型J9和J15的預測準確率分別在100%和92.9%;若誤差限定在2.5 HRC以內(nèi),則J9和J15的預測準確率分別為92.9%和85.7%。

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