優質鋼

汽車工業是一種原料需求量大、要求高的技術密集型產業, 汽車工業的發展與鋼鐵工業的發展唇齒相依, 一方面要求鋼材具有良好的綜合性能, 另一方面希望鋼材價格低廉, 這就對冶金工業提出了更高的要求。這些要求給以鐵水為原料的大型轉爐冶煉優特鋼品種提供了發展的機會, 隨着爐外處理技術廣泛採用, 大型轉爐不但可生產各種優質碳素鋼、合金結構鋼、彈簧鋼, 而且可以生產不鏽鋼和軸承鋼。

國外早在70 年代就利用轉爐大量生產汽車用優質鋼, 日本、美國利用轉爐生產的優質鋼產量佔需求量的一半以上, 它的最大優點是單爐次批量大, 殘餘元素含量少且穩定,淬透性帶窄, 生產成本低。我國轉爐冶煉汽車用優質鋼材起步較晚, 受傳統觀念的影響發展緩慢, 幾年隨着爐外精煉技術的廣泛採用, 這種局面正在發生改變, 但目前仍還是以電爐冶煉為主。

汽車用優質鋼均用來製造承受較大載荷, 主變載荷及工作環境惡劣的保安零件, 要求鋼材有高的清潔度和緻密的組織結構, 工業化大生產要求鋼材性能穩定, 淬透性波動小。為滿足這種需要, 在充分發揮鐵水雜質元素含量低且穩定, 鋼中N ,H 含量低的優勢的同時, 自行開發了以鈣基脱氧劑預脱氧、喂鋁線和喂複合淨化劑兩項專利技術為核心的優質鋼生產工藝, 成功地開發了20CrMnTi , 22MnTiBRE , 60Si2Mn , 40MnB ,SAE9260 , 40Cr 等汽車用優質鋼產品,目前正在開發20MnVBH 齒輪鋼, 55SiMnVB ,35SiMnVB, 60CrMnA 彈簧鋼及12Mn2VB ,35MnVN 非調質鋼等產品 ^[1]  。

目前鋼廠使用最多的仍是那些傳統的檢驗方法，其中最主要的是：低倍酸檢驗；斷口檢驗；硫印試驗；塔形試驗；超聲檢驗以及高倍金相檢驗。在上述各種檢驗方法中，除高倍金相以外，均為宏觀檢驗方法。

所謂宏觀檢驗，就是用肉眼或藉助於10倍以下放大鏡的檢驗。由於低倍檢驗（包括低倍酸浸檢驗、斷口檢驗和塔形檢驗）可直觀地檢查出鋼在冶煉、澆鑄、熱加工和熱處理過程中所產生的缺陷，而且具有工藝簡單、對檢驗設備要求不高、操作方便、成本低廉等優點，因此，為國內外所廣泛採用金相檢驗用於檢驗鋼中高倍組織缺陷，其中包括脱碳、碳化物網狀、碳化物帶狀、碳化物液析、碳化物不均性、石墨碳、奧氏體鋼中α相、晶粒度等。

氧氣轉爐冶煉存在着冶煉終點鋼液中氧含量高、波動大的缺點, 脱氧及合金化控制難度大, 合金收得率不穩定, 易造成成分波動, 因此控制鋼液氧活度, 穩定合金收得率, 獲得穩定均勻的化學成分是轉爐冶煉汽車用優質鋼的技術難點, 為解決上述問題, 在優質鋼生產中採用瞭如下技術措施:

(1)鋼液預脱氧處理:出鋼前向鋼包內加入自行發明的鈣基脱氧劑, 使鋼液氧活度降低到100 ppm 以下, 從而減少合金氧化燒損, 提高和穩定合金收得率, 達到穩定控制化學成分的目的;

(2)延長吹氬時間, 使鋼液成分均勻, 夾雜上浮;

(3)在吹氬同時採用喂線法加鋁終脱氧、合金化, 提高鋁收得率, 降低Al2O3 夾雜含量, 喂鋁線後用喂線法加複合淨化劑, 淨化鋼液, 改善夾雜物形態;

(4)改進合金化工藝, 減少易氧化合金的燒損, 提高和穩定合金收得率, 從而提高合金元素含量的控制水平;

(5)為改善鋼錠表面質量, 澆注時模內吊掛光亮劑;

(6)對含B 鋼, 採用微量鈦處理技術, 穩定硼收得率, 使硼含量控制在0.0010 % ～0.0020 %之間, 從而達到穩定控制淬透性的目的。

優質鋼生產工藝流程:

全鐵水120t LD 轉爐冶煉出鋼預脱氧、合金化※鋼包吹氬、喂鋁線脱氧、合金化、喂複合包芯線淨化鋼質Z ×9.42 錠模澆注1 150 初軋機開坯成325 mm ×280 mm 或200mm ×200 mm 鋼坯去氫緩冷搶温清理;325mm×280mm 鋼坯900 , 800 , 800 , 850大型軋機機組軋成 100 mm 以上圓鋼或90mm ×9 0mm以上方鋼;20 0mm ×2 00mm 鋼坯580 , 520 , 520 , 500 中型軋機機組軋製 50 ～ 100mm 圓鋼和60mm ×60mm 以上方鋼 ^[2]  。

1）齒輪鋼

在全鐵水冶煉條件下, 控制20CrMnTi 齒輪鋼淬透性的最重要的元素是鉻含量, 試製初期採用傳統合金化工藝, 試製的11 爐鋼中有6 爐鉻含量不合格, 鉻收得率在56.5 %～ 88.0 %之間, 波動達31.5 %。針對這一問題, 進行了合金化工藝改進, 經30 餘爐工業化試驗, 鉻收得率提高並穩定在95 %以上, 實現了鉻含量控制在較窄範圍的目的。攀鋼生產的20CrMnTi 鋼完全符合GB3077 —88 標準要求。

2）彈簧鋼

目前生產和研究的彈簧鋼主要為SiMn 系和SiMnVB 系, 在這方面攀鋼具有豐富的經驗。成分控制較好, 除碳含量外, 合金成分控制均較窄。

3）結構鋼

生產的汽車用結構鋼主要有40Cr 和40MnB ,目前攀鋼生產和試製汽車用鋼材的化學成分控制均符合標準要求, Si ,Mn ,B ,V 合金含量可以實現較窄範圍的控制 ^[3]  。

轉爐冶煉鋼液終點氧含量高且波動大, 以往生產中主要是在鋼包內採用投入法加鋁或鋁合金沉澱脱氧, 大量的脱氧產物Al2O3 殘留在鋼中, 鋼中 [O] 和電解夾雜總量較高且不能控制。針對這一問題, 攀鋼開發了鈣基擴散預脱氧劑, 把它預先加入鋼包內, 出鋼時利用鋼液沖刷作用使之與鋼中的氧和渣中的FeO 發生反應, 降低鋼液的氧化性, 使 [O] ≤100ppm;然後喂鋁線終脱氧, 使鋁的氧化燒損大幅降低, 從而達到一定淨化作用。與投入法相比, 預脱氧、喂鋁線工藝的鋁收得率分別提高2.5 和4.2 倍。最後喂複合包芯線處理鋼液, 使氧含量進一步脱除76 %,從而淨化了鋼液。

汽車零件均要求鋼材有較高的清潔度,攀鋼採用鈣基預脱氧劑預脱氧, 喂鋁線終脱氧, 罐內合金化和喂複合淨化劑綜合處理工藝, 減少了鋼中鋁脱氧產物, 同時使硅、錳、鉻合金氧化燒損降低, 提高了合金收得率。鋼的清潔度較高(略差於真空脱氣鋼), 基本可以滿足汽車用鋼的需要 ^[3]  。

脆性夾雜是影響疲勞壽命的主要因素, 為提高產品質量, 攀鋼在汽車用鋼生產中主要採取了鹼土金屬脱氧、變性氧化物, 稀土處理變性硫化物的綜合淨化工藝, 使夾雜物的大小和形狀得到了控制。綜合處理結果:氧化物夾雜0.5 ～ 2.0 級, 硫化物1.5 ～ 3.0 級, 夾雜物之和≤4.5 級。

生產優質鋼的夾雜控制較好, 特別是脆性夾雜達到了2.0 級以下 ^[3]  。

淬透性是鋼材強化效果和控制零件尺寸穩定性的重要參數, 它主要受控於化學成分(包括鋼中合金元素和殘餘元素含量的波動)和晶粒度。

發達國家優質鋼的生產普遍採用轉爐冶煉, 爐後成分微調及方坯連鑄技術, 來獲得穩定而均勻的化學成分(即壓縮成分範圍和減小偏析), 以保證獲得窄的淬透性帶。由於攀鋼冶煉優質鋼採用全鐵水冶煉, 原料中雜質元素含量低且穩定, 影響淬透性的因素主要是合金元素的化學成分波動和晶粒度, 因此控制淬透性的關鍵就是控制合金元素的收得率和晶粒度。為此開發的鈣基預脱氧劑預脱氧, 喂鋁線, 喂複合淨化劑處理工藝, 微量鈦處理硼鋼和改進Fe -Cr 合金化等生產技術,使20CrMnTi , 40MnB 等鋼的合金收得率得以穩定控制, 從而穩定了化學成分, 控制了鋼材的晶粒度。

通過採取上述技術措施, 有效地控制了Si ,Mn ,Cr 含量的波動, 並將鋼中[ Al] s 控制在0.020%～ 0.035%之間, 從而實現了對淬透性的控制, 使鋼的淬透性帶變窄。利用這些技術生產的20CrMnTi 齒輪鋼, 40MnB 鋼的淬透性ΔJ 9HRC ≤6.5 ;55SiMnVB 鋼的淬透性J 9HRC≥56 , 達到較高的控制水平。20CrMnTi , 40MnB淬透性可見, 40MnB 和20CrMnTi 的ΔJ 9 值控制較好, 分別達到HRC≤6 和HRC ≤6.5 的水平 ^[1]  。

優鋼產品, 其性能完全符合標準要求, 其顯著特點是塑性、韌性指標高 ^[3]  。

1 　齒輪鋼

20CrMnTi 試驗鋼製成EQ —140 、BJ130 盆角齒、變速箱齒輪、傘齒、失輪等。生產中鍛裂級率<0.5 %, 熱處理後取樣檢驗, 滲碳層深度均為0.85mm, 表面硬度(HRC)為56 ～65 , 心部硬度(HRC)為45 , 表面金相組織為回火馬氏體2 ～ 3 級。殘餘奧氏體2 ～ 3 級, 心部鐵素體2 ～ 3 級, 公法線變形集中在40 ～60μm , 花鍵孔變形集中在30 ～ 50μm。用户普遍反映不低於電爐鋼質量。

2 　40MnB

試製鋼製成的EQ —140 汽車轉向節3萬餘件, 用户反映下料容易, 鍛造廢品率低,滿足產品要求。此後二汽工程部新材料處按GB5216 —85 試用2 爐(200t)進行復驗, 其化學成分、淬透性、晶粒度等全部合格, 未見不良反映。

3 　彈簧鋼

60Si2Mn 彈簧鋼經重慶紅巖汽車研究所按JB3383 —83《汽車鋼板彈簧複驗試驗方法》測定, 台架疲勞壽命評定為一級品,目前該鋼扁鋼產品在西南地區和一汽廣泛使用。

55SiMnVB 是近兩年開發的產品, 共試製4 爐, 軋成9 mm ×75 mm 和11 mm ×75mm 單面雙槽扁鋼, 兩次試製的扁鋼經二汽工程部新材料處組織分析檢驗, 全部指標均符合要求, 用生產的55SiMnVB 製成的2912 —010 , 2913 —010 , 2914 —010 彈簧總成疲勞壽命平均達16 萬次以上, 綜合評定為優等品 ^[3]  。

(1)利用自行開發的優質鋼生產工藝能生產出符合標準和用户要求的20CrMnTi 、40MnB 、60Si2Mn 、55SiMnVB 等優質鋼, 產品清潔度較高, [O] ≤30 ppm 。

(2)用120t 轉爐生產的優質鋼產品加工使用性能良好 ^[1]  。