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模具鋼百科
180t轉爐開發高等級汽車鍛件用鋼工藝
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作者:pmo181730
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發布時間: 2019-04-04
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隨著我國汽車行業的蓬勃發展，對汽車零部件需求量越來越大，汽車鍛件是汽車制造業中的基礎安全件，曲軸、前軸、平衡軸、凸輪軸、半軸、十字軸、連桿、齒輪、同步齒環、轉向臂、轉向節、等速萬向節、搖臂、撥叉和爪極等鍛件廣泛運用于商用車的動力部分、行駛部分以及懸掛部分。從工藝零件看，一臺商用車鍛件需求種類少則幾十種，多則百余種。有數據表明，一輛重型載貨汽車需求鍛件1t左右。進而對汽車鍛件用鋼材料的需求量日益增長，對產品的質量要求越來越高，氧含量作為影響鋼材疲勞壽命的重要因素，越來越受到重視。本鋼轉爐生產汽車鍛件用鋼過程中對氧含量、硬度、夾雜物、力學性能、組織和末端淬透性都有嚴格要求，以42CrMo-1為代表的超低氧汽車鍛件用鋼生產工藝，經過多年摸索及研究，氧含量控制逐漸趨于穩定，控制在[O]≤13×10-6，大大提高了汽車鍛件用鋼的疲勞壽命。
隨著我國汽車行業的蓬勃發展，對汽車零部件需求量越來越大，汽車鍛件是汽車制造業中的基礎安全件，曲軸、前軸、平衡軸、凸輪軸、半軸、十字軸、連桿、齒輪、同步齒環、轉向臂、轉向節、等速萬向節、搖臂、撥叉和爪極等鍛件廣泛運用于商用車的動力部分、行駛部分以及懸掛部分。從工藝零件看，一臺商用車鍛件需求種類少則幾十種，多則百余種。有數據表明，一輛重型載貨汽車需求鍛件1t左右。進而對汽車鍛件用鋼材料的需求量日益增長，對產品的質量要求越來越高，氧含量作為影響鋼材疲勞壽命的重要因素，越來越受到重視。本鋼轉爐生產汽車鍛件用鋼過程中對氧含量、硬度、夾雜物、力學性能、組織和末端淬透性都有嚴格要求，以42CrMo-1為代表的超低氧汽車鍛件用鋼生產工藝，經過多年摸索及研究，氧含量控制逐漸趨于穩定，控制在[O]≤13×10-6，大大提高了汽車鍛件用鋼的疲勞壽命。
表1 煉鋼廠主要設備參數
表2 42CrMo-1鋼的非金屬夾雜物
表4 42CrMo-1鋼的化學成分
4 結論
1 生產工藝流程
本鋼42CrMo-1汽車鍛件用鋼生產工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預處理→轉爐冶煉→精煉爐LF→真空脫氣RH→大方坯連鑄350mm×470mm連鑄坯→步進式加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋機軋制→連軋機組→緩冷→精整→探傷→檢驗→入庫。
轉爐容量為180t，從高爐來的鐵水進行嚴格的脫硫扒渣處理，滿足入爐鐵水[S]≤0.005%，[P]≤0.04%的要求。主要設備參數見表1。
表1 煉鋼廠主要設備參數
2 煉鋼工藝
2.1 轉爐吹煉
為了適應轉爐快節奏，提高汽車鍛件用鋼的疲勞壽命和質量，要最大限度地控制汽車鍛件用鋼中原始氧含量，所以要使轉爐終點的氧含量最低，以提高42CrMo-1鋼純凈度。出鋼過程中加入足量的鋁進行脫氧處理。
首先，對汽車鍛件用鋼的夾雜物生成機理進行熱力學分析，確定夾雜物的生成和控制條件。然后根據轉爐終點碳和氧含量情況，在出鋼過程中確定該鋼種的合金加入順序及加入量。而且鋁的加入量根據鋼水終點碳含量確定，碳含量高時，降低Al的加入量。確保在良好脫氧條件下，減少鋼中夾雜物的生成量，以提高鋼的潔凈度。
根據本鋼的實際生產條件，一般42CrMo-1鋼出鋼加鋁過程在加完增碳劑條件下進行，此時[O]≤0.06%，因此，以鋁脫氧可以獲得較低的溶解氧水平，現場實際生產條件下，鋼中會有較多的Al2O3夾雜物生成，在精煉中要進行Ca處理，對Al2O3夾雜物進行改性。
2.2 LF-RH精煉
LF采用白渣操作，造渣前，將[Alt]調至標準上限。造渣材料采用螢石、活性石灰、精煉渣CaO-SiO2-Al2O3系，先加入螢石，再一次性加入活性石灰，要保證所有加入的石灰完全化開。脫氧劑（鋁粒、碳粉等）在石灰完全化開后根據爐渣的脫氧程度一次適量加入，要造成還原渣，保證白渣的形成及維持。在保證渣流動性的條件下，控制渣堿度和渣中的氧勢。
爐渣的氧勢對脫氧過程影響極大，而降低爐渣氧勢的可靠措施就是降低爐渣中FeO＋MnO含量并提高堿度，因此，要控制FeO＋MnO≤1%，即可得白渣，并達到15min以上。然后合金化，用高猛、高鉻、硅鐵、鉬鐵等將Mn、Cr、Si、Mo成分達到標準范圍，全程進行吹氬氣攪拌，電極升溫不低于25min。LF精煉處理時間為40min-45min，LF后控制[Alt]在0.01%-0.02%，然后轉至RH精煉。
RH精煉為抽真空過程，在較高的真空度下真空脫氣，以保證托起效果和促進夾雜物上浮，要求循環20min以上，成分調整至滿足內控要求后，吹氬氣攪拌，使鋼中的夾雜物進一步上浮進入渣中，提高了鋼水純凈度。處理后期加入鋁丸調整鋼水中Alt含量，隨后合金均勻化。
在進行鈣處理后，從理論上講，隨著鈣含量的增加，反應產物應該是按C·A6→C·A2→C·A→C12·A7的順序變化。為得到理想的低熔點鈣鋁酸鹽夾雜物，需嚴格控制加入鋼水的鈣量。鈣量小，Al2O3無法轉變為液態鋁酸鈣；鈣量過大，則有可能生成CaO。
2.3 矩形坯連鑄
鋼包要密封好，采用大包覆蓋劑、中間包覆蓋劑、高堿度中包渣，中間包內氬氣保護澆鑄。中間包渣要勤加入，嚴禁鋼液面裸露，做好長水口密封，以及侵入式水口，進行保護澆注，防止鋼水的二次氧化。加強鋼包、中間包耐火襯的隔熱保溫性能，減少襯體散熱造成的溫降，中間包溫度控制在1508℃左右，控制連1爐次過熱度≤28℃，其他爐次過熱度控制在22℃左右，拉速與過熱度相配，控制在0.50m/min左右。通過一系列的控氧措施，使成品汽車鍛件用鋼氧含量控制在[O]≤13×10-6的要求，統計20爐成品42CrMo-1鋼平均氧含量為11×10-6。
2.3.1 結晶器電磁攪拌
本鋼煉鋼廠矩形坯連鑄機都配置了結晶器電磁攪拌（M-EMS）。大幅降低鋼液的過熱度，縮短凝固時間，從而產生寬且細的等軸晶區；使凝固前沿強制對流，打碎凝固前沿的樹枝晶，樹枝晶的碎片重新熔化，降低了鋼水溫度，增加了等軸晶核心，封鎖了柱狀晶前沿的發展，形成了寬大的等軸晶區。鋼液的攪動使液芯由外向內的溫度梯度減小，四周結晶均勻發展，從而提高鑄坯斷面上的等軸晶率，使偏析元素均勻分布，避免溶質元素集聚，最終改善鑄坯的偏析。
2.3.2 末端電磁攪拌
末端電磁攪拌安裝在凝固率fs＝0.7-0.8的位置，進一步細化等軸晶，促進柱狀晶向等軸晶轉化，產生寬而細的等軸晶區，使之能致密充滿凝固末端；減少二次枝晶的臂間距，以控制粘稠區的滲透性。并能保持粘稠區的流動以及溫度與成分的均勻。因此，可以明顯減輕宏觀偏析。抽取20爐缸，每爐鋼取一支試樣，采用氧化法進行晶粒度檢驗，經930℃溫度下保溫3h、水淬。采用15%的鹽酸乙醇溶液進行腐蝕，在顯微鏡下觀察沒有混晶現象，晶粒度為7級。由于熱加工溫度、初軋和終軋溫度控制較好，所以晶粒較細，沒有混晶現象。
不同攪拌強度時，凝固鋼中碳含量的變化表明，攪拌強度增強時，鑄坯中的負偏析程度也加劇。當鑄坯離開電磁攪拌區時，凝固鋼中的碳含量會高于無電磁攪拌時的碳含量，發生了“正偏析”。攪拌強度越高，越容易發生正偏析。
2.3.3 動態輕壓下
本鋼煉鋼廠從2010年開始，在矩形坯上投輕壓下，通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力，產生一定的壓下量來補償鑄坯的凝固收縮量。這一方面可消除或減少鑄坯收縮形成的內部孔隙，防止晶間富集溶質的鋼液向鑄坯中心橫向流動；另一方面輕壓下所產生的擠壓作用，還可以促使液芯中心富集溶質的鋼液沿拉坯方向反向流動，使溶質元素在鋼液中重新分配。從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，達到改善中心偏析和減少中心疏松的目的。
本鋼42CrMo-1汽車鍛件用鋼采用在2、3、4輥上分別壓下4mm、4mm和4mm，總壓下量為12mm，鑄坯疏松、縮孔明顯減輕，等軸晶率平均達到58%。
2.4 矩形坯軋制
轉爐矩形坯加熱4個小時后，1000℃的開軋溫度進入返回式初軋機，初軋機采用二輥可逆式軋機，經十二架大棒機組后出成品，再進行48h保溫后經漏磁探傷檢測，確定沒有表面缺陷，進行物理性能檢驗，各項指標檢驗全部合格后打包入庫。
表2、表3分別為成品夾雜物、力學性能檢驗結果。
表2 42CrMo-1鋼的非金屬夾雜物
表3 42CrMo-1鋼的力學性能
3 化學成分
化學成分是影響鋼材性能的主要因素，在工藝技術穩定的情況下，化學成分窄帶控制、穩定性、均勻性是保證鋼材性能的前提條件。在實際生產中采用包內合金化與RH成分微調相結合，化學成分控制及成品成分見表4。
表4 42CrMo-1鋼的化學成分
4 結論
1）轉爐過程嚴格控制下渣量，控制出鋼溫度，詳細研究了Al2O3的熱力學反應。精煉過程采用白渣操作，對鈣處理做了詳細計算，連鑄過程采用結晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌和動態輕壓下等設備，得到成分、組織均勻的42CrMo-1汽車用鋼鑄坯；
2）鑄坯經過加熱、初軋及連軋機組后得到表面質量好、內部夾雜物細小且均勻分布、晶粒度細小、沒有混晶現象、組織均勻的鋼材；
3）化學成分實行窄帶嚴格控制，確保化學成分均勻性，經過嚴格的工藝控制和產品性能檢驗，得到了42CrMo-1汽車用鋼鑄坯。
