真空直澆CrNiMo系齒輪鋼冶金質(zhì)量評價(jià)

楊先芝 鄧 琴 謝云飛 李連龍 李福浩 張 健

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

CrNiMo系列大型高品質(zhì)滲碳鋼齒輪，是風(fēng)電、礦山類傳動(dòng)設(shè)備核心零部件[1]。因應(yīng)用于高速、重載的工作環(huán)境，對耐磨性、使用壽命等要求極其嚴(yán)格。為滿足性能要求，生產(chǎn)高品質(zhì)齒輪鋼關(guān)鍵在冶金質(zhì)量控制。因此提升鋼錠成分均勻性，嚴(yán)格控制鋼水中夾雜物數(shù)量，提升鋼水純凈度是重點(diǎn)。

近年，公司采用真空直澆技術(shù)[2]澆注生產(chǎn)大型的CrNiMo系列齒輪鋼錠，錠型主要為50～200 t，現(xiàn)從化學(xué)成分、氣體含量及夾雜物等級等方面評價(jià)鋼錠冶金質(zhì)量。

1 技術(shù)要求

國內(nèi)外常見CrNiMo系列齒輪化學(xué)成分要求見表1，可見除C、Mn、P、O、N要求值略微不同，化學(xué)成分要求基本一致。表2為齒輪鋼采購技術(shù)要求中非金屬夾雜物等級要求。雖齒輪鋼P(yáng)、S、H、O、N及夾雜物含量要求不是特別低，但因齒部工作時(shí)受彎曲應(yīng)力，采購規(guī)范對齒部無損檢測要求嚴(yán)格。UT檢測要求齒部“零”缺陷，MT檢測要求極嚴(yán)。苛刻的無損檢測要求，對鋼液的純凈度提出很高要求。

表1 國內(nèi)外常見CrNiMo系列齒輪鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements for common CrNiMo gear steels at home and abroad(mass fraction，%)

表2 非金屬夾雜物等級要求Table 2 Requirements for nonmetallic inclusions grades

2 冶煉澆注過程

配料選用優(yōu)質(zhì)鋼鐵料，齒輪鋼冶煉流程：EF→LF(HV)→MSD(真空直澆)。電爐冶煉主要以快速熔化、脫P(yáng)、脫C、氧化沸騰與升溫為主，并加強(qiáng)去P過程中換渣操作，確保粗水C≤0.10%，P≤0.004%。鋼包爐精煉注重?cái)U(kuò)散脫氧，真空前將成分調(diào)整到位，高真空除氣處理后盡快出鋼，縮短冶煉時(shí)長，避免送電過程鋼水吸氣。澆注時(shí)采用真空直澆，有效避免中間包澆注過程對中間包耐火材料的侵蝕、鋼水吸氣、二次氧化，澆注溫度控制在1570～1590℃，減少鋼錠凝固偏析。

3 冶金質(zhì)量評價(jià)

3.1 主要元素控制水平

圖1為CrNiMo系列齒輪鋼C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo化學(xué)元素平均含量及熔煉與成品含量變化圖，由圖可以看出，C、Si、Cr、Mo按標(biāo)準(zhǔn)中限控制，Ni按標(biāo)準(zhǔn)中下限控制。易氧化元素Si、Mn、Cr等元素成品與熔煉變化范圍基本控制在±(0.01%～0.02%)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)元素的精準(zhǔn)、穩(wěn)定控制。

3.2 殘余元素控制水平

表3為CrNiMo系列齒輪鋼殘余元素平均含量值，其中P、S控制較好，As、Sn、Sb分析值都屬于痕跡值，整體殘余元素含量處于較低水平，有利于后期產(chǎn)品性能提升。

圖1 主要化學(xué)元素熔煉與成品含量變化圖Figure 1 Melting of main chemical elementsand content changes of finished products

表3 殘余元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Residual element content(mass fraction，%)

圖2 直澆與非直澆CrNiMo系齒輪鋼H、O、N成品含量統(tǒng)計(jì)Figure 2 Statistics on the content of H, O, N in productsof CrNiMo gear steels directly and non-directly poured

3.3 氣體含量控制

圖2為直澆與非直澆方式生產(chǎn)CrNiMo系齒輪鋼的成品氣體分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由圖可以看出，真空直澆生產(chǎn)時(shí)減少中間包兌鋼及二次氧化吸氣過程，氣體含量整體優(yōu)于非直澆(常規(guī)中間包)澆注氣體含量，氮?dú)馄骄考s為40×10-6，氧氣(全氧)平均含量約為9×10-6，氫氣平均含量約為0.5×10-6，充分滿足高品質(zhì)齒輪鋼要求。從數(shù)據(jù)分布趨勢可以看出，當(dāng)氧含量處于較低水平時(shí)氮含量值反而較高，通過與熔煉氮含量值對比，發(fā)現(xiàn)氧含量較低時(shí)澆注過程更容易增氮。因齒輪鋼終脫氧是喂鋁，鋼中表面活性元素溶解氧大幅降低，導(dǎo)致鋼水吸氮[3]。

3.4 非金屬夾雜物等級

圖3是CrNiMo系齒輪鋼夾雜物等級評定情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可以看出，夾雜物等級全部≤1級，大部分≤0.5級，整體處于較好水平。其中1級夾雜物主要集中為D、DS類夾雜物，研究表明[5]大型DS類夾雜物組成主要為CaO-Al2O3或CaO-Al2O3-MgO，且不易通過上浮去除。針對非鈣處理冶煉的CrNiMo齒輪鋼，DS類夾雜物中Ca主要來源于鋼渣反映界面，這與公司使用CaO-SiO2系精煉渣有關(guān)。因此，精煉過程調(diào)好還原渣性白渣、真空過程選擇合適的氬氣流量、真空后加快冶煉節(jié)奏盡快出鋼，都能降低DS夾雜物的生成。

圖3 CrNiMo系齒輪鋼夾雜物等級統(tǒng)計(jì)Figure 3 Statistics of inclusion gradesin CrNiMo gear steel

圖4 CrNiMo系齒輪鋼晶粒度分布圖Figure 4 Grain size distribution of CrNiMo gear steels

3.5 晶粒度

晶粒度關(guān)系產(chǎn)品性能，也是評價(jià)高品質(zhì)齒輪鋼的重要參數(shù)。本質(zhì)晶粒度表示一定條件下奧氏體長大的趨勢，因?yàn)檩^細(xì)的晶粒度是后期產(chǎn)品擁有較高強(qiáng)度、良好韌性的基礎(chǔ)[4]。CrNiMo系齒輪鋼標(biāo)準(zhǔn)要求本質(zhì)晶粒度≥5級，實(shí)際晶粒度結(jié)果如圖4所示，平均達(dá)6級以上。冶煉過程通過添加

Al元素與N、C結(jié)合生成難溶分布的氮化物及碳化物，釘扎在奧氏體晶界，起細(xì)化晶粒的作用[4]，但需避免鋼水中Al含量過高，生成Al2O3夾雜物影響鋼水純凈度[5-6]。因此齒輪鋼冶煉過程Al含量一般保持0.015%～0.025%，成品鋼種Al含量控制在0.010%～0.020%，可將鋼水中氧含量控制在較低水平，同時(shí)有效避免過多生成氧化物夾雜物，有助于提高鋼水純凈度。

3.6 無損檢驗(yàn)

在嚴(yán)苛的無損檢測技術(shù)要求下，30多件CrNiMo系齒輪鋼UT檢測實(shí)現(xiàn)齒部“零”缺陷，非齒部無≥?2 mm缺陷，齒部MT檢測合格，UT、MT檢測合格率100%。

4 結(jié)論

(1)采用真空直澆生產(chǎn)時(shí)減少中間包兌鋼及二次氧化吸氣過程，氮平均含量約為40×10-6，氧平均含量約為9×10-6，氫平均含量約為0.5×10-6。

(2)夾雜物等級全部≤1級，大部分≤0.5級，整體處于較好水平。

(3)鋼水中Al含量控制在0.015%～0.025%，成品控制在0.010%～0.020%，有助于細(xì)化晶粒度和控制氧化類夾雜物，晶粒度平均達(dá)6級以上。

(4)真空直澆CrNiMo系齒輪產(chǎn)品UT、MT檢測合格率為100%。

采用真空直澆流程生產(chǎn)CrNiMo系齒輪鋼，能夠有效避免鋼水的二次氧化，減少吸氣，進(jìn)一步降低鋼水O、N含量，提升鋼水的純凈度，提升無損檢測合格率，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)CrNiMo系齒輪鋼的批量化冶煉生產(chǎn)。