20CrNi2Mo齿轮钢生产过程中Al含量控制要点

20CrNi2Mo钢为齿轮钢，齿轮在工作状态要承受循环应力和强烈的冲击力，对其基本性能和质量要求极高。20CrNi2Mo钢经过渗碳、淬火和低温回火处理后，表面层具有优良的耐磨性与抗疲劳性，而心部有良好的韧性及足够的强度。20CrNi2Mo钢在热处理过程中随着温度的升高，奥氏体晶粒明显长大，晶粒度大小对渗碳层质量和齿轮强度性能影响很大。当晶粒度小于5级时，就会降低渗碳钢的脆断抗力。  

晶粒长大是借助晶界迁移来实现的。晶界迁移能否进行，又受两种作用力的相互制约，一种是由于系统自由能降低而驱动晶界移动，一种是弥散第二相质点阻碍晶界迁移。当AlN质点的体积百分数、质点尺寸和分布达到某种特定的状态时，能有效地钉扎晶界。  

一般用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，Al在钢液中能够与N结合，形成弥散度大的AlN质点，位于晶界上，阻碍了晶界的移动，可以阻止奥氏体晶粒长大，达到细化晶粒和提高晶粒粗化温度的效果。  

钢的晶粒长大倾向性与其化学成分和冶炼工艺有密切关系。AlN质点是严格按化学比，即1∶1的铝、氮原子比析出的。当钢中氮、铝原子数之比为1∶1时，相对应的质量分数之比为14/27，即约为0.52。AlN形核析出后，基体中铝、氮的浓度均降低，控制AlN进一步长大的铝原子在基体中的低浓度限制了AlN质点的长大，使AlN质点尺寸得以维持细小状态。当钢中氮、铝原子数之比小于1，即N/Al比值小于0.52时，基体中相对富铝，对AlN的形核长大有利，并可促进AlN质点进一步长大。  

生产过程中Al含量控制要点：  

电弧炉冶炼：冶炼时必须严格执行生铁用量，保证熔清C含量≥0.50%，控制电弧炉碳氧枪吹氧强度，终点C≥0.07%，避免钢液产生过度氧化；出钢严禁氧化渣进入精炼包，出钢过程吨钢随钢流加入0.5kg铝、1kg硅铝钡钙粉进行预脱氧，为LF精炼工序提供良好的条件。  

LF炉精炼：精炼过程熔渣碱度控制在2.5～3之间，熔渣中（FeO）≤1.0%,并保证熔渣的流动性。VD破空后，按吨钢喂0.2kg铝线进行铝成分调整。铝线规格为直径12mm，重330g/m，喂线速度60m/min～100m/min。  

钢锭浇注：采取氩气保护浇注，避免钢水浇注过程二次氧化导致钢中Al含量降低。  

在EBT-LF-VD-VC工艺条件下，Al含量对20CrNi2Mo钢奥氏体晶粒度、渗碳层硬度和力学性能产生影响。研究结果表明，晶界上的AlN对钢的晶粒长大倾向性起决定作用。选择VD处理后按吨钢0.2kg喂铝线，提高了Al的收得率，将铝含量控制在0.01～0.02%范围内，N/Al比值接近或者小于0.52，使20CrNi2Mo钢获得本质细晶粒及优良的力学性能。