优质钢

冶金工程术语

优质钢的硫、磷含量均≦0.04%。高级优质钢分为A、B、C、D四个质量等级。在我国的现行执行标准中，钢的冶金质量等级分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢的硫、磷含量高，硫含量≦0.055%，磷含量≦0.045%；高级优质钢硫含量≦0.03%，磷含量≦0.035%。

简介

汽车工业是一种原料需求量大、要求高的技术密集型产业, 汽车工业的发展与钢铁工业的发展唇齿相依, 一方面要求钢材具有良好的综合性能, 另一方面希望钢材价格低廉, 这就对冶金工业提出了更高的要求。这些要求给以铁水为原料的大型转炉冶炼优特钢品种提供了发展的机会, 随着炉外处理技术广泛采用, 大型转炉不但可生产各种优质碳素钢、合金结构钢、弹簧钢, 而且可以生产不锈钢和轴承钢。

国外早在70 年代就利用转炉大量生产汽车用优质钢, 日本、美国利用转炉生产的优质钢产量占需求量的一半以上, 它的最大优点是单炉次批量大, 残余元素含量少且稳定,淬透性带窄, 生产成本低。我国转炉冶炼汽车用优质钢材起步较晚, 受传统观念的影响发展缓慢, 几年随着炉外精炼技术的广泛采用, 这种局面正在发生改变, 但目前仍还是以电炉冶炼为主。

汽车用优质钢均用来制造承受较大载荷, 主变载荷及工作环境恶劣的保安零件, 要求钢材有高的清洁度和致密的组织结构, 工业化大生产要求钢材性能稳定, 淬透性波动小。为满足这种需要, 在充分发挥铁水杂质元素含量低且稳定, 钢中N ,H 含量低的优势的同时, 自行开发了以钙基脱氧剂预脱氧、喂铝线和喂复合净化剂两项专利技术为核心的优质钢生产工艺, 成功地开发了20CrMnTi , 22MnTiBRE , 60Si2Mn , 40MnB ,SAE9260 , 40Cr 等汽车用优质钢产品,目前正在开发20MnVBH 齿轮钢, 55SiMnVB ,35SiMnVB, 60CrMnA 弹簧钢及12Mn2VB ,35MnVN 非调质钢等产品。

研究方法

目前钢厂使用最多的仍是那些传统的检验方法，其中最主要的是：低倍酸检验；断口检验；硫印试验；塔形试验；超声检验以及高倍金相检验。在上述各种检验方法中，除高倍金相以外，均为宏观检验方法。

所谓宏观检验，就是用肉眼或借助于10倍以下放大镜的检验。由于低倍检验（包括低倍酸浸检验、断口检验和塔形检验）可直观地检查出钢在冶炼、浇铸、热加工和热处理过程中所产生的缺陷，而且具有工艺简单、对检验设备要求不高、操作方便、成本低廉等优点，因此，为国内外所广泛采用金相检验用于检验钢中高倍组织缺陷，其中包括脱碳、碳化物网状、碳化物带状、碳化物液析、碳化物不均性、石墨碳、奥氏体钢中α相、晶粒度等。

优质钢生产工艺

氧气转炉冶炼存在着冶炼终点钢液中氧含量高、波动大的缺点, 脱氧及合金化控制难度大, 合金收得率不稳定, 易造成成分波动, 因此控制钢液氧活度, 稳定合金收得率, 获得稳定均匀的化学成分是转炉冶炼汽车用优质钢的技术难点, 为解决上述问题, 在优质钢生产中采用了如下技术措施:

(1)钢液预脱氧处理:出钢前向钢包内加入自行发明的钙基脱氧剂, 使钢液氧活度降低到100 ppm 以下, 从而减少合金氧化烧损, 提高和稳定合金收得率, 达到稳定控制化学成分的目的;

(2)延长吹氩时间, 使钢液成分均匀, 夹杂上浮;

(3)在吹氩同时采用喂线法加铝终脱氧、合金化, 提高铝收得率, 降低Al2O3 夹杂含量, 喂铝线后用喂线法加复合净化剂, 净化钢液, 改善夹杂物形态;

(4)改进合金化工艺, 减少易氧化合金的烧损, 提高和稳定合金收得率, 从而提高合金元素含量的控制水平;

(5)为改善钢锭表面质量, 浇注时模内吊挂光亮剂;

(6)对含B 钢, 采用微量钛处理技术, 稳定硼收得率, 使硼含量控制在0.0010 % ～0.0020 %之间, 从而达到稳定控制淬透性的目的。

优质钢生产工艺流程:

全铁水120t LD 转炉冶炼出钢预脱氧、合金化※钢包吹氩、喂铝线脱氧、合金化、喂复合包芯线净化钢质Z ×9.42 锭模浇注1 150 初轧机开坯成325 mm ×280 mm 或200mm ×200 mm 钢坯去氢缓冷抢温清理;325mm×280mm 钢坯900 , 800 , 800 , 850大型轧机机组轧成 100 mm 以上圆钢或90mm ×9 0mm以上方钢;20 0mm ×2 00mm 钢坯580 , 520 , 520 , 500 中型轧机机组轧制 50 ～ 100mm 圆钢和60mm ×60mm 以上方钢。

化学成分

1）齿轮钢

在全铁水冶炼条件下, 控制20CrMnTi 齿轮钢淬透性的最重要的元素是铬含量, 试制初期采用传统合金化工艺, 试制的11 炉钢中有6 炉铬含量不合格, 铬收得率在56.5 %～ 88.0 %之间, 波动达31.5 %。针对这一问题, 进行了合金化工艺改进, 经30 余炉工业化试验, 铬收得率提高并稳定在95 %以上, 实现了铬含量控制在较窄范围的目的。攀钢生产的20CrMnTi 钢完全符合GB3077 —88 标准要求。

2）弹簧钢

目前生产和研究的弹簧钢主要为SiMn 系和SiMnVB 系, 在这方面攀钢具有丰富的经验。成分控制较好, 除碳含量外, 合金成分控制均较窄。

3）结构钢

生产的汽车用结构钢主要有40Cr 和40MnB ,目前攀钢生产和试制汽车用钢材的化学成分控制均符合标准要求, Si ,Mn ,B ,V 合金含量可以实现较窄范围的控制。

清洁度

转炉冶炼钢液终点氧含量高且波动大, 以往生产中主要是在钢包内采用投入法加铝或铝合金沉淀脱氧, 大量的脱氧产物Al2O3 残留在钢中, 钢中 [O] 和电解夹杂总量较高且不能控制。针对这一问题, 攀钢开发了钙基扩散预脱氧剂, 把它预先加入钢包内, 出钢时利用钢液冲刷作用使之与钢中的氧和渣中的FeO 发生反应, 降低钢液的氧化性, 使 [O] ≤100ppm;然后喂铝线终脱氧, 使铝的氧化烧损大幅降低, 从而达到一定净化作用。与投入法相比, 预脱氧、喂铝线工艺的铝收得率分别提高2.5 和4.2 倍。最后喂复合包芯线处理钢液, 使氧含量进一步脱除76 %,从而净化了钢液。

汽车零件均要求钢材有较高的清洁度,攀钢采用钙基预脱氧剂预脱氧, 喂铝线终脱氧, 罐内合金化和喂复合净化剂综合处理工艺, 减少了钢中铝脱氧产物, 同时使硅、锰、铬合金氧化烧损降低, 提高了合金收得率。钢的清洁度较高(略差于真空脱气钢), 基本可以满足汽车用钢的需要。

高倍组织

脆性夹杂是影响疲劳寿命的主要因素, 为提高产品质量, 攀钢在汽车用钢生产中主要采取了碱土金属脱氧、变性氧化物, 稀土处理变性硫化物的综合净化工艺, 使夹杂物的大小和形状得到了控制。综合处理结果:氧化物夹杂0.5 ～ 2.0 级, 硫化物1.5 ～ 3.0 级, 夹杂物之和≤4.5 级。

生产优质钢的夹杂控制较好, 特别是脆性夹杂达到了2.0 级以下。

淬透性

淬透性是钢材强化效果和控制零件尺寸稳定性的重要参数, 它主要受控于化学成分(包括钢中合金元素和残余元素含量的波动)和晶粒度。

发达国家优质钢的生产普遍采用转炉冶炼, 炉后成分微调及方坯连铸技术, 来获得稳定而均匀的化学成分(即压缩成分范围和减小偏析), 以保证获得窄的淬透性带。由于攀钢冶炼优质钢采用全铁水冶炼, 原料中杂质元素含量低且稳定, 影响淬透性的因素主要是合金元素的化学成分波动和晶粒度, 因此控制淬透性的关键就是控制合金元素的收得率和晶粒度。为此开发的钙基预脱氧剂预脱氧, 喂铝线, 喂复合净化剂处理工艺, 微量钛处理硼钢和改进Fe -Cr 合金化等生产技术,使20CrMnTi , 40MnB 等钢的合金收得率得以稳定控制, 从而稳定了化学成分, 控制了钢材的晶粒度。

通过采取上述技术措施, 有效地控制了Si ,Mn ,Cr 含量的波动, 并将钢中[ Al] s 控制在0.020%～ 0.035%之间, 从而实现了对淬透性的控制, 使钢的淬透性带变窄。利用这些技术生产的20CrMnTi 齿轮钢, 40MnB 钢的淬透性ΔJ 9HRC ≤6.5 ;55SiMnVB 钢的淬透性J 9HRC≥56 , 达到较高的控制水平。20CrMnTi , 40MnB淬透性可见, 40MnB 和20CrMnTi 的ΔJ 9 值控制较好, 分别达到HRC≤6 和HRC ≤6.5 的水平。

力学性能

优钢产品, 其性能完全符合标准要求, 其显著特点是塑性、韧性指标高。

使用效果

1 　齿轮钢

20CrMnTi 试验钢制成EQ —140 、BJ130 盆角齿、变速箱齿轮、伞齿、失轮等。生产中锻裂级率<0.5 %, 热处理后取样检验, 渗碳层深度均为0.85mm, 表面硬度(HRC)为56 ～65 , 心部硬度(HRC)为45 , 表面金相组织为回火马氏体2 ～ 3 级。残余奥氏体2 ～ 3 级, 心部铁素体2 ～ 3 级, 公法线变形集中在40 ～60μm , 花键孔变形集中在30 ～ 50μm。用户普遍反映不低于电炉钢质量。

2 　40MnB

试制钢制成的EQ —140 汽车转向节3万余件, 用户反映下料容易, 锻造废品率低,满足产品要求。此后二汽工程部新材料处按GB5216 —85 试用2 炉(200t)进行复验, 其化学成分、淬透性、晶粒度等全部合格, 未见不良反映。

3 　弹簧钢

60Si2Mn 弹簧钢经重庆红岩汽车研究所按JB3383 —83《汽车钢板弹簧复验试验方法》测定, 台架疲劳寿命评定为一级品,目前该钢扁钢产品在西南地区和一汽广泛使用。

55SiMnVB 是近两年开发的产品, 共试制4 炉, 轧成9 mm ×75 mm 和11 mm ×75mm 单面双槽扁钢, 两次试制的扁钢经二汽工程部新材料处组织分析检验, 全部指标均符合要求, 用生产的55SiMnVB 制成的2912 —010 , 2913 —010 , 2914 —010 弹簧总成疲劳寿命平均达16 万次以上, 综合评定为优等品。

总结

(1)利用自行开发的优质钢生产工艺能生产出符合标准和用户要求的20CrMnTi 、40MnB 、60Si2Mn 、55SiMnVB 等优质钢, 产品清洁度较高, [O] ≤30 ppm 。

(2)用120t 转炉生产的优质钢产品加工使用性能良好。

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