氮微合金化技術在滲碳齒輪鋼上的應用

丁志軍 馬玉強

（河北鋼鐵集團石鋼公司）

0 引言

齒輪鋼是汽車、鐵路、船舶、工程機械中使用特殊合金鋼中要求較高的關鍵材料之一，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、齒輪運行平穩、低噪音、安全性、低成本、易加工、多品種等方向發展。滲碳齒輪鋼作為汽車用主要結構鋼之一,其材料技術的發展直接影響著我國汽車制造的整體技術水平,特別是變速箱和驅動橋等重要總成的制造水平，河鋼石鋼公司生產的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，易出現晶粒粗大和混晶現象，導致齒輪淬火變形和開裂。通過采用氮微合金化技術很好的解決了此類問題，滿足了顧客的需求。

1 氮微合金化技術在細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，能夠能擴大γ相區并使奧氏體穩定化，是形成和穩定奧氏體的元素之一；其次，能細化晶粒：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，生產過程中難以穩定控制，如何精確控制鋼中氮含量是實現氮微合金化技術的前提和關鍵點。

2 Mn-Cr系齒輪鋼成分控制要求

河鋼集團石鋼公司生產的歐標Mn-Cr系滲碳齒輪用鋼TL4227，生產工藝流程為BOF→LF→VD→CC，TL4227的化學成分見表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7級，晶粒細小不出現混晶。

3 影響鋼中增氮的熱力學因素

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

從熱力學來說，氮在鋼中的溶解服從平方根定律，氮氣在純鐵中的溶解反應為：

根據西華特定律得出：

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上有三個因素：反應溫度、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，單位時間內增氮量越大，經過現場增氮試驗的摸索，增氮時的鋼液溫度選擇在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

氮的活度系數與鋼中的合金元素有關，受鋼中各元素與氮的相互作用系數影響，其計算公式為：

表2 各元素與氮的相互作用系數

從表2可以看出，各類元素含量對氮溶解度的影響，同時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，爐前碳氧反應產生的CO氣泡及LF吹氬產生的氬氣泡都相當于小的真空室，鋼液中的氮原子可以擴散到CO氣泡中，在鋼液界面上形成N分子進入CO氣泡上浮鋼液中除去，二者都遵循西華特定律，根據文獻[4]給出的轉爐吹氧脫碳過程中脫氮速率與脫碳速度的經驗關系式：

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氣增氮工藝。

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重，煙氣遮擋操作工視線，容易造成誤判，導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爐精煉過程吹氮氣增氮

LF底吹氮增氮的優點是合金成本低，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過程底吹氮氣，會使吹氮時間過長，增氮穩定性差，同時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，二次氧化會造成夾雜物超標。氮化錳線喂入量大、喂入時間長，溫度損失大，易導致連鑄過程結流或剩鋼。

對于一些氮含量要求高的鋼種，如N含量≥100×10-6時，需對增氮工藝進行優化調整。石鋼采用在轉爐出鋼過程中加MnN合金和LF爐精煉過程吹氮氣的聯合增氮方式，既能保證增氮效果的精確控制，同時又能兼顧成本和鋼液純凈度。

5 氮微合金化技術在實際應用中的控制要點

5.1 轉爐對氮含量的影響因素

5.1.1 轉爐終點碳含量氮含量的影響

冶煉后期，冶煉終點碳含量較低時，由于碳氧反應減弱，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C含量的不穩定，造成N含量的不穩定，將爐前終點C控制在0.05%～0.10%之間，可以保證終點N含量的穩定性。

5.1.2 轉爐冶煉補吹對氮含量的影響

補吹對轉爐終點氮含量存在一定影響，補吹之前存在測溫和取樣過程，導致冶煉過程存在短時間的中斷，此時爐內充滿空氣，再次進行吹氧補吹時空氣被氧氣帶進鋼液形成增氮，對轉爐終點氮含量存在一定影響。另外，在補吹過程中，由于鋼中的碳含量較少，鋼水脫碳速度小，產生的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應盡量避免長時間補吹，穩定吹煉終點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齒輪鋼上進行了相關試驗，選取4個不同爐次，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驗；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%時進行吹氮，吹氮流量控制在200～300 NL/min，表4為LF不同吹氮時間下的增氮量，鋼材增N速率為(2～3)×10-6/min。

表4 MnCr5系列鋼 LF吹氮實驗數據統計

5.4 VD真空處理周期控制

為了穩定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）脫氣時間6～9 min，真空下氬氣流量穩定在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，能夠達到脫氫效果。

5.5 連鑄過程控制要點

（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、每爐更換保護套管等措施提高大包到中包的保護效果,防止增氮和二次氧化，從而提高N含量的穩定控制和鋼液的純凈度。

（3）穩定中包過熱度控制，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化，實現了鋼中氮含量的穩定控制，TL4227 窄范圍精確增氮實施效果見表5。同時，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齒輪淬火變形和開裂等問題，客戶反饋良好，工藝改進前后TL422的金相組織如圖1所示。

圖1 TL4227金相組織

表5 TL4227窄范圍精確增氮實施效果

7 結論

河南石鋼公司生產的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，易出現晶粒粗大和混晶現象，導致齒輪淬火變形和開裂。通過對氮微合金化的理論分析，指導優化了全工藝流程的增氮控制要點，采用新的工藝可達到鋼中N含量的窄范圍精確控制，同時提高鋼中的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齒輪淬火變形和開裂等問題，滿足了顧客的需求。