李生棟，張 蕾，史純陽，張 群

（1．本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧 本溪 117000；2.遼寧科技學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；3.本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 作為高附加值的鋼種［1］，受到廣大鋼鐵企業(yè)的重視［2］。主要用于鍛造大截面滲碳件工件， 如大型齒輪、軸類、切刀、鉗、開關(guān)等，以及要求強(qiáng)度高、韌性好的調(diào)質(zhì)零部件等［3-4］。 高合金鋼20Cr2Ni4A，其主要合金元素為Cr、Ni 等， 這類鋼工作環(huán)境苛刻， 對(duì)鋼材強(qiáng)度、耐磨性、疲勞壽命、力學(xué)性能等要求非常嚴(yán)格［5-6］。與其他高合金滲碳鋼相比，該鋼種具有成本低、硬度高、韌性良好、力學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)［7］，物理性能主要表現(xiàn)在硬度均勻、晶粒度級(jí)別高、不混晶，工件在運(yùn)行中不易開裂［8-9］、使用壽命長等特點(diǎn)。

然而，國產(chǎn)20Cr2Ni4A 在檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)疲勞壽命較短的問題，經(jīng)研究主要是夾雜物含量較高、氧含量高等引起的產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)， 難以滿足高端質(zhì)量市場需求。在對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在制備20Cr2Ni4A 鋼材的工藝存在原材料狀態(tài)不穩(wěn)定、電爐噴碳不穩(wěn)定、 出鋼碳含量不穩(wěn)定導(dǎo)致過程氧含量較高等問題，鋼材物理檢驗(yàn)不合格、高強(qiáng)度和韌性難以平衡等問題［10］。

為搶占市場先機(jī)， 本研究以本鋼特鋼廠實(shí)際生產(chǎn)為研究基礎(chǔ)，開發(fā)了高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 的規(guī)?；a(chǎn)工藝。 利用50 t EBT+LF+VD+模鑄的生產(chǎn)模式，在開發(fā)高合金滲碳鋼在熔煉過程中，對(duì)電爐出鋼成分、電爐出鋼氧含量、精煉冶煉成分、各個(gè)冶煉環(huán)節(jié)的溫度［11-12］、氬氣工藝的壓力、冶煉時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。該冶煉工藝與其他冶煉工藝相比，具有加工工藝簡單、生產(chǎn)效率高、成本低、生產(chǎn)環(huán)境友好等優(yōu)勢。通過對(duì)以上工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制，經(jīng)多次取樣檢測與分析結(jié)果表明， 該廠生產(chǎn)的高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 已達(dá)到進(jìn)口鋼技術(shù)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。

1 煉鋼工藝流程

1.1 工藝的研發(fā)

開發(fā)高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 冶煉生產(chǎn)工藝流程，首先準(zhǔn)備優(yōu)質(zhì)廢鋼和合金以及輔料，將廢鋼和輔料放入電爐中， 通過電極加熱方式將廢鋼融化后到特定的溫度， 保持一段時(shí)間以保證溫度均勻后出鋼到精煉， 根據(jù)鋼液中的化學(xué)成分和目標(biāo)性能要求加入適量的合金和脫氧劑， 讓脫氧劑和氧化物充分反應(yīng)， 徹底去除鋼液中的雜質(zhì)和夾雜物。 精煉結(jié)束后，通過測量鋼水組分、溫度等指標(biāo)，判斷鋼液是否符合生產(chǎn)要求，在真空條件下進(jìn)行除氣處理，最后進(jìn)行靜吹氬，去除鋼水中的夾雜物。將經(jīng)過精煉處理的鋼液澆入模具中進(jìn)行鑄造，根據(jù)需要進(jìn)行均熱、淬火和回火等熱處理工藝。 以上是20Cr2Ni4A 冶煉開發(fā)工藝流程。 本鋼50 t EBT+LF+VD+模鑄開發(fā)高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 如圖1 所示。

1.2 EBT 電爐冶煉

首先進(jìn)行廢鋼原料、 合金原料準(zhǔn)備和鐵水預(yù)處理。 采用65%鐵水和30 t 優(yōu)質(zhì)廢鋼進(jìn)行冶煉，將65%鐵水量配在鋼鐵料中， 可以提高鋼液的合金化程度同時(shí)也可以提高鋼水的純凈度，如圖2 所示。利用吹碳粉造泡沫渣工藝可以迅速提高爐內(nèi)溫度，同時(shí)提高電能的利用率。在此操作中，需要保證足夠的脫碳量和脫碳速度。電爐送電前半小時(shí)烘烤合金。電爐脫碳量≥0.30%，脫碳結(jié)束后出鋼前，根據(jù)碳氧平衡原理，向爐中加入適量的碳化劑，促進(jìn)鋼水中的碳化反應(yīng)， 在有效控制電爐出鋼終點(diǎn)碳含量的同時(shí)可以降低鋼水中的氧含量。

圖2 電爐冶煉

出鋼溫度在1 640 ℃～1 680 ℃之間， 出鋼過程進(jìn)行鋼包合金化和預(yù)脫氧， 出鋼1/4 到1/3 時(shí)，依次加入預(yù)脫氧劑，鋁鐵60 kg，硅錳300 kg 和石灰400 kg 脫除氧氣，達(dá)到預(yù)脫氧的效果以便于鋼水進(jìn)一步精煉。出鋼后再加入少量鉻鐵、鎳鐵等貴重金屬原料進(jìn)行合金化，加入少量硅錳合金促進(jìn)晶粒細(xì)化，加入少量石灰石吸收和去除爐中的雜質(zhì)和氧化物。主要生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 特殊鋼廠主要生產(chǎn)設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)

1.3 LF 精煉

LF 精煉初期采用20 000 A～25 000 A 大電流升溫化渣，精煉時(shí)間70 min～75 min，如圖3 所示，當(dāng)鋼水溫度達(dá)到1 645 ℃～1 655 ℃時(shí)加入擴(kuò)散脫氧劑，進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，補(bǔ)加合金：高碳錳鐵2.5 kg/t～2.7 kg/t， 高碳鉻鐵0.6 kg/t～0.7 kg/t， 硅鐵0.6 kg/t～0.7 kg/t，硅鐵粉2.2 kg/t～2.5 kg/t，鋁線1.1 m/t～1.2 m/t。輔料：活性石灰8 kg/t～10 kg/t，螢石2.5 kg/t～2.7 kg/t，焦粉增碳劑0.4 kg/t～0.6 kg/t，氧化鋁球3.4 kg/t～3.6 kg/t，同時(shí)繼續(xù)保持白渣熔煉20 min～30 min。

圖3 精煉冶煉

精煉爐造渣要求白渣操作，二元堿度保證R1≥10，三元堿度R2≥12，四元堿度R3≥1.5，造渣材料采用新進(jìn)石灰，促進(jìn)爐渣中含硅、含鋁氧化物與堿性氧化物（如氧化鈣、氧化鎂等）反應(yīng)，形成高堿度的渣體，并且可吸收氧氣，從而降低爐渣中FeO 含量。 要求FeO 含量降到1.0%以下， 形成強(qiáng)還原性爐渣，要保持渣中FeO 小于等于1.0%， 才能提高精煉效果。LF 精煉渣料的基本參數(shù)如表2 所示。

表2 LF 后渣樣成分/%

1.4 VD 真空精煉

鋼包入VD 罐，鋼水溫度控制在1 670 ℃～1 675 ℃，然后進(jìn)行撈渣作業(yè)保證鋼包的凈空度大于等于300 mm，如圖4，氬氣壓力控制0.1 MPa～0.3 MPa，在真空度100 Pa 下保持時(shí)間15 min～20 min， 通過窺視孔觀察真空罐內(nèi)液面波動(dòng)情況，手動(dòng)調(diào)整吹氬流量，達(dá)到最佳真空效果。

圖4 VD 撈渣作業(yè)

真空結(jié)束溫度在1 595 ℃～1 605 ℃，將氬氣壓力調(diào)整至0.3 MPa～0.5 MPa 以不吹開渣面、 鋼水不裸露為宜，如圖5 所示，開始靜吹氬，時(shí)間25 min～30 min，靜吹氬結(jié)束后，加入Φ10 mm 硅鈣包芯線2.2 m/t～2.4 m/t。

圖5 鋼水靜吹氬

真空操作完畢后進(jìn)行適當(dāng)?shù)某煞治⒄{(diào)， 在根據(jù)Ca-O-Al 體系A(chǔ)l-Ca 平衡曲線進(jìn)行鈣處理，以確保其成分的精準(zhǔn)和夾雜物去除的效果良好， 再加入碳化稻殼即起保溫作用同時(shí)又防止二次氧化， 精煉結(jié)束溫度為1 540 ℃。

Ca-O-Al 體系A(chǔ)l-Ca 平衡曲線如圖6 所示，精煉渣系的冶金效果如表3 所示。

表3 精煉渣系的冶金效果

圖6 Ca-O-Al 體系中Al-Ca 平衡曲線圖

1.5 3.16 t 模鑄

鋼錠模選用全新的鋼錠模， 在使用前必須進(jìn)行退火處理， 溫度在450 ℃時(shí)出爐， 運(yùn)至模鑄生產(chǎn)現(xiàn)場。 鋼錠模內(nèi)壁干凈，無鐵皮、鐵銹、毛刺、結(jié)痂及各種雜物。當(dāng)鋼錠模溫度在100 ℃左右時(shí)，進(jìn)行內(nèi)部噴涂作業(yè)，涂料厚度0.1 mm～0.2 mm，鑄錠前進(jìn)行保護(hù)渣吊掛，如圖7 所示，吊掛距離模底200 mm 左右。

圖7 保護(hù)渣吊掛

澆注2 錠盤，每盤6 支3.16 t 鋼錠，當(dāng)鋼液澆注至帽口上20 mm～30 mm 后， 開始逐漸減流進(jìn)行緩慢澆注，當(dāng)澆注高度為距澆注帽口的二分之一后，關(guān)閉滑板停止?jié)沧? s～10 s 后，多次急劇開流沖鑄，每次間隔時(shí)間約為3 s～5 s，直至達(dá)到澆注高度和充填時(shí)間為止， 帽口保溫劑要在澆注至帽口2/3 高度時(shí)加入，如圖8 所示。

圖8 加保溫劑過程

單次模鑄澆注需嚴(yán)格控制時(shí)間，錠身5 min～6 min，帽口5 min～6 min。 3.16 t 模鑄錠磨具如圖9所示。 低倍檢驗(yàn)圖如圖10 所示，低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，夾雜物級(jí)別檢驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表4 20Cr2Ni4A 鋼的低倍組織級(jí)別

表5 20Cr2Ni4A 鋼的非金屬夾雜物

圖9 模鑄錠磨具

圖10 20Cr2Ni4 低倍組織檢驗(yàn)圖

高合金滲碳鋼20Cr2N4A 成品鋼材力學(xué)性能檢測結(jié)果：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、面縮率、伸長率均滿足高端產(chǎn)品要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)測試

化學(xué)成分是影響鋼材性能的主要因素， 為了減小化學(xué)成分偏析，對(duì)化學(xué)成分實(shí)行窄帶控制，保證成分均勻性是提高鋼材性能的前提條件。 在實(shí)際生產(chǎn)中采用包內(nèi)合金化與VD 成分微調(diào)相結(jié)合， 統(tǒng)計(jì)的500 爐成品高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 平均氧含量為9×10-6mol/m3化學(xué)成分控制及成品成分如表6 所示。

表6 20Cr2N4A 鋼的化學(xué)成分/%

2.2 物理測試

為了保證鋼材的性能指標(biāo)合格， 其物理性能必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。 高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 物理性能的要求為，密度：7.85 g/cm3，熔點(diǎn)：1 425 ℃，線膨脹系：11.7×10-6/℃，導(dǎo)熱系數(shù)：46.1 W/（m·K），比熱容：477 J/（kg·K），彈性模量：210 GPa，屈服強(qiáng)度≥785 MPa，抗拉強(qiáng)度≥980 MPa，延伸率≥9%，硬度≤229 HB。對(duì)統(tǒng)計(jì)的500 爐成品鋼材進(jìn)行測試， 均達(dá)到了以上性能要求。

2.3 金相組織

采用光學(xué)顯微鏡等設(shè)備觀察材料微觀結(jié)構(gòu)，高合金20Cr2Ni4A 的金相組織主要由珠光體和少量滲碳體組成，其中珠光體為主要組織，是由針狀、板狀或等軸枝晶組成的，如圖11 所示。同時(shí)，在鋼中還存在少量的粒狀鐵碳化合物， 具有較好的韌性和耐磨性。 在正常的熱處理?xiàng)l件下，20Cr2Ni4A 的金相組織不易發(fā)生相變， 但在高溫淬火或加熱退火等特殊熱處理?xiàng)l件下， 會(huì)形成馬氏體或中等硬度的雙相組織。

圖11 20Cr2Ni4A 的金相組織

經(jīng)測試，硬度、延展率和沖擊值等物理性能均達(dá)標(biāo)。 成分分析和雜質(zhì)含量測試顯示材料的純度和可靠性均符合要求。從晶體結(jié)構(gòu)角度分析材料的強(qiáng)度、韌性、斷裂機(jī)理等重要性能一致達(dá)標(biāo)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

本鋼特鋼廠利用50 t EBT+LF+VD+模鑄工藝生產(chǎn)高等級(jí)高合金滲碳鋼20Cr2Ni4A 工藝應(yīng)用于生產(chǎn)過程，跟蹤其實(shí)際應(yīng)用情況。

50 t EBT 電弧爐使用優(yōu)質(zhì)廢鋼原料+65%鐵水吹碳處理， 并將碳含量以及溫度達(dá)到要求的鋼水出鋼，轉(zhuǎn)移到LF 爐以進(jìn)行脫氧、升溫、去夾雜、合金化， 再使用VD 爐在真空環(huán)境中去除鋼水中的氣體和靜吹氬，以提高鋼材的純凈度。 結(jié)果表明，該工藝的應(yīng)用可以大幅度提高20Cr2Ni4A 鋼材的純凈度和均質(zhì)性，進(jìn)而提高鋼材的質(zhì)量、穩(wěn)定性和純度，提高其機(jī)械性能和使用壽命。

該生產(chǎn)工藝具有生產(chǎn)效率高、成品質(zhì)量好、環(huán)保性能佳等優(yōu)點(diǎn)。 采用該工藝可以提高鋼的純凈度和均勻性，降低成本，增加競爭力。

4 結(jié)論

研究50 t EBT+LF+VD+模鑄生產(chǎn)工藝對(duì)鋼水純凈度和鋼水均勻性的影響， 對(duì)提高生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量等有一定推動(dòng)作用。 研究20Cr2Ni4A 鋼材在高溫高強(qiáng)應(yīng)用場景下的性能， 為其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 主要結(jié)論如下：

（1）電爐送電前半小時(shí)烘烤合金，嚴(yán)格控制出鋼終點(diǎn)碳含量，脫碳量≥0.30%，出鋼溫度在1 640 ℃～1 680 ℃之間。

（2）LF 爐進(jìn)行白渣操作，采用復(fù)合渣進(jìn)行脫氧。VD 真空脫氣后進(jìn)行Ca 處理，保證減少夾雜物的各向異性，促進(jìn)夾雜物的上浮。

（3）模鑄過程帽口保溫劑要在注至帽口2/3 高度時(shí)加入。 單盤模鑄澆注嚴(yán)格控制時(shí)間，錠身5 min～6 min，帽口5 min～6 min。

（4）化學(xué)成分實(shí)行窄帶嚴(yán)格控制，確?；瘜W(xué)成分均勻性，經(jīng)過嚴(yán)格的工藝控制和產(chǎn)品性能檢驗(yàn)。

（5）成品材低倍組織、非金屬夾雜物、力學(xué)性能均滿足高端高合金滲碳鋼質(zhì)量要求。