本发明属于冶金领域，具体涉及一种低硬度20crmnti圆钢的生产方法。
背景技术：
近年来我国汽车、工程机械等行业蓬勃发展，国内对20crmnti系列圆钢的需求十分强盛。按中国汽车工业协会和中国齿轮专业协会的统计资料，2019年中国汽车产销量将达2800万辆，汽车齿轮钢材的消耗量约370万t左右，中国汽车产量平均每年以10％左右的速度增长，分析近年汽车行业产品构成，可以发现汽车行业增长最快的主要是重型载货车和轿车，随着轿车进入家庭步伐的加快，我国的汽车工业已进入高速发展阶段，车辆齿轮越来越成为齿轮钢材最重要的消费用户。
齿轮钢使用覆盖面较广，主要应用于轿车、货车、农用车、摩托车等车辆齿轮制造使用，此外，工程机械齿轮使用也较大。20crmnti圆钢作为我国开发的齿轮钢主体钢种，该钢种的主要元素cr、mn为我国富有元素，价格低廉，生产成本低，晶粒长大倾向小，因此该钢种在我国齿轮行业中的主导地位多年来难以动摇。
20crmnti属于低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为hrc58-62，芯部硬度为hrc30～45。20crmnti的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20crmnti还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火,且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20crmnti钢是比较合适的。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100mpa、屈服强度≥850mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为hrc58-62。
20crmnti圆钢一般按国家标准gb/t3077-2015合金结构钢的相关技术要求进行生产交货，该标准要求20crmnti圆钢在供货状态为退火或高温回火时布氏硬度不大于hb217，但在实际生产中，考虑工序及成本因素，圆钢多为热轧态生产供货(接近于正火态)，即轧制完成后通过冷床进行自然冷却，不进行退火或高温回火，在轧后圆钢的组织和硬度的控制方面手段非常有限，小规格的20crmnti圆钢(一般为≤φ50mm)由于冷床冷却速度快，钢中发生贝氏体或马氏体组织转变，圆钢的硬度从hb200～hb220上升到hb240～hb300。
20crmnti圆钢在用户处的使用工艺一般为：圆钢→剪切或锯切下料→加热→冲压→热处理，用户使用过程中的第一道工序为根据不同工件所需下料尺寸进行剪切或锯切下料，因此，对于硬度高的20crmnti圆钢，下料时会造成崩口(或称“缺肉”)等缺陷，此类下料件无法进行后续的冲压成形，从而造成废品，另外，高硬度的圆钢使机具损耗增加。总之，硬度高的20crmnti圆钢因废品增加，机具损耗增加、加工效率低下，严重影响用户使用。
自从20crmnti圆钢开发生产以来，接到用户硬度偏高方面的投诉最多，并因此产生多起质量异议，经过统计分析，硬度超过hb240后，会使用户使用时下料加工困难，圆钢的组织中有贝氏体或马氏体出现。
在实现本发明过程中，申请人发现现有技术中至少存在如下问题：
针对小规格20crmnti圆钢硬度偏高的情况，对生产工艺进行了优化改进，如在标准范围内降低c、mn、cr等元素含量，终轧后快速通过冷床送至库房进行堆冷缓冷，但改进效果并不理想。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种低硬度20crmnti圆钢的生产方法，使φ30～φ50mm规格的20crmnti圆钢热轧态硬度控制在hb200～hb230范围，使圆钢具有更加良好的组织均匀性、较低的硬度及良好的加工性能。
为达上述目的，本发明实施例提供一种低硬度20crmnti圆钢的生产方法，设计和控制圆钢坯料的成分为碳：0.18％～0.22％，硅：0.20％～0.30％，锰：0.85％～1.05％，铬：1.05％～1.25％，钛：0.050％～0.070％，铝：0.020％～0.040％，氧≤0.0020％；
圆钢坯料被炼钢炉炼成钢水，钢水经lf精炼及rh真空处理、连铸成连铸坯；
连铸坯在炉采用三段式加热，加热后经粗、中、精轧连轧机组轧制成轧后圆钢；
轧后圆钢通过穿水器进行控制冷却；
轧后圆钢穿水后进入冷床进行自然冷却，圆钢上冷床温度控制在930±30℃。
进一步地，所述的连铸坯为方坯，尺寸为165×165mm。
进一步地，所述的连铸采用电磁搅拌进行。
进一步地，所述的连铸坯在炉采用三段式加热，加热时间为60～90min。
进一步地，所述的连铸坯在炉采用三段式加热，均热段温度为1150±40℃，开轧温度为1055±25℃。
进一步地，所述的加热后经粗、中、精轧连轧机组进行轧制，轧制速度为4～7m/s。
进一步地，所述的穿水器为文氏管结构。
进一步地，所述的穿水器水压为1.30～1.55mpa。
进一步地，所述的穿水器布置方式为2.2m、3.3m、5.5m三种长度穿水器自由组合。
进一步地，所述的冷床入口温度为930±30℃。
上述技术方案具有如下有益效果：利用轧后穿水器进行高温区段(约700℃～1000℃)轧后控制冷却，使圆钢在穿水冷却时第一次进入铁素体、珠光体相变温度区，穿水后随着圆钢心部余热释放回温、在冷床上第二次进入铁素体、珠光体相变温度区，从而增加了铁素体、珠光体相变时间，铁素体、珠光体转变比较彻底，控冷得到的细晶组织加快了铁素体的形成、抑制了残余奥氏体向贝氏体及马氏体转变，圆钢组织主要为f+p，圆钢热轧态硬度可以控制在hb230以下，同时其它性能不受影响，圆钢的拉伸、冲击、低倍性能满足gbt3077-2015标准的要求，适用于按gbt3077-2015标准要求的热轧态低硬度20crmnti圆钢的生产。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
发明原理：传统观点认为，合金钢热轧态硬度控制方法目前主要有冷床控温缓冷(使用保温罩等)，或快速通冷床高温收集、堆垛缓冷等方法。穿水冷却工艺目前主要应用于普碳钢的钢筋生产，但也是用于提高硬度和强度。如果将穿水冷却应用于合金钢生产，会提高合金钢热轧态硬度，因此，公知常识认为：轧后控冷一般只能增加强度提高硬度而不是相反。
但申请人在生产中经过试验和研究发现：在轧后轧件的高温区段(约700℃～1000℃)采用合适的穿水强度、压力以及合适的上冷床温度条件下，穿水冷却工艺能够应用于控制合金钢热轧态硬度。在合适的穿水强度、压力以及合适的上冷床温度条件下，轧后穿水冷却可以细化晶粒，细晶粒可以促进铁素体相变，抑制了贝氏体的形成，从而降低合金钢的热轧态硬度。
在上述原理的指导下，申请人克服了传统的技术偏见，提供了一种热轧态低硬度20crmnti圆钢的生产方法，包括：设计和控制圆钢坯料的成分为碳：0.18％～0.22％，硅：0.20％～0.30％，锰：0.85％～1.05％，铬：1.05％～1.25％，钛：0.050％～0.070％，铝：0.020％～0.040％，氧≤0.0020％，通过确定圆钢的化学成分，精确控制有害元素的含量和保证有益于圆钢性能的元素的含量；
圆钢坯料被炼钢炉炼成钢水，钢水经lf精炼及rh真空处理、连铸成连铸坯，将圆钢坯料经过这一系列步骤铸成连铸坯，为后期处理做准备；
连铸坯在炉采用三段式加热，加热后经粗、中、精轧连轧机组轧制成轧后圆钢；预热段：消除应力隐患，进入较好的塑性区，避免裂纹产生，可以使废气温度降低，节约燃料；加热段：可以强化快速加热，允许有较大的温差，提高炉子的生产效率；均热段：温度较加热段低，只是中心温度有提高，使表面与中心的温差缩小，使加热均匀，为轧制消除隐患；
轧后圆钢通过穿水器进行控制冷却，轧后穿水冷却可以细化晶粒，细晶粒可以促进铁素体相变，抑制贝氏体的形成，从而降低合金钢的热轧态硬度；
轧后圆钢穿水后进入冷床进行自然冷却，圆钢上冷床温度控制在930±30℃，冷床的设计质量与安装精度和温度控制直接决定着产品的最终质量。
进一步地，所述的连铸坯为方坯，尺寸为165×165mm，截面宽、高相等，或差别不大，主要用来轧制型钢、线材。
进一步地，所述的连铸采用电磁搅拌进行，电磁搅拌通过电磁感应产生的电磁力使液态金属产生流动，增大其对流和热交换，导致凝固前沿的温度梯度减小；柱状体生长受到抑制，并能使先期生长的柱状晶破碎，与钢液混合在一起，成为后期等轴晶凝固的核心，从而促进等轴晶的生长；电磁搅拌能增加等轴晶区改善铸坯的机械性能和减少非金属夹杂物的皮下聚集改善铸坯的表面及皮下质量。
进一步地，所述的连铸坯在炉采用三段式加热，加热时间为60～90min，合适的时间段能使圆钢具有较好的塑性，避免产生裂纹，提高圆钢性能。
进一步地，所述的连铸坯在炉采用三段式加热，均热段温度为1150±40℃，开轧温度为1055±25℃。
进一步地，所述的加热后经粗、中、精轧连轧机组进行轧制，轧制速度为4～7m/s，以实现较好的降温效果。
进一步地，所述的穿水器为文氏管结构。
进一步地，所述的穿水器水压为1.30～1.55mpa，这样，有利于轧后穿水冷却细化晶粒。
进一步地，所述的穿水器布置方式为2.2m、3.3m、5.5m三种长度穿水器自由组合。
进一步地，所述的冷床入口温度为930±30℃，通过穿水冷却控制上冷床温度细化晶粒。
将生产出的成品取样：每批次圆钢不同根上截取3～5个样坯，样坯长度600mm，每个样坯加工成拉伸、冲击、硬度、低倍及显微组织检测项目的试样。
试样加工：样坯分别按gb/t228.1、gb/t229、gb/t231.1、gb/t226、gb/t13298、gb/t13299标准进行拉伸、冲击、硬度、低倍及显微组织检验项目的试样加工及检测，各检测项目每批试样数量为：拉伸2个，冲击1组2个，硬度3个，低倍2个，显微组织2个，同一检测项目的试样于不同根圆钢的样坯上截取加工。
拉伸试样按gbt3077-2015标准推荐的热处理制度进行淬火、回火热处理后再在拉伸试验机上完成拉伸项目检测，在冲击试验机上完成冲击试验检测，在光学显微镜下观察整个显微组织试样全截面组织及晶粒度。用布氏硬度计进行圆钢布氏硬度检测。
在柳钢按gbt3077-2015标准生产的φ30mm规格、20crmnti圆钢中得到应用，具体步骤为：
1)坯料冶炼成分控制：碳：0.22％，硅：0.25％，锰：0.99％，铬：1.18％，钛：0.060％，铝：0.028％，氧≤0.0018％；
2)钢坯在炉加热时间78min，采用三段式加热，均热段温度按1150±40℃控制，开轧温度1060℃，成品机架轧制速度控制在7m/s；
3)轧后圆钢通过穿水器进行控制冷却。穿水器水压1.38mpa，圆钢上冷床温度控制在930℃；
4)圆钢上冷床后进行自然冷却；
5)按照上述工艺参数控制炼钢及轧制，成品圆钢金相显微组织为f+p，截面布氏硬度为hb207～218(均值hb213)，圆钢的其它性能如拉伸、冲击、低倍性能满足gbt3077-2015标准的要求。
柳钢按gbt3077-2015标准生产的的φ42mm规格、20crmnti圆钢中得到应用，具体步骤为：
1)坯料冶炼成分控制：碳：0.20％，硅：0.26％，锰：0.96％，铬：1.15％，钛：0.062％，铝：0.032％，氧≤0.0016％；
2)钢坯在炉加热时间82min，采用三段式加热，均热段温度按1150±40℃控制，开轧温度1050℃，成品机架轧制速度控制在5m/s；
3)轧后圆钢通过穿水器进行控制冷却。穿水器水压1.38mpa，圆钢上冷床温度控制在950℃；
4)圆钢上冷床后进行自然冷却；
5)按照上述工艺参数控制炼钢及轧制，成品圆钢金相显微组织为f+p，截面布氏硬度为hb203～215(均值hb210)，圆钢的其它性能如拉伸、冲击、低倍性能满足gbt3077-2015标准的要求。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。