丁志軍 馬玉強(qiáng)

（河北鋼鐵集團(tuán)石鋼公司）

0 引言

齒輪鋼是汽車、鐵路、船舶、工程機(jī)械中使用特殊合金鋼中要求較高的關(guān)鍵材料之一，是保證安全的核心部件制造材料。近幾年，齒輪鋼正朝著高性能、長壽命、齒輪運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、安全性、低成本、易加工、多品種等方向發(fā)展。滲碳齒輪鋼作為汽車用主要結(jié)構(gòu)鋼之一,其材料技術(shù)的發(fā)展直接影響著我國汽車制造的整體技術(shù)水平,特別是變速箱和驅(qū)動(dòng)橋等重要總成的制造水平，河鋼石鋼公司生產(chǎn)的MnCr系列鋼種是供某汽車公司高端變速箱齒輪用鋼，前期試用在齒輪滲碳處理中奧氏體晶粒長大的傾向明顯，易出現(xiàn)晶粒粗大和混晶現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪淬火變形和開裂。通過采用氮微合金化技術(shù)很好的解決了此類問題，滿足了顧客的需求。

1 氮微合金化技術(shù)在細(xì)化晶粒方面的作用原理

氮作為一種合金元素加入鋼中對鋼有許多益處，首先，能夠能擴(kuò)大γ相區(qū)并使奧氏體穩(wěn)定化，是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素之一；其次，能細(xì)化晶粒：一方面，在鋼液凝固過程中鋼中過飽和的氮與鋁生成AlN，細(xì)小的AlN在晶界析出，起到釘扎的作用，阻止晶粒長大；另一方面增氮促進(jìn)了碳氮化物在奧氏體-鐵素體相界面的析出，有效地阻止鐵素體晶粒長大，起到細(xì)化鐵素體晶粒尺寸的作用。

將氮作為一種合金元素去控制，因其影響因素較多，生產(chǎn)過程中難以穩(wěn)定控制，如何精確控制鋼中氮含量是實(shí)現(xiàn)氮微合金化技術(shù)的前提和關(guān)鍵點(diǎn)。

2 Mn-Cr系齒輪鋼成分控制要求

河鋼集團(tuán)石鋼公司生產(chǎn)的歐標(biāo)Mn-Cr系滲碳齒輪用鋼TL4227，生產(chǎn)工藝流程為BOF→LF→VD→CC，TL4227的化學(xué)成分見表1。該鋼種要求奧氏體晶粒度≥5級，并且要求Al/N≥2.3。

表1 TL4227鋼化學(xué)成分控制 %

為了保證滲碳（930 ℃保溫4 h）后晶粒度滿足要求，在冶煉時(shí)添加控制鋼中Al和N含量是一種有效途徑。將Al含量限制在0.020%～0.040%，氮含量控制在100×10-6～150×10-6，通過氮微合金化可保證齒輪滲碳熱處理后晶粒達(dá)7級，晶粒細(xì)小不出現(xiàn)混晶。

3 影響鋼中增氮的熱力學(xué)因素

氮在鋼中有兩種存在形式分別是游離態(tài)和化合態(tài)。游離態(tài)的氮以間隙形式存在的，在鋼中形成間隙固體?；蠎B(tài)的氮與鋼中的Nb、V、Al、Ti等合金元素有較強(qiáng)的親和力，易形成穩(wěn)定的氮化物和碳氮化物。

從熱力學(xué)來說，氮在鋼中的溶解服從平方根定律，氮?dú)庠诩冭F中的溶解反應(yīng)為：

根據(jù)西華特定律得出：

其中

式中：T——開爾文溫度。

從式（2）可以看出，影響鋼中增氮的熱力學(xué)上有三個(gè)因素：反應(yīng)溫度、合金元素含量和N的分壓。

3.1 鋼液溫度對增氮的影響

鋼液溫度越高，增氮速率越快，單位時(shí)間內(nèi)增氮量越大，經(jīng)過現(xiàn)場增氮試驗(yàn)的摸索，增氮時(shí)的鋼液溫度選擇在1 560～1 620 ℃的綜合效果最佳。

3.2 合金元素含量對鋼液增氮的影響

氮的活度系數(shù)與鋼中的合金元素有關(guān)，受鋼中各元素與氮的相互作用系數(shù)影響，其計(jì)算公式為：

表2 各元素與氮的相互作用系數(shù)

從表2可以看出，各類元素含量對氮溶解度的影響，同時(shí)也能夠反映出不同類鋼種在增氮方式相同的情況下氮的吸收率不同。

3.3 氮分壓對鋼液增氮的影響

VD爐真空度，爐前碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣泡及LF吹氬產(chǎn)生的氬氣泡都相當(dāng)于小的真空室，鋼液中的氮原子可以擴(kuò)散到CO氣泡中，在鋼液界面上形成N分子進(jìn)入CO氣泡上浮鋼液中除去，二者都遵循西華特定律，根據(jù)文獻(xiàn)[4]給出的轉(zhuǎn)爐吹氧脫碳過程中脫氮速率與脫碳速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式（5）表明：氧氣吹煉過程中，鋼液脫氮速度與脫碳速度呈正比。

4 增氮方式

目前增氮方式主要有兩種，分別為以氮化物合金為載體加入工藝和通過向鋼中加壓吹氮?dú)庠龅に嚒?/p>

4.1 初煉爐出鋼過程中加入MnN合金增氮

在出鋼過程中加入過多的MnN合金，會(huì)使氮的吸收率降低，從而增加合金成本，且造成出鋼過程鋼水沸騰嚴(yán)重，煙氣遮擋操作工視線，容易造成誤判，導(dǎo)致下渣或者搖爐較早造成鋼水少，合金化后成分出格。

4.2 LF爐精煉過程吹氮?dú)庠龅?/h3>

LF底吹氮增氮的優(yōu)點(diǎn)是合金成本低，鋼水污染小。但對于氮含量要求高的鋼種，單一壓力流量的LF過程底吹氮?dú)?，?huì)使吹氮時(shí)間過長，增氮穩(wěn)定性差，同時(shí)影響精煉爐底吹流量模式的控制，影響冶金效果。

4.3 VD爐喂入MnN線增氮

MnN線喂入過程中，鋼水劇烈翻騰造成鋼水卷渣，使鋼液裸露在空氣中，二次氧化會(huì)造成夾雜物超標(biāo)。氮化錳線喂入量大、喂入時(shí)間長，溫度損失大，易導(dǎo)致連鑄過程結(jié)流或剩鋼。

對于一些氮含量要求高的鋼種，如N含量≥100×10-6時(shí)，需對增氮工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。石鋼采用在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加MnN合金和LF爐精煉過程吹氮?dú)獾穆?lián)合增氮方式，既能保證增氮效果的精確控制，同時(shí)又能兼顧成本和鋼液純凈度。

5 氮微合金化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的控制要點(diǎn)

5.1 轉(zhuǎn)爐對氮含量的影響因素

5.1.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量氮含量的影響

冶煉后期，冶煉終點(diǎn)碳含量較低時(shí)，由于碳氧反應(yīng)減弱，脫碳速度降低，CO分壓急劇下降，爐口壓差下降，空氣容易卷入，從而造成鋼液吸氮。為了避免因終點(diǎn)C含量的不穩(wěn)定，造成N含量的不穩(wěn)定，將爐前終點(diǎn)C控制在0.05%～0.10%之間，可以保證終點(diǎn)N含量的穩(wěn)定性。

5.1.2 轉(zhuǎn)爐冶煉補(bǔ)吹對氮含量的影響

補(bǔ)吹對轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量存在一定影響，補(bǔ)吹之前存在測溫和取樣過程，導(dǎo)致冶煉過程存在短時(shí)間的中斷，此時(shí)爐內(nèi)充滿空氣，再次進(jìn)行吹氧補(bǔ)吹時(shí)空氣被氧氣帶進(jìn)鋼液形成增氮，對轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量存在一定影響。另外，在補(bǔ)吹過程中，由于鋼中的碳含量較少，鋼水脫碳速度小，產(chǎn)生的CO氣體量相對較少，由CO氣體所帶走的N含量下降，加之氧槍吹氧過程祼露的鋼水溫度較高，使鋼中氧的阻氮作用減弱，造成鋼水增氮，因此在冶煉低氮鋼時(shí)應(yīng)盡量避免長時(shí)間補(bǔ)吹，穩(wěn)定吹煉終點(diǎn)N含量。

5.2 MnN合金加入量對氮收得率的影響

為了摸索MnN合金加入量對氮收得率的影響,在MnCr5齒輪鋼上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，選取4個(gè)不同爐次，出鋼加入不同量的氮化錳鐵，出鋼溫度均在1 610～1 650 ℃，收得率見表3。

表3 MnN合金加入量與N的收得率

從表3可以看出，出鋼時(shí)MnN合金的加入量不同，鋼中氮的收得率也不同，鋼液中的MnN合金的加入量超過220 kg后，氮的收得率開始極速下降。因此，為了維持高的氮收得率，出鋼加入（150±20） kg MnN鐵合金為宜。

5.3 LF吹氮增氮工藝

為摸索LF吹氮工藝的增氮速度，在MnCr5系列齒輪鋼上做了吹氮實(shí)驗(yàn)；為了減少鋼中[O]、[S]活性元素阻礙N的吸收，選擇在白渣下，鋼中[S]≤0.010%時(shí)進(jìn)行吹氮，吹氮流量控制在200～300 NL/min，表4為LF不同吹氮時(shí)間下的增氮量，鋼材增N速率為(2～3)×10-6/min。

表4 MnCr5系列鋼 LF吹氮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5.4 VD真空處理周期控制

為了穩(wěn)定VD爐的脫氮效率，保證真空下的脫氫效果，控制高真空下（≤67 Pa）脫氣時(shí)間6～9 min，真空下氬氣流量穩(wěn)定在10～30 NL/min，VD爐脫氮效率為15%左右，鋼中H含量為1.3×10-6～1.8×10-6，能夠達(dá)到脫氫效果。

5.5 連鑄過程控制要點(diǎn)

（1）大包剩鋼3～5 t，防止大包液面降低造成渦流卷渣,大包下渣檢測使用3級精度。

（2）采用大包加長水口、每爐更換保護(hù)套管等措施提高大包到中包的保護(hù)效果,防止增氮和二次氧化，從而提高N含量的穩(wěn)定控制和鋼液的純凈度。

（3）穩(wěn)定中包過熱度控制，采取低過熱度澆注以減小原始鑄坯宏觀偏析。

6 實(shí)施效果

通過分析影響鋼中氮含量的因素和過程控氮工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鋼中氮含量的穩(wěn)定控制，TL4227 窄范圍精確增氮實(shí)施效果見表5。同時(shí)，提高鋼中Al含量，使Al/N＞2.5，解決了MnCr系列滲碳齒輪鋼混晶問題引發(fā)齒輪淬火變形和開裂等問題，客戶反饋良好，工藝改進(jìn)前后TL422的金相組織如圖1所示。

圖1 TL4227金相組織

表5 TL4227窄范圍精確增氮實(shí)施效果

7 結(jié)論

河南石鋼公司生產(chǎn)的MnCr系列鋼種是供某汽車公司高端變速箱齒輪用鋼，前期試用在齒輪滲碳處理中奧氏體晶粒長大的傾向明顯，易出現(xiàn)晶粒粗大和混晶現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪淬火變形和開裂。通過對氮微合金化的理論分析，指導(dǎo)優(yōu)化了全工藝流程的增氮控制要點(diǎn)，采用新的工藝可達(dá)到鋼中N含量的窄范圍精確控制，同時(shí)提高鋼中的Al含量，使Al/N＞2.5，解決了MnCr系列滲碳齒輪鋼混晶問題引發(fā)齒輪淬火變形和開裂等問題，滿足了顧客的需求。