随着我国汽车行业的蓬勃发展，对汽车零部件需求量越来越大，汽车锻件是汽车制造业中的基础安全件，曲轴、前轴、平衡轴、凸轮轴、半轴、十字轴、连杆、齿轮、同步齿环、转向臂、转向节、等速万向节、摇臂、拨叉和爪极等锻件广泛运用于商用车的动力部分、行驶部分以及悬挂部分。从工艺零件看，一台商用车锻件需求种类少则几十种，多则百余种。有数据表明，一辆重型载货汽车需求锻件1t左右。进而对汽车锻件用钢材料的需求量日益增长，对产品的质量要求越来越高，氧含量作为影响钢材疲劳寿命的重要因素，越来越受到重视。本钢转炉生产汽车锻件用钢过程中对氧含量、硬度、夹杂物、力学性能、组织和末端淬透性都有严格要求，以42CrMo-1为代表的超低氧汽车锻件用钢生产工艺，经过多年摸索及研究，氧含量控制逐渐趋于稳定，控制在[O]≤13×10-6，大大提高了汽车锻件用钢的疲劳寿命。
1 生产工艺流程
本钢42CrMo-1汽车锻件用钢生产工艺流程为：高炉铁水→铁水预处理→转炉冶炼→精炼炉LF→真空脱气RH→大方坯连铸350mm×470mm连铸坯→步进式加热炉加热→高压水除磷→粗轧机轧制→连轧机组→缓冷→精整→探伤→检验→入库。
转炉容量为180t，从高炉来的铁水进行严格的脱硫扒渣处理，满足入炉铁水[S]≤0.005%，[P]≤0.04%的要求。主要设备参数见表1。
表1 炼钢厂主要设备参数
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名称
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参数及功能
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铁水脱硫扒渣
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脱硫粉剂为钝化镁粉和石灰，吹炼速度8-14kg/min
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转炉
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顶底复吹转炉，容量150t，供氧时间14-16min
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LF精炼
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电极旋转式双工位165tLF炉，变压器容量35MVA，温升速率1-5℃
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RH精炼
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单工位RH-TB，六级真空泵，67Pa时抽气能力为600kg/h，循环速度130t/min
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矩形坯连铸机
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弧形，4机4流，断面350mm×470mm，中间包流量32t，拉速0.55m/min
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2 炼钢工艺
2.1 转炉吹炼
为了适应转炉快节奏，提高汽车锻件用钢的疲劳寿命和质量，要最大限度地控制汽车锻件用钢中原始氧含量，所以要使转炉终点的氧含量最低，以提高42CrMo-1钢纯净度。出钢过程中加入足量的铝进行脱氧处理。
首先，对汽车锻件用钢的夹杂物生成机理进行热力学分析，确定夹杂物的生成和控制条件。然后根据转炉终点碳和氧含量情况，在出钢过程中确定该钢种的合金加入顺序及加入量。而且铝的加入量根据钢水终点碳含量确定，碳含量高时，降低Al的加入量。确保在良好脱氧条件下，减少钢中夹杂物的生成量，以提高钢的洁净度。
根据本钢的实际生产条件，一般42CrMo-1钢出钢加铝过程在加完增碳剂条件下进行，此时[O]≤0.06%，因此，以铝脱氧可以获得较低的溶解氧水平，现场实际生产条件下，钢中会有较多的Al2O3夹杂物生成，在精炼中要进行Ca处理，对Al2O3夹杂物进行改性。
2.2 LF-RH精炼
LF采用白渣操作，造渣前，将[Alt]调至标准上限。造渣材料采用萤石、活性石灰、精炼渣CaO-SiO2-Al2O3系，先加入萤石，再一次性加入活性石灰，要保证所有加入的石灰完全化开。脱氧剂（铝粒、碳粉等）在石灰完全化开后根据炉渣的脱氧程度一次适量加入，要造成还原渣，保证白渣的形成及维持。在保证渣流动性的条件下，控制渣碱度和渣中的氧势。
炉渣的氧势对脱氧过程影响极大，而降低炉渣氧势的可靠措施就是降低炉渣中FeO＋MnO含量并提高碱度，因此，要控制FeO＋MnO≤1%，即可得白渣，并达到15min以上。然后合金化，用高猛、高铬、硅铁、钼铁等将Mn、Cr、Si、Mo成分达到标准范围，全程进行吹氩气搅拌，电极升温不低于25min。LF精炼处理时间为40min-45min，LF后控制[Alt]在0.01%-0.02%，然后转至RH精炼。
RH精炼为抽真空过程，在较高的真空度下真空脱气，以保证托起效果和促进夹杂物上浮，要求循环20min以上，成分调整至满足内控要求后，吹氩气搅拌，使钢中的夹杂物进一步上浮进入渣中，提高了钢水纯净度。处理后期加入铝丸调整钢水中Alt含量，随后合金均匀化。
在进行钙处理后，从理论上讲，随着钙含量的增加，反应产物应该是按C·A6→C·A2→C·A→C12·A7的顺序变化。为得到理想的低熔点钙铝酸盐夹杂物，需严格控制加入钢水的钙量。钙量小，Al2O3无法转变为液态铝酸钙；钙量过大，则有可能生成CaO。
2.3 矩形坯连铸
钢包要密封好，采用大包覆盖剂、中间包覆盖剂、高碱度中包渣，中间包内氩气保护浇铸。中间包渣要勤加入，严禁钢液面裸露，做好长水口密封，以及侵入式水口，进行保护浇注，防止钢水的二次氧化。加强钢包、中间包耐火衬的隔热保温性能，减少衬体散热造成的温降，中间包温度控制在1508℃左右，控制连1炉次过热度≤28℃，其他炉次过热度控制在22℃左右，拉速与过热度相配，控制在0.50m/min左右。通过一系列的控氧措施，使成品汽车锻件用钢氧含量控制在[O]≤13×10-6的要求，统计20炉成品42CrMo-1钢平均氧含量为11×10-6。
2.3.1 结晶器电磁搅拌
本钢炼钢厂矩形坯连铸机都配置了结晶器电磁搅拌（M-EMS）。大幅降低钢液的过热度，缩短凝固时间，从而产生宽且细的等轴晶区；使凝固前沿强制对流，打碎凝固前沿的树枝晶，树枝晶的碎片重新熔化，降低了钢水温度，增加了等轴晶核心，封锁了柱状晶前沿的发展，形成了宽大的等轴晶区。钢液的搅动使液芯由外向内的温度梯度减小，四周结晶均匀发展，从而提高铸坯断面上的等轴晶率，使偏析元素均匀分布，避免溶质元素集聚，最终改善铸坯的偏析。
2.3.2 末端电磁搅拌
末端电磁搅拌安装在凝固率fs＝0.7-0.8的位置，进一步细化等轴晶，促进柱状晶向等轴晶转化，产生宽而细的等轴晶区，使之能致密充满凝固末端；减少二次枝晶的臂间距，以控制粘稠区的渗透性。并能保持粘稠区的流动以及温度与成分的均匀。因此，可以明显减轻宏观偏析。抽取20炉缸，每炉钢取一支试样，采用氧化法进行晶粒度检验，经930℃温度下保温3h、水淬。采用15%的盐酸乙醇溶液进行腐蚀，在显微镜下观察没有混晶现象，晶粒度为7级。由于热加工温度、初轧和终轧温度控制较好，所以晶粒较细，没有混晶现象。
不同搅拌强度时，凝固钢中碳含量的变化表明，搅拌强度增强时，铸坯中的负偏析程度也加剧。当铸坯离开电磁搅拌区时，凝固钢中的碳含量会高于无电磁搅拌时的碳含量，发生了“正偏析”。搅拌强度越高，越容易发生正偏析。
2.3.3 动态轻压下
本钢炼钢厂从2010年开始，在矩形坯上投轻压下，通过在连铸坯液芯末端附近施加压力，产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。这一方面可消除或减少铸坯收缩形成的内部孔隙，防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面轻压下所产生的挤压作用，还可以促使液芯中心富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配。从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，达到改善中心偏析和减少中心疏松的目的。
本钢42CrMo-1汽车锻件用钢采用在2、3、4辊上分别压下4mm、4mm和4mm，总压下量为12mm，铸坯疏松、缩孔明显减轻，等轴晶率平均达到58%。
2.4 矩形坯轧制
转炉矩形坯加热4个小时后，1000℃的开轧温度进入返回式初轧机，初轧机采用二辊可逆式轧机，经十二架大棒机组后出成品，再进行48h保温后经漏磁探伤检测，确定没有表面缺陷，进行物理性能检验，各项指标检验全部合格后打包入库。
表2、表3分别为成品夹杂物、力学性能检验结果。
表2 42CrMo-1钢的非金属夹杂物
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范围
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A类/级
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B类/级
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C类/级
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D类/级
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粗
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细
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粗
|
细
|
粗
|
细
|
粗
|
细
|
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最大值
|
1.5
|
1.0
|
0.5
|
0.5
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
最小值
|
1.5
|
1.0
|
0.5
|
0.5
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
平均值
|
1.5
|
1.0
|
0.5
|
0.5
|
0
|
0
|
0
|
0
|
表3 42CrMo-1钢的力学性能
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范围
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Rm，N/mm2
|
Rel，N/mm2
|
A%
|
Z%
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KU2，J
|
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最大
|
1146
|
1031
|
15.5
|
58
|
88
|
|
最小
|
1122
|
1019
|
13.5
|
55
|
84
|
|
平均
|
1135
|
1124
|
14
|
56
|
85
|
3 化学成分
化学成分是影响钢材性能的主要因素，在工艺技术稳定的情况下，化学成分窄带控制、稳定性、均匀性是保证钢材性能的前提条件。在实际生产中采用包内合金化与RH成分微调相结合，化学成分控制及成品成分见表4。
表4 42CrMo-1钢的化学成分
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成分%
|
C
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Si
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Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Mo
|
Ni
|
Cu
|
Alt
|
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标准
|
0.37~0.42
|
0.15~0.35
|
0.60~0.90
|
≤0.025
|
0.015~0.030
|
0.90~1.20
|
0.16~0.25
|
≤0.30
|
≤0.20
|
0.020~0.060
|
|
放行
|
0.37~0.39
|
0.15~0.35
|
0.70~0.77
|
≤0.025
|
0.015~0.030
|
1.06~1.13
|
0.16~0.20
|
≤0.20
|
≤0.15
|
0.025~0.055
|
|
内控
|
0.37~0.39
|
0.20~0.30
|
0.71~0.76
|
≤0.020
|
0.016~0.028
|
1.07~1.12
|
0.17~0.19
|
≤0.10
|
≤0.10
|
0.030~0.050
|
|
目标
|
0.38
|
0.25
|
0.74
|
≤0.015
|
0.020
|
1.10
|
0.18
|
≤0.05
|
≤0.05
|
0.038
|
|
成品平均
|
0.38
|
0.26
|
0.745
|
0.012
|
0.020
|
1.11
|
0.18
|
0.02
|
0.008
|
0.040
|
4 结论
1）转炉过程严格控制下渣量，控制出钢温度，详细研究了Al2O3的热力学反应。精炼过程采用白渣操作，对钙处理做了详细计算，连铸过程采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌和动态轻压下等设备，得到成分、组织均匀的42CrMo-1汽车用钢铸坯；
2）铸坯经过加热、初轧及连轧机组后得到表面质量好、内部夹杂物细小且均匀分布、晶粒度细小、没有混晶现象、组织均匀的钢材；
3）化学成分实行窄带严格控制，确保化学成分均匀性，经过严格的工艺控制和产品性能检验，得到了42CrMo-1汽车用钢铸坯。
摘选自《世界金属导报》2016年12期
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