重載齒輪傳動(dòng)在運(yùn)行時(shí)承受較高的應(yīng)力，這容易引發(fā)疲勞斷裂。非金屬夾雜物的存在是滲碳齒輪鋼疲勞斷裂的主要原因之一，且夾雜物的尺寸越大，齒輪鋼的疲勞壽命越短。研究表明，鋼中總氧含量與夾雜物數(shù)量呈正相關(guān)，氧含量越高，夾雜物越多，檢測(cè)的夾雜物尺寸就越大，從而顯著降低齒輪的疲勞壽命。隨著全球生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，齒輪鋼氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)已從 25×10-6 降至 11×10-6，使得齒輪鋼的接觸疲勞強(qiáng)度提升了 4 倍。因此，日本將齒輪鋼鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求調(diào)整為不超過(guò) 15×10-6，歐美等國(guó)家也將標(biāo)準(zhǔn)修訂為 20×10-6 以內(nèi)，我國(guó)同樣將齒輪鋼的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求限制在 20×10-6 以內(nèi)。然而，隨著國(guó)內(nèi)齒輪制造業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，齒輪設(shè)計(jì)者越來(lái)越注重齒輪的極限壽命，安全系數(shù)的選擇也不再像過(guò)去那樣保守，這導(dǎo)致齒輪制造商對(duì)鍛鋼件技術(shù)協(xié)議中氧含量的要求日益提高。
鋼中的氧含量主要以?shī)A雜物的形式存在，鋼水經(jīng)過(guò) LF 和 RH 精煉后，夾雜物成分、形貌、數(shù)量等都會(huì)發(fā)生變化，整個(gè)精煉過(guò)程對(duì)夾雜物控制有顯著作用。Zhang 等研究不同初始鋁氧濃度積對(duì)鋼包精煉過(guò)程的最終氧含量過(guò)程的影響，鋼中的溶解鋁含量越高，精煉后鋼中的溶解氧含量越低。Wang等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼中的 Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.03%時(shí)，鋼中溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到(3～5)×10-6，T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以控制在(11～12)×10-6。董文亮等對(duì) 28MnCr5 鋼中鎂鋁尖晶石夾雜物的平衡條件進(jìn)行研究，認(rèn)為 SiO2 是鋼中氧含量的主要來(lái)源，當(dāng)?shù)吞箭X輪鋼的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 10×10-6 以下時(shí)，滿足超低氧鋼的要求。
研究表明，VD+IC(investment casting，模鑄)工藝在超低氧齒輪鋼的生產(chǎn)中并不常見，這可能與模鑄規(guī)模有限、冶煉過(guò)程控制復(fù)雜、澆鑄過(guò)程中與耐火材料的接觸時(shí)間較長(zhǎng)等因素有關(guān)。鑒于此，本文開發(fā)了一種采用“EBT+LF+VD+IC”流程的低碳重載齒輪鋼生產(chǎn)方法，旨在為超低氧純凈鋼的冶煉提供技術(shù)指導(dǎo)。
1、冶煉工藝設(shè)備及鋼種
生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程
主要生產(chǎn)設(shè)備：50 t EBT 電弧爐、60 t LF 以及 60 VD 真空精煉裝置及氬氣保護(hù)模鑄。
在原工藝流程中，EBT 電弧爐出鋼的控制要求為：w(C)≥0.05% 、w(O)≤550×10-6、w(P)≤0.003 %，并添加鋁錠，其用量為 60 kg/t。在 LF 精煉階段結(jié)束前 10 min 進(jìn)行增碳處理，確保成分符合鋼種內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求后，將鋼水送入 VD 裝置進(jìn)行真空脫氣。脫氣完成后，按 1.5 kg/t 的比例加入碳化稻殼，隨后進(jìn)行取樣、測(cè)溫、定氫、定氧等操作，待成分合格后進(jìn)行軟吹。當(dāng)鋼水溫度達(dá)到 1 560～1 580 ℃時(shí)，啟動(dòng)全程氬氣保護(hù)澆鑄，完成后檢測(cè)鋼錠的氧含量。
鍛鋼件技術(shù)條件
重載齒輪鋼鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼種化學(xué)成分要求如表 1 所示，重載齒輪鋼對(duì)氣體氧含量及鋁含量要求很低，其它成分冶煉技術(shù)難度不高。非金屬夾雜物按照 GB/T3480.5—2021 標(biāo)準(zhǔn)中滲碳淬火鍛鋼 ME 級(jí)要求，夾雜物檢測(cè)指標(biāo)較低，工藝能滿足檢測(cè)指標(biāo)要求。
2、氧含量偏高原因分析
通過(guò)對(duì)優(yōu)化之前 50 爐的重載齒輪鋼鍛件氧含量統(tǒng)計(jì)分析(見圖 1)，發(fā)現(xiàn)鍛件氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的波動(dòng)符合正態(tài)分布函數(shù)，其中樣本均值為 11.1×10-6，標(biāo)準(zhǔn)差 4.11。當(dāng)鍛件氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求 9×10-6 以下時(shí)，不合格爐數(shù)占比為 56%，冶煉工藝無(wú)法穩(wěn)定滿足鍛鋼件標(biāo)準(zhǔn)的氧含量要求，需要進(jìn)一步分析氧含量波動(dòng)的原因，并重新開發(fā)新的冶煉工藝流程。
電爐冶煉對(duì)氧含量的影響
在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，電爐出鋼的溶解氧含量與出鋼碳含量之間存在一定關(guān)聯(lián)，根據(jù)圖 2 關(guān)系表明，當(dāng)出鋼 w(C)=0.02%～0.16%時(shí)，隨著碳含量的增加，氧含量呈下降趨勢(shì)，但下降速率逐漸減緩。利用簡(jiǎn)單方程描述了這種關(guān)系，其 R2 值為 0.984 09，顯示模型與數(shù)據(jù)之間高度相關(guān)。觀察曲線下降速率可知，當(dāng)出鋼 w(C)>0.065%時(shí)，氧含量降低速度減緩;當(dāng) w(C)>0.12%時(shí)，氧含量基本不再變化。因此，將原工藝出鋼 w(C)≥0.05%優(yōu)化為 w(C)=0.065%～0.12%，以減少出鋼氧含量。此外，降低出鋼氧含量可減少鋁錠的加入量，減少鋼液夾雜物含量，提高鋼液中溶解鋁含量，降低鋼包內(nèi)鋼水溶解氧，實(shí)現(xiàn)降低最終產(chǎn)品氧含量的目標(biāo)。
精煉過(guò)程對(duì)氧含量的影響
通過(guò)使用 LECO 氧氮?dú)浞治鰞x和賀利氏在線定氧儀，對(duì)精煉過(guò)程、VD 真空精煉過(guò)程以及鋼錠氧含量進(jìn)行了詳細(xì)分析(見圖 3)。分析不同時(shí)間段的 T.O 數(shù)據(jù)，精煉過(guò)程的 w(T.O)在(9～11)×10-6 波動(dòng)，整體波動(dòng)較小。在整個(gè)取樣過(guò)程中，出現(xiàn)了兩次波動(dòng)。第一次波動(dòng)發(fā)生在鋼包精煉結(jié)束后進(jìn)入 VD 真空精煉爐階段;第二次波動(dòng)發(fā)生在成品氧含量檢測(cè)階段。
第一次 T.O 含量波動(dòng)的主要原因包括：在出鋼之前，碳含量未滿足鋼種成分要求，需要補(bǔ)加碳粉，并通過(guò)氬氣強(qiáng)力攪拌使碳粉快速溶解，導(dǎo)致鋼液中夾雜物增加，從而使得 T.O 含量升高。另外，增碳時(shí)，碳會(huì)漂浮在鋼渣表面，需要增大電流提高渣液面的攪動(dòng)，使表面碳粉快速溶解，碳在溶解過(guò)程中與爐渣中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成新的夾雜物，導(dǎo)致鋼中的氧含量增加。第二次 T.O 含量波動(dòng)可能是由幾個(gè)因素造成的，包括澆鑄過(guò)程中的二次氧化、耐火材料的侵蝕產(chǎn)物以及鋼錠模內(nèi)卷渣等。
因此，針對(duì)以上兩次 T.O 含量波動(dòng)采取如下措施：在第一次真空脫氣后返回 LF 精煉工位，更換鋼液面的部分爐渣，并重新造渣，調(diào)整溫度后再次進(jìn)入 VD 真空脫氣，以提高爐渣的吸附能力并促進(jìn)夾雜物的去除。同時(shí)，為了減少出鋼液面的波動(dòng)并降低夾雜物的產(chǎn)生，建議將 LF 鋼包結(jié)束前的增碳方式由加碳粉改為喂碳線。
爐渣成分對(duì)夾雜物的影響
利用掃描電鏡對(duì)鍛件成品試樣中 10μm 以上的夾雜物進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果如圖 4 所示，夾雜物主要為鋁鈣復(fù)合型夾雜物，占比在 82%左右，其最主要形式為 12CaO·7Al2O3、CaO·Al2O3、CaO·2Al2O3 和 CaO·6Al2O3，夾雜物的總數(shù)為 48 個(gè)。導(dǎo)致鋁鈣型夾雜物偏多可能與爐渣中氧化鈣的含量有關(guān)，爐渣中的 CaO 含量高，導(dǎo)致鋼中的 Ca 含量增大。從式(1)～式(4)可知，溶解 Ca 含量增加就會(huì)導(dǎo)致鋼中相應(yīng)類型的夾雜物的生產(chǎn)，利用 XRF 爐渣分析儀對(duì)鋼渣的成分進(jìn)行分析，爐渣 w(CaO)=71.86%，而理論 w(CaO)應(yīng)該控制在 49%～56%。
3、工藝優(yōu)化前后對(duì)比
優(yōu)化方案
優(yōu)化工藝的主要目的是降低 EBT 出鋼的氧含量，減少鋼中夾雜物的產(chǎn)生;改變 LF 精煉爐渣成分，提高爐渣的吸附性，促進(jìn)夾雜物上浮。因此在原生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，包括：在 EBT 電弧爐出鋼時(shí)控制氧含量，將 LF 精煉的增碳方式從加碳粉改為喂碳線，并在精煉中增加 1 次 LF 換渣和 1 次 VD 真空脫氣操作。LF 鋼包精煉結(jié)束后，鋼水包進(jìn)入 VD 爐進(jìn)行真空脫氣，抽真空時(shí)間控制在 10 min 左右，真空壓力在 63 Pa 以下，真空結(jié)束后，鋼水包被吊回 LF 精煉工位換渣、加熱、脫氧，并在達(dá)到規(guī)定溫度后喂鋁線深脫氧。精煉結(jié)束以后，鋼水包會(huì)再次進(jìn)入 VD 進(jìn)行 20 min 的二次真空脫氣冶煉，壓力依然保持在 63 Pa 以下，結(jié)束后進(jìn)行測(cè)溫、定氧、定氫、成分調(diào)整和氬氣流量的調(diào)節(jié)，軟吹時(shí)間應(yīng)控制在 15～30 min。具體見表 2。
取樣方案及試樣分析方法如下。
1)全生產(chǎn)過(guò)程氧含量取樣方案：分別在 EBT 出鋼后、LF 脫硫結(jié)束后、LF 換渣前、第 2 次 LF 精煉結(jié)束、第 2 次 VD 破空、VD 后軟吹結(jié)束后和鑄錠取樣。將試樣進(jìn)行線切割加工成 Φ3～4 mm 的試棒，再利用 LECO 氧氮?dú)鋬x對(duì)試樣的氧含量進(jìn)行分析。
2)10 t 鋼錠開坯成 400mm×400mm 的方坯，經(jīng)兩次墩粗+兩次拔長(zhǎng)鍛造工藝，將鋼錠鍛造成 400 mm×400 mm 的方坯。試樣的取樣方式如圖 5 所示。根據(jù) ASTM E2283-08(2019)標(biāo)準(zhǔn)，選取 6 塊試樣，并使用砂紙打磨并拋光試樣表面，確保表面光滑。然后，使用全自動(dòng)夾雜物掃描儀 Aspex 對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行 3 次檢測(cè)。每次檢測(cè)的面積必須大于 150 mm²，并檢測(cè)夾雜物尺寸大于 10 μm。最后，共需要對(duì) 24個(gè)面進(jìn)行檢測(cè)，打磨的厚度須大于 0.3 mm。
3)利用 XRF 對(duì)精煉爐渣中的礦相組成進(jìn)行分析。
優(yōu)化效果
1. 氧含量對(duì)比
圖 6 為不同工序位置的氧含量，提高入爐廢鋼碳含量配比后，EBT 出鋼的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 530×10-6 降至 290×10-6 。LF 精煉渣白化后，總氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至 10×10-6 ，并在 LF 出站時(shí)降至 8×10-6 。盡管 VD 處理后 T.O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所上升，但軟吹后降到 5×10-6 ，表明優(yōu)化后的工藝在夾雜物吸附效果上更優(yōu)。換渣改變了爐渣成分，增強(qiáng)了鋼渣吸附鋁鈣復(fù)合夾雜物的能力，并通過(guò)機(jī)械攪拌作用提升鋼渣與夾雜物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，使得優(yōu)化后工藝在 VD 破空后的氧含量控制上優(yōu)于優(yōu)化前。
2. 夾雜物成分對(duì)比
對(duì)工藝優(yōu)化后鍛件中夾雜物的類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物的類型與優(yōu)化前有所不同，如圖 7 所示。工藝優(yōu)化后主要以鎂鋁復(fù)合型夾雜物為主，而優(yōu)化前主要以鋁鈣復(fù)合型夾雜物為主。鎂鋁尖晶石的產(chǎn)生與頂渣中 MgO 含量增大有關(guān)，可能冶煉時(shí)間、高 Al 含量導(dǎo)致鋼包的內(nèi)襯被侵蝕，生成厚度不均的鎂鋁尖晶石層，并逐漸脫落進(jìn)入鋼液中，導(dǎo)致 MgO·Al2O3尖晶石的大量生成。
工藝優(yōu)化前后鍛件夾雜物的成分見圖 8，從圖 8 可知，優(yōu)化后工藝夾雜物尺寸大于 10μm 以上夾雜物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于優(yōu)化前，而且夾雜物中的 Ca 含量較優(yōu)化前更低。優(yōu)化工藝中，夾雜物中 Ca 含量的降低可歸因于爐渣中鈣活性的減少，這導(dǎo)致鋼液中鈣含量的下降，從而減弱了鈣置換鋁氧化物夾雜物的能力，使得復(fù)合型夾雜物中的鈣含量減少。此外，由于鋁鈣復(fù)合型夾雜物缺乏尖角，當(dāng)其包裹在氣泡內(nèi)部時(shí)，不易刺破氣泡，因此更易于通過(guò)脫氣過(guò)程被去除。相反，鎂鋁尖晶石夾雜物由于其尖角結(jié)構(gòu)，容易刺破氣泡，在鋼液運(yùn)動(dòng)過(guò)程中難以被有效去除。
3. 爐渣成分分析
根據(jù)表 2 的 LF 爐渣成分檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后鋼包精煉爐爐渣中的 CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 49%～56%，平均為 52.99%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)工藝優(yōu)化后 MgO 含量高于優(yōu)化前。當(dāng)液態(tài)渣相溫度在 1500～1700℃ 時(shí)，液態(tài)渣相中飽和 MgO 的溶解度在 4.0%～7.7%，總體趨勢(shì)是溫度越高，渣中 MgO 的溶解度越高。一旦鋼液溫度低于1650℃，鋼渣中的MgO含量超過(guò)檢測(cè)上述范圍，將導(dǎo)致鋼渣中MgO處于飽和狀態(tài)。當(dāng)鋼渣處于飽和狀態(tài)時(shí)，其中的氧化鎂會(huì)分解并進(jìn)入鋼液中，與鋼中的氧化鋁結(jié)合形成尖晶石類夾雜物。這進(jìn)一步證實(shí)了優(yōu)化后工藝中大型夾雜物的主要為鎂鋁尖晶石夾雜物原因。通過(guò)相似相容原理，頂渣中的氧化鋁含量越高，爐渣的熔點(diǎn)越低，越有利于鋁鈣型復(fù)合夾雜物的去除。
4. 鍛件最大夾雜物對(duì)比
當(dāng)鋼中氧達(dá)到一定含量后，工藝優(yōu)化前金相法采用標(biāo)準(zhǔn) GB/T10561—2023 的 A、B、C、D、DS 分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)純凈鋼的評(píng)判已經(jīng)受到一定限制，現(xiàn)在普遍采用標(biāo)準(zhǔn) GB/T40281—2021 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)小試樣尺寸預(yù)判大體積鋼中的最大夾雜物尺寸。一般其分布滿足 Gumbel 的分布函數(shù)。
式中：x 為檢測(cè)平面最大夾雜物尺寸;λ為位置函數(shù);δ為標(biāo)準(zhǔn)差。
利用等效代換將式(6)帶入到式(5)中，函數(shù)轉(zhuǎn)化為式(7)和式(8)，可見最大夾雜物與 y 之間存在線性關(guān)系。但須指出 λ、δ、y 都是未知數(shù)，而 λ、δ 是隨著試樣數(shù)量及檢測(cè)面的數(shù)量的變化而變化。
式(7)中 H(y)是一個(gè)連續(xù)的函數(shù)，利用樣本方差和位置函數(shù)代表連續(xù)函數(shù)的方差和位置函數(shù)，為了避免與 H(y)混淆，因此將樣本的函數(shù)用 F(y)表示，將公式寫成式(9)的形式，其中 Rel.Var(reduced variate)為約減變量。
式中：N=24;i 為最大夾雜由小到大的排列的順序號(hào)(1～N)，因此整個(gè)方程變成求解 λ、δ 未知數(shù)的方程。GB/T40281—2021 標(biāo)準(zhǔn)提了 3 種求解方法，分別為截距法、矩陣法和最小二乘法，其中截距法最為簡(jiǎn)單實(shí)用。
利用截距法對(duì)兩種不同工藝的鍛件中最大夾雜物檢測(cè)尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見圖 10。從圖 10 可知，優(yōu)化后工藝掃描得到鍛件的非金屬夾雜物尺寸全部小于 40μm，而優(yōu)化前全部大于 40μm。優(yōu)化后工藝預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)單點(diǎn)最大夾雜物的尺寸為 51.2μm，而優(yōu)化前為 137.5μm。可見優(yōu)化后工藝通過(guò)換渣操作大幅度提升爐渣對(duì)夾雜物的吸附能力，對(duì)非金屬夾雜物評(píng)估值的降低幫助很大，優(yōu)化后工藝對(duì)夾雜物的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于優(yōu)化前。
4、結(jié)論
1)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，重載滲碳齒輪鋼電爐出鋼氧含量與出鋼碳含量存在一定的關(guān)系，隨著出鋼碳含量增加，氧含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但下降的速率隨著碳含量增加逐漸降低，因此出鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 0.065%～0.120%，鋼中氧含量最合理。
2)利用掃描電鏡對(duì)不同工藝生產(chǎn)重載滲碳齒輪鋼中夾雜物進(jìn)行掃描分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工藝后的鍛件中夾雜物數(shù)量及主要類型有所不同，主要以鎂鋁尖晶石為主，而優(yōu)化前生產(chǎn)工藝的夾雜物類型主要以鋁鈣復(fù)合型夾雜物為主。
3)利用截距法對(duì)兩種不同工藝的鍛件中最大夾雜物檢測(cè)尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化工藝的最大夾雜物尺寸預(yù)測(cè)值為 51.2μm，而原工藝的最大夾雜物預(yù)測(cè)值為 137.5μm，優(yōu)化工藝可以有效降低鋼中的最大夾雜物尺寸的檢測(cè)值。
4)通過(guò)對(duì)電弧爐出鋼過(guò)程控制參數(shù)的優(yōu)化，LF 和 VD 爐精煉過(guò)程的改進(jìn)以及模鑄過(guò)程氬氣保護(hù)效果的提升，使得工藝優(yōu)化后重載滲碳齒輪鋼中的鍛件氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到 6×10-6 ，滿足鍛鋼件的技術(shù)協(xié)議 9×10-6 以下的要求。
參考文獻(xiàn)略.