17CrNiMo6齒輪鋼生產(chǎn)實(shí)踐

袁淑君

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 濟(jì)南271104）

1 前 言

隨著國(guó)內(nèi)重載汽車(chē)向大噸位、大載荷方向發(fā)展，重載齒輪（后橋及變速箱）對(duì)齒輪材料淬透性和心部韌性要求更高，國(guó)內(nèi)重載齒輪用主要鋼材品種已從 CrMo / CrMnMo 系向 CrNiMo 系發(fā)展。17CrNiMo6 是德國(guó)高端滲碳齒輪鋼牌號(hào)，其含有的Cr、Mo 等可增加奧氏體穩(wěn)定性的碳化物形成元素與Ni、Mn等可強(qiáng)化鐵素體的元素相互作用，使該鋼種具有較高的淬透性，從而很好的保證了重載齒輪的心部硬度以及過(guò)載能力［1］。因此近年來(lái)，國(guó)內(nèi)重載汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)已普遍開(kāi)始選用17CrNiMo6 作為重載齒輪用鋼。

本研究主要是結(jié)合17CrNiMo6 齒輪鋼成分特性、性能要求以及后續(xù)熱處理與加工要求，研究電爐＋LF 精煉＋VD 真空脫氣＋連鑄＋軋制＋退火工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)，從而成功開(kāi)發(fā)17CrNiMo6 齒輪鋼。

2 主要技術(shù)要求

1）化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

2）鋼材［O］≤0.002%。

表1 化學(xué)成分 %

3）低倍組織：鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上不得有目視可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等影響使用的缺陷。低倍組織合格級(jí)別應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2 低倍組織 級(jí)

4）淬透性：端淬溫度為（860±5）℃；淬透性值應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3 淬透性(HRC)

5）力學(xué)性能：鋼的力學(xué)性能應(yīng)符合表4 的規(guī)定。推薦熱處理制度：（880±15 ℃）/油淬＋（200±20 ℃）/回火。

6）非金屬夾雜物：按照GB/T 10561標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)鋼材非金屬夾雜物應(yīng)符合表5的規(guī)定。

表4 力學(xué)性能

表5 非金屬夾雜物 級(jí)

7）晶粒度：按照GB/T 6394 檢驗(yàn)鋼材奧氏體晶粒度，合格級(jí)別為6～8級(jí)。

8）交貨硬度：鋼以退火態(tài)交貨，交貨硬度≤241 HBW。

3 生產(chǎn)試制

3.1 工藝路線

50 t 電爐→LF 精煉＋VD 真空脫氣→連鑄（電磁攪拌）→軋制→退火。

3.2 成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于17CrNiMo6 齒輪鋼，從影響淬透性、窄淬透性帶、心部韌性、后續(xù)滲碳工藝4 個(gè)方面的因素考慮來(lái)進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)。

碳可提高鋼的淬透性，但本鋼種合金總量近4.0%，淬透性能充足。此鋼種作為大模數(shù)重載齒輪用鋼，心部韌性要求高，因此按標(biāo)準(zhǔn)下限進(jìn)行碳含量的控制即要求碳為0.16%～0.18%，可改善齒輪心部韌性。

硅為極易氧化元素，在滲碳處理中易產(chǎn)生“網(wǎng)狀氧化物”，從而影響齒輪的疲勞強(qiáng)度性能，但考慮到在正常煉鋼工藝中其為最廉價(jià)的還原劑和脫氧劑，因此要求硅控制在0.18%～0.25%。

錳可顯著提高齒輪的淬透性，但會(huì)增加滲碳層中殘余奧氏體的數(shù)量，提高鋼的回火脆性，因此錳控制在0.52%～0.58%。

鉻有利于提高鋼的淬透性和抗蝕能力，但會(huì)惡化滲碳層性能，因此鉻控制在1.60%～1.65%。

鉬可顯著提高鋼的淬透性以及抗氧化性，但作為碳化物形成元素，容易惡化滲層性能，因此鉬控制在0.26%～0.28%。

鎳可顯著提高鋼的抗氧化性，并可保證滲碳處理后優(yōu)良的綜合性能，同時(shí)和鉬的綜合作用可顯著提高鋼的淬透性，因此鎳控制在1.45%～1.48%。

鋁通過(guò)和鋼水中的氮元素結(jié)合形成彌散分布在晶界上的氮化鋁質(zhì)點(diǎn)，阻礙晶界的移動(dòng)，阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。據(jù)研究表明，鋁氮比≥0.30時(shí)，細(xì)化晶粒以及避免產(chǎn)生混晶的效果最佳［2］。結(jié)合本條產(chǎn)品氮含量控制情況，將全鋁含量控制在0.015%～0.030%。

對(duì)于鋼中的磷、硫以及氧含量對(duì)鋼材潔凈度有影響的有害元素，為保證材料優(yōu)良的綜合性能，在本鋼種實(shí)際生產(chǎn)控制過(guò)程中，要求磷含量≯0.015%，硫含量不超過(guò)0.005%，氧含量不超過(guò)0.001 5%。

綜合上述分析，17CrNiMo6 齒輪鋼化學(xué)成分實(shí)際控制范圍見(jiàn)表6。

表6 化學(xué)成分實(shí)際控制要求質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3.3 電爐初煉

采用50 t電爐冶煉，總裝爐量為（53±1）t，鐵水比例為55%左右。冶煉全程造泡沫渣，保證良好的氧化沸騰；采用大渣量加強(qiáng)脫磷操作,出鋼時(shí)留鋼、留渣操作，嚴(yán)禁下氧化渣?？刂平K點(diǎn)［C］為0.06%～0.10%，［P］≤0.008%，出鋼溫度在1 640～1 680 ℃，避免出現(xiàn)高溫回磷現(xiàn)象。電爐出鋼過(guò)程中按0.7～1.4 kg/t一次性加入足夠的鋁錠進(jìn)行強(qiáng)脫氧，鋼包合金化時(shí)按照成分下限配入合金調(diào)整。

3.4 LF精煉＋VD真空脫氣

LF 到位白渣或黃白渣，爐渣應(yīng)具有良好流動(dòng)性。根據(jù)到位渣況，加入適量調(diào)渣劑（預(yù)熔渣、石灰、碳化硅、碳粉、鋁線等）調(diào)整爐渣流動(dòng)性和還原性，控制渣堿度為3.5～5.0；白渣保持時(shí)間≥20 min。優(yōu)化吹氬強(qiáng)度控制，在脫氧及脫硫以及合金加入期間進(jìn)行強(qiáng)攪拌，保證鋼水成分均勻、有利于去除上浮的夾雜物。在渣況穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行成分微調(diào)，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)加料系統(tǒng)，保證微調(diào)時(shí)合金加入量的準(zhǔn)確性。出鋼前喂入鈣線，進(jìn)行夾雜物變性處理。鋼水進(jìn)行VD真空脫氣處理，真空度＜67 Pa 下保持15 min，VD 處理過(guò)程中合理控制氬氣流量，防止鋼液裸露吸氣、氧化，破空后軟吹氬時(shí)間≮15 min，提高鋼水純凈度。

3.5 連鑄工藝

連鑄中做好全程保護(hù)澆注以及“三恒”操作。采用專用保護(hù)渣、浸入式長(zhǎng)水口和整體式中間包，以防止鋼水二次氧化污染；采用低過(guò)熱度澆注，中間包鋼水過(guò)熱度控制在（20±5）℃，拉速控制在（0.50±0.02）m/min；采用結(jié)晶器（電流300 A、頻率3.0 Hz）＋末端(電流300 A、頻率12 Hz)雙電磁攪拌技術(shù)以及動(dòng)態(tài)二冷配水，使鑄坯冷卻均勻，保證鑄坯內(nèi)外部質(zhì)量。

3.6 軋制工藝

采用步進(jìn)式連續(xù)加熱爐，預(yù)熱段溫度為550～850 ℃，加熱段溫度1 100～1 230 ℃，均熱段溫度1 200～1 270 ℃，總加熱時(shí)間控制在5.0～5.5 h。保證開(kāi)軋溫度為1 120～1 180 ℃，終軋溫度為900～1 000 ℃?？焖偈占肟泳徖?。

3.7 退火工藝

本鋼種合金含量高，其熱軋硬度在310～340 HBW 左右，無(wú)法滿足客戶下料要求。因此需進(jìn)行退火處理，退火工藝見(jiàn)圖1。

圖1 退火工藝

4 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量及分析

4.1 鋼材化學(xué)成分

鋼的實(shí)物化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7中可以看出，實(shí)物化學(xué)成分中碳含量控制在±0.01%以內(nèi)，合金元素含量控制在±0.02%以內(nèi)，成分波動(dòng)較小，較好的保證了齒輪鋼穩(wěn)定的淬透性能。鋼中P、S有害元素含量低，氧含量控制在0.000 8%～0.001 4%，較好的保證了鋼材的潔凈度。

表7 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 %

4.2 低倍組織

鋼材的酸浸低倍試樣中，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的縮孔、皮下氣泡、裂紋、過(guò)燒、有害夾雜物、翻皮、白點(diǎn)等影響使用的缺陷。實(shí)物酸浸低倍組織檢驗(yàn)級(jí)別見(jiàn)表8。

表8 酸浸低倍組織 級(jí)

從鋼材低倍組織檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋼材一般疏松以及偏析均在0.5 級(jí)以下、中心疏松在1.0 級(jí)以下，鋼材組織致密。

4.3 淬透性

鋼的淬透性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。從檢驗(yàn)結(jié)果可看出3 個(gè)點(diǎn)的淬透性值均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的中上限水平，淬透能力強(qiáng)，可很好地滿足大模數(shù)齒輪的使用要求，同時(shí)淬透性帶寬控制在3～5 HRC范圍內(nèi)，窄淬透性帶控制有利于提高齒輪的嚙合精度。

表9 淬透性 HRC

4.4 力學(xué)性能

鋼的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。從檢驗(yàn)結(jié)果可看出本鋼種力學(xué)性能富余量充足，沖擊吸收能量控制在130 J以上，本鋼種強(qiáng)韌性匹配良好。

表10 力學(xué)性能

4.5 非金屬夾雜物

鋼的非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。從檢驗(yàn)結(jié)果可看出，鋼材潔凈度較高，對(duì)影響齒輪鋼疲勞壽命的B 類(lèi)氧化物夾雜、D 類(lèi)球狀氧化物夾雜以及DS類(lèi)大顆粒夾雜均控制在1.0級(jí)以下，很好的保證了齒輪鋼的使用性能。

表11 非金屬夾雜物 級(jí)

4.6 晶粒度

鋼材的奧氏體晶粒度為7～8 級(jí)，細(xì)小均勻的晶粒有助于減少齒輪鋼熱處理變形量以及提高滲碳層性能。

4.7 退火硬度

圓鋼退火后硬度值為143～178 HBW，滿足了用戶加工使用要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用50 t 電爐→LF 精煉＋VD 真空脫氣→連鑄（電磁攪拌）→軋制→退火工藝生產(chǎn)17CrNiMo6齒輪鋼的工藝流程可行，各項(xiàng)工藝參數(shù)制定合理；成品圓鋼成分波動(dòng)小、淬透性帶窄、潔凈度高、晶粒細(xì)小均勻，很好地滿足了高端大模數(shù)齒輪的使用要求。