一种20MnCrS5钢及其制备方法和应用与流程

本发明属于大规格齿轮钢的制备，具体涉及一种20mnc rs5钢及其制备方法和应用。

背景技术：

1、20mncr5是一种合金结构钢，渗碳钢，强度、韧性均高，淬透性良好。20mncrs5是20mncr5的改进型钢种，20mncrs5属于合金结构钢，渗碳钢类，也可作调质钢用。淬透性较好，热处理变形小，耐磨性好，低温韧性好，切削加工性能良好，可作渗碳件、规格和截面都较大、负荷较高的调质件，如大型风电齿轮、轴类、蜗杆、套筒、摩擦轮等。

2、上述提到20mncrs5可作规格和截面都较大的钢件，如大型风电齿轮等，就需要20mncrs5原始钢材具有较大的规格，并且与凝固有关的参数，如钢材的致密性、偏析、疏松和缩孔等都要满足使用要求，但目前采用连铸工艺制备的20mncrs5还无法完全满足此要求，规格在φ180mm以上的大规格钢材尤为突出。其原因是连铸相当于一个高、宽比特别大的钢锭的凝固，由于铸坯凝固时受到强烈的喷水强制冷却，所以，凝固时的温度梯度、冷却强度都比缓冷条件下的钢锭大得多，所以柱状晶比较发达，尤其在铸坯凝固后期由于柱状树枝晶的搭接，等轴树枝晶不足或体积减少而形成了小钢锭的凝固结晶现象，容易形成凝固桥，在凝固桥下部有中心缩孔和疏松形成，加重了元素的偏析，致使铸坯在热加工时会产生脆性和断裂。另外，连铸坯凝固的断面一般较小，而且首先从侧面优先凝固，在内部有可能形成深达几十米的液相隙，容易造成因钢液填充不足而出现中心缩孔等缺陷。可见，连铸坯的凝固特点决定了它必然产生中心偏析和缩孔等内部缺陷。

3、目前采用连铸工艺制备的20mncrs5由于生产的连续性，连铸对其生产的要求是具有一定的可浇性，但由于20mncrs5属于含硫钢，硫在钢中以硫化物夹杂的形式存在，夹杂物增多就会在连铸水口处聚集结瘤而堵塞水口，导致可浇性变差。《河北冶金》在公开发表的文献“改善低硅20mncrs5钢水可浇性工艺实践”中介绍，20mncrs5在冶炼中氧和钢水中含量较高的硫反应生成较多cas夹杂，使钢水纯净度变差，在冶炼和连铸过程中形成大量夹杂物，高熔点夹杂物在连铸过程中在水口积瘤堵塞水口，使钢水的可浇性变差，虽经过工艺改进，连浇炉数也较低。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提供一种20mncrs5钢及其制备方法和应用，避免了凝固组织枝晶搭接，减轻了元素偏析，改善了钢材的致密性。

2、本发明第一方面保护一种20mncrs5钢，由如下重量百分含量的化学元素组成：c：0.17％～0.22％，si：0.15％～0.40％，mn：1.10％～1.30％，p≤0.035％，s：0.035％～0.045％，cr：1.00％～1.30％，alt：0.020％～0.060％，余量为铁和不可避免的杂质。

3、本发明第二方面保护一种20mncrs5钢的制备方法，包括如下步骤：电炉冶炼、lf炉精炼、vd炉精炼、模铸、加热和轧制；

4、所述模铸包括开注前通入第一惰性气体保护浇注，所述第一惰性气体优选为氩气。设置引流钢水量≥100kg；控制钢包从vd炉吊出至开始浇注的时间≤10min，过热度控制在25℃～35℃；浇注时，钢包水口高于漏斗砖150～200mm。

5、进一步地，所述电炉冶炼包括控制出钢终点碳在0.05％≤c≤0.13％，终点磷控制在p≤0.020％，电炉出钢温度控制在1640℃～1680℃。

6、进一步地，所述lf炉精炼包括白渣时间≥25min，第二惰性气体，所述第二惰性气体优选为氩气，压力为0.2mpa～0.4mpa，lf出炉吊包温度控制在1665℃～1695℃。

7、进一步地，所述vd炉精炼包括喂入高钙线，真空处理，所述真空处理的真空度≤100pa，所述真空处理的时间为≥15min，破真空，喂入硫磺线，静吹第三惰性气体，所述第三惰性气体优选为氩气，所述第三惰性气体的静吹时间为15min～35min，静吹压力为0.1mpa～0.3mpa，vd炉吊包温度为1579℃～1611℃。

8、进一步地，所述加热包括采用均热炉进行加热，在200℃保温0.5h，然后用3h～3.5h升温到1200℃～1220℃，最后在1200℃～1220℃保持1.5h～2h，保证铸坯温度均匀及透烧。

9、进一步地，所述轧制包括开轧温度1100℃～1200℃，终轧温度850℃～1000℃，轧制规格范围φ180mm～φ250mm，钢材轧制后入保温坑缓冷，入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，缓冷时间≥24h。

10、本发明第三方面保护上述20mncrs5钢在齿轮中的应用。

11、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

12、有益效果：

13、(1)本发明针对20mncrs5现有连铸工艺在钢材的致密性、偏析、疏松和缩孔等指标方面的不足，通过采用模铸工艺，可以改善钢锭的冷却条件，使铸锭凝固时温度梯度和冷却强度都要弱于连铸工艺，避免了凝固组织枝晶搭接，减轻了元素偏析，改善了钢材的致密性。

14、(2)现有技术20mncrs5由于连铸工艺本身水口堵塞的特点，加上20mncrs5属于含硫钢，硫在钢中以硫化物夹杂的形式存在，更容易在连铸水口处聚集结瘤而堵塞水口，导致可浇性变差，最终影响钢材的质量。而采用模铸工艺，由于模铸工艺不同于连铸工艺需要多炉连浇，可以有效的避免连铸因断浇而导致产品的波动。

15、(3)本发明所述20mncrs5，规格范围φ180mm～φ250mm，一般疏松≤0.5级，中心疏松≤1.0级，锭型偏析≤0.5级，超声波探伤≥a级，晶粒度≥7级，全部优于同规格的连铸材。

技术特征：

1.一种20mncrs5钢，其特征在于，由如下重量百分含量的化学元素组成：c：0.17％～0.22％，si：0.15％～0.40％，mn：1.10％～1.30％，p≤0.035％，s：0.035％～0.045％，cr：1.00％～1.30％，alt：0.020％～0.060％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.一种权利要求1所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：电炉冶炼、lf炉精炼、vd炉精炼、模铸、加热和轧制；

3.根据权利要求2所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，所述电炉冶炼包括控制出钢终点碳在0.05％≤c≤0.13％，终点磷控制在p≤0.020％，电炉出钢温度控制在1640℃～1680℃。

4.根据权利要求2所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，所述lf炉精炼包括白渣时间≥25min，第二惰性气体压力为0.2mpa～0.4mpa，lf出炉吊包温度控制在1665℃～1695℃。

5.根据权利要求2所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，所述vd炉精炼包括喂入高钙线，真空处理，所述真空处理的真空度≤100pa，所述真空处理的时间≥15min，破真空，喂入硫磺线，静吹第三惰性气体，所述第三惰性气体的静吹时间为15min～35min，静吹压力为0.1mpa～0.3mpa，vd炉吊包温度为1579℃～1611℃。

6.根据权利要求2所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，所述加热包括采用均热炉进行加热，在200℃保温0.5h，然后用3h～3.5h升温到1200℃～1220℃，最后在1200℃～1220℃保持1.5h～2h，保证铸坯温度均匀及透烧。

7.根据权利要求2所述的20mncrs5钢的制备方法，其特征在于，所述轧制包括开轧温度1100℃～1200℃，终轧温度850℃～1000℃，轧制规格范围φ180mm～φ250mm，钢材轧制后入保温坑缓冷，入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，缓冷时间≥24h。

8.一种如权利要求1所述的20mncrs5钢或如权利要求2～8任意制备方法制备的20mncrs5钢在齿轮中的应用。

技术总结
本发明公开了一种20MnCrS5钢，属于大规格齿轮钢的制备技术领域。本发明由如下重量百分含量的化学元素组成：C：0.17％～0.22％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.10％～1.30％，P≤0.035％，S：0.035％～0.045％，Cr：1.00％～1.30％，Alt：0.020％～0.060％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明针通过采用模铸工艺，可以改善钢锭的冷却条件，使铸锭凝固时温度梯度和冷却强度都要弱于连铸工艺，避免了凝固组织枝晶搭接，减轻了元素偏析，改善了钢材的致密性。

技术研发人员：齐锐,王德勇,卢秉军,赵千水,蒋艳菊,宋铁鹏
受保护的技术使用者：本钢板材股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12