汽車球籠式傳動軸用鋼Cf53的研制與開發

馮治勝，梁云科

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

近年來，汽車制造如雨后春筍般蓬勃發展，尤其是小轎車的增長十分迅速，無疑為鋼鐵行業帶來了巨大的商機。汽車零部件系列產品的超前研發是推動汽車產業不斷前進和發展的前提和基礎。汽車球籠式傳動軸是汽車零部件產業中重要的一環，中國汽車傳動軸行業發展到目前，已有近三十年的歷史，其規模變得越來越大。汽車球籠式傳動軸專用圓鋼Cf53屬于高技術含量和高附加值的產品，是制造汽車球籠式傳動軸零件（主要為外星輪零件）用鋼材，要求具有硬度均勻性高、耐磨強度高、疲勞強度高、綜合性能好的特點。圓鋼Cf53的研制不但具有廣闊市場前景，同時可促進天鋼產品結構優化與升級，增強產品在市場的競爭力，為公司實現高質量發展奠定基礎[1，2]。

1 研制開發技術方案

汽車球籠式傳動軸用鋼Cf53對于圓鋼的表面質量要求嚴格，所以控制鋼材的硬度均勻性、耐磨性和疲勞性能非常重要。該鋼種屬于中碳鋼系列，在剪切過程中非常容易產生端頭裂紋，在后續加工時造成鍛打開裂。由于碳含量較高，鋼材在軋制過程中由于金屬流動性的阻礙，容易產生圓鋼表面褶皺缺陷，非常微小的褶皺缺陷不容易發現，甚至在成品加工以后難以發覺，嚴重影響成品件在使用過程中的抗疲勞性能[3]。根據天鋼生產工藝條件和鋼種的性能特點以及使用需求，制定了Cf53圓鋼的生產工藝流程、化學成分、尺寸和表面質量控制措施。

1.1 生產工藝路線

Cf53的研發工藝路線：鐵水預處理→轉爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗→蓄熱式步進梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機組→1號剪切頭尾→8架中軋機組→步進齒條式冷床→4號剪切定尺→三段鏈成品檢驗→稱重收集→保溫緩冷→入庫。

1.2 設定化學成分

汽車球籠傳動軸用鋼Cf53要求良好的硬度均勻性和力學性能，在設計合金成分的時候充分考慮力學性能的滿足性和硬度的要求，以碳元素和錳元素作為基本元素，嚴格控制其他合金元素的殘留量，在低磷、硫的基礎上適當加入鋁元素，以降低鋼液中自由氧含量和細化晶粒。具體成分設計如表1所示。

表1 Cf53鋼化學成分要求 /wt%

1.3 表面質量控制

汽車球籠式傳動軸用圓鋼Cf53對鋼棒表面質量有非常嚴格的要求，如果圓鋼表面有裂紋、折疊等影響后續使用的缺陷，在用戶鍛壓加工時，會造成鍛件開裂掉肉等問題，并且微小的表面裂紋損害最終產品的抗疲勞性能。表面質量控制的主要措施：

（1）由于該鋼種C含量較高，屬于亞共析鋼，鋼坯在加熱時應制定合理的加熱工藝，保證鋼坯內外受熱均勻，要求鋼坯頭尾溫差不大于50℃。

（2）要注意鋼坯加熱過程表面脫碳問題，避免燜爐，保證鋼坯后續軋制穩定。

（3）在軋制成品后需要控制冷卻條件，消除剪切端頭裂紋。

（4）在軋制過程中，要嚴格控制各架紅坯尺寸，保證產品尺寸達到標準的第二組要求。

（5）嚴格調整輥縫、導衛、導槽、導輥等，使軋線通道暢通，避免出現裂紋、折疊、拉絲、褶皺等缺陷。

1.4 尺寸控制

汽車零部件用鋼在后續加工過程自動化程度越來越高，加工下料的精準度愈加嚴格，對于圓鋼的尺寸精度要求也越嚴格。為實現汽車用鋼自動化加工的準確要求，需要嚴格控制圓鋼橢圓度和通條均勻性，避免自動下料加工出現料型偏差的問題。對于汽車零部件系列用鋼而言，圓鋼的尺寸精度、尺寸均勻性和圓鋼的直線度要求是產品的重要指標。因此，軋制汽車零部件用鋼需要對圓鋼外形尺寸進行精確控制。分規格制度尺寸、外形及允許偏差要求如表2。

表2 尺寸、外形及允許偏差

2 研發試制

2.1 煉鋼工序

煉鋼工序的主要工藝措施如下：

轉爐工序：通過合理調整槍位和造渣操作，采用雙渣法進行Cf53鋼種冶煉，保證鋼水終點成分能夠得到較好的控制和良好的脫P效果，使轉爐終點成分P≤0.015%，0.10%≤C≤0.15%。

LF精煉工序：采用鋁脫氧工藝，達到全程控鋁，提高鋼水脫氧，并有助于精煉造渣；分期分批加入精煉渣料和還原劑，盡快形成白渣，利用高堿度的白渣，使鋼水深度脫S，保證鋼水的純凈度。

2.2 連鑄工序

連鑄工序的主要工藝措施如下：

（1）連鑄采用全程保護澆鑄，使用方坯專用保護渣，防止鋼水接觸空氣，造成二次氧化和水口結瘤。

（2）結晶器全程采用電磁攪拌，使夾雜物受力上浮，并確保其化學成分穩定均勻，提高鑄坯質量。

（3）通過對中間包鋼水過熱度的穩定控制，實現恒拉速操作，可以有效減少結晶器內鋼水液位波動情況，防止結晶器保護渣、空氣等卷入鋼水，造成二次污染，影響鑄坯表面及內部質量。

2.3 軋鋼工序

軋鋼工序的主要工藝措施如下：

（1）加熱制度控制方面。由于Cf53鋼C含量較高，屬于亞共析鋼，加熱應保證C元素充分擴散溶解，要求有較高的加熱溫度和一定的加熱時間，應嚴格控制加熱速度，預熱段緩慢升溫，一段（加熱段）稍快提溫，二段（均熱段）保證出鋼溫度。另外，為了保證加熱時鋼坯奧氏體組織均勻化，需合理優化保溫時間。

（2）孔型設計方面。要求合理的孔型設計，以保證各架次變形量均勻，防止產生表面褶皺、裂紋等缺陷。

（3）高壓水除鱗控制方面。為提高圓鋼表面質量，防止鋼坯氧化鐵皮在軋制過程中壓入基體，要求軋制圓鋼時，必須使用高壓水除鱗裝備，且壓力不得低于14.5 MPa，并以實際除鱗效果為準，適當調整除鱗水壓力，保證除鱗干凈。

（4）成品緩冷控制方面。圓鋼下線后，要求將其放置在車間庫內緩冷保溫架眼48 h以上，并蓋上保溫罩，防止圓鋼冷速過快，內應力增大，造成端頭開裂等缺陷[4]。下游用戶主要采用熱沖壓加工制造汽車球籠，由于該鋼種沖壓變形時容易產生加工裂紋，因此要求軋制的圓鋼Cf53具有良好的塑性，因此確保下線緩冷是提高圓鋼加工性能的有效手段。

3 批量生產

天鋼棒材廠軋制Cf53圓鋼共計35爐，約3 700 t，軋制規格為Ф60 mm。經理化檢驗產品化學成分、機械性能指標、低倍組織、表面質量及尺寸均達到設計標準和客戶使用要求。

3.1 化學成分分析

經過對所有爐次Cf53的熔煉成分統計分析，C元素控制在0.54～0.58%，Si元素控制范圍0.22～0.27%，Mn含量控制在0.62～0.69%，P、S水平控制較好。各化學成分控制均滿足設計要求。化學成分統計見表3。

表3 Cf53化學成分統計

3.2 圓鋼低倍檢驗

參照《GB T 226-2015鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》中工業鹽酸與水溶液1∶1的檢測方法，對Cf53圓鋼低倍組織進行了檢測。低倍組織檢驗結果良好，檢驗結果符合設計要求，圓鋼內部質量穩定。

3.3 非金屬夾雜物檢驗

隨機抽樣對Cf53圓鋼進行非金屬夾雜物檢測，檢測結果見圖1，Cf53圓鋼夾雜物各項指標均較低，最大不超過1.0級，符合設計要求。

圖1 夾雜物檢測

3.4 尺寸精度與表面質量檢測

表4為Cf53圓鋼的外形尺寸與表面質量檢測結果。從表4可以看出，圓鋼不圓度控制在0.4 mm以內，彎曲度≤0.15 mm/m，各項指標滿足設計要求，表面質量控制良好。

表4 尺寸、外形控制水平及表面質量

3.5 機械性能統計

表5為Cf53圓鋼的機械性能統計。從表5可以看出，圓鋼各項性能均符合要求，且性能穩定均勻。

表5 機械性能統計

5 結語

（1）采用“鐵水預處理→轉爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗→蓄熱式步進梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機組→1號剪切頭尾→8架中軋機組→步進齒條式冷床→4號剪切定尺→三段鏈成品檢驗→稱重收集→保溫緩冷→入庫”的工藝路線，生產汽車球籠式傳動軸用Cf53圓鋼是可行的，產品的化學成分、機械性能指標、低倍組織、表面質量及尺寸精度均能達到設計標準和客戶使用要求，目前已批量生產。

（2）通過軋鋼工藝保溫措施的改進和下線緩冷工藝的實施，有效消除了圓鋼端頭剪切裂紋現象，解決了圓鋼鍛壓過程開裂的問題，且保證了圓鋼各項性能穩定均衡，為下游客戶生產加工提供了保障。

（3）通過汽車球籠式傳動軸用Cf53圓鋼的研制與開發，實現了低成本、個性化、定制化的客戶需求，達到了優化產品結構、促進天鋼產品升級、提質增效的開發目的，為天鋼實現高質量發展提供了有效經驗及技術儲備，創造了可觀的經濟效益。