汽车用特殊钢冶金技术讲座1

29三月2024汽车用特殊钢冶金技术讲座1一、汽车用特殊钢占汽车用钢材重量的15～20％；强韧性、抗疲劳破坏性能、耐磨性、精密加工性能；低成本。2汽车用特殊钢发展趋势3冶金质量要求高疲劳寿命的轴承钢；高强度、高弹减抗力的弹簧钢；高强度窄淬透性带的齿轮钢；高强韧性的非调质轴件钢；高强度、抗延迟断裂特性的紧固件用钢；高强度易切削钢。4轴承钢用于制造滚动轴承的滚动体和套圈；轴承设计向重量轻、壁薄、小型化发展；对性能要求突出体现在长寿命、低噪音和无振动等方面；轴承的破坏主要为滚动接触疲劳破坏。5非金属夹杂物对轴承钢疲劳性能的影响每单位因子降低相当于108次循环疲劳强度降低125MPa夹杂物类型：

A类：硫化物夹杂；B类：Al2O3类夹杂；C类：硅酸盐类夹杂；D类：钙铝酸盐类夹杂；E类：氮化物类夹杂。6T[O]含量影响轴承接触疲劳寿命与T[O]含量的关系Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.6407轴承钢冶金质量要求超低氧含量(≤8ppm)；低Ti含量(≤15ppm)；夹杂物控制(B,D,E类夹杂物)；中心偏析控制。8齿轮钢提高轮齿的弯曲疲劳强度、齿面强度等；弯曲疲劳损伤易发生在表面硬化不足区和晶界弱化区；齿轮钢表面渗碳层的性能是影响轮齿弯曲疲劳强度的主要因素。提高强度；减小体积；耐弯曲疲劳；耐磨损；高的尺寸精度。9齿轮钢的疲劳强度淬透性带性能；氧含量低；无网状硫化物；晶粒细小均匀；合金成分设计。齿轮钢特别要求窄的淬透性带宽度，窄淬透性带宽度的齿轮钢热处理后变形量小，齿轮的修磨量小，咬合精度高。10齿轮钢系列德国（Mn-Cr系列）：16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、27MnCr5日本（Cr系和Co－Mo系列）：SCr415H、SCr420H、SCM415H、SCM420H美国（Cr－Ni－Mo系列）：SAE8615、SAE8620法国（Cr－Ni系和Cr－Mo系列）：19CN5、20CD4、27CD4、30CD411日本爱知製鋼公司生产的齿轮钢Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.640[S]：≤10ppm；[P]：≤0.01%(出钢挡渣)≤0.005%(出钢脱磷）。12齿轮钢窄成分控制[C][Si][Mn][S][Cr][Mo][Al]0.009%0.01%0.02%0.0015%0.019%0.006%0.0048%日本爱知製鋼产8～16英寸齿轮，淬透性带宽1.5HRC。13齿轮钢关键冶金技术窄成分精确控制技术；超低氧钢（≤15ppm）生产技术；非金属夹杂物(晶界氧化物、硫化物）控制技术；高均质连铸坯生产技术；中心偏析控制技术。14非调质钢锻造后不再经调质热处理；用于汽车曲轴、连杆、转向节等；由最初的铁素体＋珠光体型发展到贝氏体、马氏体型；目前采用最多的是改进的铁素体＋珠光体型。15铁素体－珠光体型非调质钢（Thyssen）16新日铁产汽车用非调质钢成分17非调质钢关键冶金技术窄成分精确控制技术；超低氧钢生产技术；非金属夹杂物控制技术；较高S含量钢（改善切削性能）成分控制及铸坯缺陷防止技术；中心偏析控制技术。18弹簧钢高弹簧设计应力（抗疲劳性能和抗弹性减退能力）；轿车螺旋悬架弹簧由热成形改为冷成形；以Si-Mn钢为基础，添加钒和铌细化晶粒，提高抗弹性减退能力；设计应力达1200－1300MPa。19弹簧钢疲劳破坏与钢中夹杂物绝大多数弹簧工件断裂都是从表面或皮下缺陷引起；高应力下弹簧内部夹杂物会成为疲劳破坏源；要求高洁净度（T[O]≤12ppm);发动机进出气阀门钢丝要求钢中夹杂物为塑性夹杂物。20弹簧钢关键冶金技术纯净钢（超低磷、硫、氧）生产技术；非金属夹杂物控制技术；阀门弹簧钢丝钢中非金属夹杂物塑性化技术；连铸坯中心偏析控制技术。21二、特殊钢的超低硫冶炼技术Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.640钢种：齿轮钢、弹簧钢；关键技术：铁水脱硫预处理；转炉炼钢抑制回硫；超低硫精炼（LF、RH、V－KIP）。22铁水脱硫预处理应用：中国普遍采用；日、韩不采用；欧洲少量采用。优点：脱硫效率高；脱硫剂耗量低；温降小。缺点：扒渣难；转炉回硫量大。铁水喷镁脱硫预处理23一些新建钢厂转向KR铁水脱硫采用CaO-CaF2-CaC2系脱硫剂；脱硫剂作用时间长；大约12min脱硫反应可基本达到平衡；脱硫处理时间较喷粉工艺缩短5min；脱硫效率提高20－35％左右。T.Ueki,etal.,The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2004,p11624KR脱硫与喷粉脱硫的比较岩田勝吉，转炉炼钢节能技术研讨会，中国钢铁工业协会，2005年6月，莱芜25KR脱硫与喷粉脱硫的比较T.Ueki,etal.,The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2004,p11626KR脱硫与喷粉脱硫的比较T.Ueki,etal.,The10thJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2004,p11627转炉炼钢过程抑制回硫宝钢转炉回硫分析：铁水： [S]：0.005%废钢： [S]：0.04%生铁块： [S]：0.03%石灰： [S]：0.011%轻烧白云石： [S]：0.025%生白云石： [S]：0.015%铁水渣： [S]：1.0～2.2%铁水带渣量： 0.5～1.0吨28吹炼过程[S]变化29带入硫量分析回硫主要来自废钢和铁水脱硫渣；石灰带入的硫量很少。30许多钢厂石灰硫含量过高石灰带入硫量：第1炉；0.036％；第2炉：0.037％；第3炉：0.034％。国内某厂渣料成分31石灰硫含量的影响炼钢石灰用量45kg/t脱硫处理渣量3kg/t脱硫渣[S]4.3％废钢加入量100kg废钢[S]0.04％铁水量1000kg铁水[S]0.007％32LF精炼脱硫渣系(CaO)+2/3[Al]+[S]=(CaS)+1/3(Al2O3)△G

＝－31487－67.53T[1]

[1]E.T.Turkdogan,FundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,TheUniversityPress,Cambridge,UK,1996（1）33（S.P.）因子推导代入（2）式，（3）因为，（2）34（S.P.）因子推导（3）由（3）式，可推出其中，(S.P)只与炉渣组成有关；获得高的(S)/[S]：增加钢液[Al]含量；提高温度；降低炉渣(S.P.)值。35（S.P.）测定结果60％CaO-10％SiO2-30％Al2O336NKK福山厂250吨LF炉生产极低硫钢([S]<5ppm)37真空喷粉脱硫铁水预处理－BOF－LF－RH－CC工艺：炉外精炼时间长（80～100min）；钢水温降大；[N]含量增加。铁水预处理－BOF－真空喷粉精炼－CC工艺：精炼时间短（～40min）；同时进行脱硫、脱氢、脱氮；温降小；[S]可以脱除至3～5ppm。38V－KIP（君津280t）工艺Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.61139比搅拌功率的比较6～7min后压力即可降低至1Torr以下。Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.61140Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.61141炉渣组成控制42炉渣组成控制Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.61143精炼后[S]含量Proceedingsofthe6thInternationalIronandSteelCongress,1990,Nagoya,p.61144精炼前后钢液[H]含量V－KIP脱氢能力强于RH；钢液初始[H]低于3ppm时，V－KIP脱氢效果不如RH；生产[H]≤2ppm钢时，V－KIP处理时间需长于20min。45非金属夹杂物改性46RH－喷粉脱硫新日铁名古屋厂、住友金属和歌山厂等采用；用于生产超低硫钢([S]：2～5ppm)；优点：处理时间短(30min)；脱硫剂消耗少；钢液[N]、[C]回升少(适合无取向硅钢、低碳管线钢等）。RH－PTB47名古屋厂RH－PB工艺48[S]含量变化49新日铁君津制鉄所第1炼钢厂：240t顶底复吹转炉×3DH（REDA）×1KIP×11＃板-方坯铸机，4＃板-方坯铸机第2炼钢厂：300t顶底复吹转炉×2RH×2V－KIP×1KIP×22＃板坯铸机，3＃板坯铸机第1炼钢厂第2炼钢厂50住友金属和歌山制铁所51三、特殊钢的超低磷冶炼技术电炉流程：偏心炉底出钢防止下渣回磷；出钢过程脱磷（加入CaO、CaF2、Fe2O3等）＋VSC。转炉流程：铁水“三脱”预处理；利用转炉进行铁水脱磷预处理；超低硫精炼（LF、RH、V－KIP）。52电炉出钢脱磷工艺爱知製鋼10％炉次采用VSC：冶炼钢种更换；高级钢种；出钢脱磷。53铁水“三脱”预处理新日铁君津厂脱磷工序流程示意图主要不足：脱磷前必须进行脱硅处理；废钢比低（≤5％）；脱磷炉渣处理难。54采用氧气转炉进行脱磷预处理90年代中期日本企业开发成功；LD－ORP、SRP、NRP等；近年来日本大规模采用；宝钢、鞍钢已采用，“曹妃甸”钢厂也将采用。55不同脱磷工艺的比较56住友金属和歌山厂炼钢厂57转炉铁水脱磷工艺（MURC）S.Kitamura,etal.,9thChina-JapanSymposiumonScienceandTechnologyofironandSteel,Nov.8-9,Xian,p.12358转炉铁水脱磷工艺（MURC）S.Kitamura,etal.,9thChina-JapanSymposiumonScienceandTechnologyofironandSteel,Nov.8-9,Xian,p.12359四、特殊钢超低氧冶炼技术出钢防止下渣：电炉偏心炉底出钢；转炉出钢挡渣（炉渣流动性控制、挡渣装置等）。脱氧：铝直接脱氧；强扩散脱氧（炉渣FetO+MnO≤0.5%）。炉外精炼：高碱度炉渣（CaO/SiO2≥5）；强搅拌；低SiO2含量包衬；真空精炼。连铸：严格保护浇铸；防止水口粘结、堵塞；防止结晶器保护渣卷入。60炼钢出钢挡渣61挡渣的重要性62爱知製鋼生产轴承钢的工艺63提高挡渣效率降低炼钢终渣流动性(提高碱度、MgO含量等)；采用气动挡渣、挡渣锥、原红外热像仪等高效高效挡渣设备；钢水包渣层厚度≤30~50mm；对特殊要求钢种，出钢后钢水包除渣。64Al直接脫氧2[Al]＋3[O]＝Al2O3(s)△G

＝－1209594＋395.3TE.T.Turkdogan,FundamentalsofSteelmaking,Cambridge,UK,199665感应炉（Ar气氛）研究结果1600℃66T[O]与溶解氧[O]山陽特殊鋼资料67LF炉精炼要点低SiO2含量耐火材料；防止钢包残钢Ti含量污染（轴承钢）；强化扩散脱氧；高碱度炉渣；强搅拌。68采用低SiO2含量耐火材料防止SiO2作为氧化剂；减少包衬熔损，保证高炉渣碱度；采用高铝质或