汽車球籠式傳動(dòng)軸用鋼Cf53的研制與開(kāi)發(fā)

馮治勝，梁云科

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

近年來(lái)，汽車制造如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，尤其是小轎車的增長(zhǎng)十分迅速，無(wú)疑為鋼鐵行業(yè)帶來(lái)了巨大的商機(jī)。汽車零部件系列產(chǎn)品的超前研發(fā)是推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)不斷前進(jìn)和發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。汽車球籠式傳動(dòng)軸是汽車零部件產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)，中國(guó)汽車傳動(dòng)軸行業(yè)發(fā)展到目前，已有近三十年的歷史，其規(guī)模變得越來(lái)越大。汽車球籠式傳動(dòng)軸專用圓鋼Cf53屬于高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品，是制造汽車球籠式傳動(dòng)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(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、綜合性能好的特點(diǎn)。圓鋼Cf53的研制不但具有廣闊市場(chǎng)前景，同時(shí)可促進(jìn)天鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級(jí)，增強(qiáng)產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，為公司實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1，2]。

1 研制開(kāi)發(fā)技術(shù)方案

汽車球籠式傳動(dòng)軸用鋼Cf53對(duì)于圓鋼的表面質(zhì)量要求嚴(yán)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(guò)程中非常容易產(chǎn)生端頭裂紋，在后續(xù)加工時(shí)造成鍛打開(kāi)裂。由于碳含量較高，鋼材在軋制過(guò)程中由于金屬流動(dòng)性的阻礙，容易產(chǎn)生圓鋼表面褶皺缺陷，非常微小的褶皺缺陷不容易發(fā)現(xiàn)，甚至在成品加工以后難以發(fā)覺(jué)，嚴(yán)重影響成品件在使用過(guò)程中的抗疲勞性能[3]。根據(jù)天鋼生產(chǎn)工藝條件和鋼種的性能特點(diǎn)以及使用需求，制定了Cf53圓鋼的生產(chǎn)工藝流程、化學(xué)成分、尺寸和表面質(zhì)量控制措施。

1.1 生產(chǎn)工藝路線

Cf53的研發(fā)工藝路線：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗(yàn)→蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機(jī)組→1號(hào)剪切頭尾→8架中軋機(jī)組→步進(jìn)齒條式冷床→4號(hào)剪切定尺→三段鏈成品檢驗(yàn)→稱重收集→保溫緩冷→入庫(kù)。

1.2 設(shè)定化學(xué)成分

汽車球籠傳動(dòng)軸用鋼Cf53要求良好的硬度均勻性和力學(xué)性能，在設(shè)計(jì)合金成分的時(shí)候充分考慮力學(xué)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(yán)格控制其他合金元素的殘留量，在低磷、硫的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入鋁元素，以降低鋼液中自由氧含量和細(xì)化晶粒。具體成分設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 Cf53鋼化學(xué)成分要求 /wt%

1.3 表面質(zhì)量控制

汽車球籠式傳動(dòng)軸用圓鋼Cf53對(duì)鋼棒表面質(zhì)量有非常嚴(yán)格的要求，如果圓鋼表面有裂紋、折疊等影響后續(xù)使用的缺陷，在用戶鍛壓加工時(shí)，會(huì)造成鍛件開(kāi)裂掉肉等問(wèn)題，并且微小的表面裂紋損害最終產(chǎn)品的抗疲勞性能。表面質(zhì)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(shí)應(yīng)制定合理的加熱工藝，保證鋼坯內(nèi)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(guò)程表面脫碳問(wèn)題，避免燜爐，保證鋼坯后續(xù)軋制穩(wěn)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(guò)程中，要嚴(yán)格控制各架紅坯尺寸，保證產(chǎn)品尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的第二組要求。

（5）嚴(yán)格調(diào)整輥縫、導(dǎo)衛(wèi)、導(dǎo)槽、導(dǎo)輥等，使軋線通道暢通，避免出現(xiàn)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(xù)加工過(guò)程自動(dòng)化程度越來(lái)越高，加工下料的精準(zhǔn)度愈加嚴(yán)格，對(duì)于圓鋼的尺寸精度要求也越嚴(yán)格。為實(shí)現(xiàn)汽車用鋼自動(dòng)化加工的準(zhǔn)確要求，需要嚴(yán)格控制圓鋼橢圓度和通條均勻性，避免自動(dòng)下料加工出現(xiàn)料型偏差的問(wèn)題。對(duì)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(chǎn)品的重要指標(biāo)。因此，軋制汽車零部件用鋼需要對(duì)圓鋼外形尺寸進(jìn)行精確控制。分規(guī)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(fā)試制

2.1 煉鋼工序

煉鋼工序的主要工藝措施如下：

轉(zhuǎn)爐工序：通過(guò)合理調(diào)整槍位和造渣操作，采用雙渣法進(jìn)行Cf53鋼種冶煉，保證鋼水終點(diǎn)成分能夠得到較好的控制和良好的脫P(yáng)效果，使轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分P≤0.015%，0.10%≤C≤0.15%。

LF精煉工序：采用鋁脫氧工藝，達(dá)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(hù)澆鑄，使用方坯專用保護(hù)渣，防止鋼水接觸空氣，造成二次氧化和水口結(jié)瘤。

（2）結(jié)晶器全程采用電磁攪拌，使夾雜物受力上浮，并確保其化學(xué)成分穩(wěn)定均勻，提高鑄坯質(zhì)量。

（3）通過(guò)對(duì)中間包鋼水過(guò)熱度的穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)恒拉速操作，可以有效減少結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位波動(dòng)情況，防止結(jié)晶器保護(hù)渣、空氣等卷入鋼水，造成二次污染，影響鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)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(yīng)保證C元素充分?jǐn)U散溶解，要求有較高的加熱溫度和一定的加熱時(shí)間，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱速度，預(yù)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(shí)鋼坯奧氏體組織均勻化，需合理優(yōu)化保溫時(shí)間。

（2）孔型設(shè)計(jì)方面。要求合理的孔型設(shè)計(jì)，以保證各架次變形量均勻，防止產(chǎn)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(zhì)量，防止鋼坯氧化鐵皮在軋制過(guò)程中壓入基體，要求軋制圓鋼時(shí)，必須使用高壓水除鱗裝備，且壓力不得低于14.5 MPa，并以實(shí)際除鱗效果為準(zhǔn)，適當(dāng)調(diào)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(kù)內(nèi)緩冷保溫架眼48 h以上，并蓋上保溫罩，防止圓鋼冷速過(guò)快，內(nèi)應(yīng)力增大，造成端頭開(kāi)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(shí)容易產(chǎn)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(chǎn)

天鋼棒材廠軋制Cf53圓鋼共計(jì)35爐，約3 700 t，軋制規(guī)格為Ф60 mm。經(jīng)理化檢驗(yàn)產(chǎn)品化學(xué)成分、機(jī)械性能指標(biāo)、低倍組織、表面質(zhì)量及尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和客戶使用要求。

3.1 化學(xué)成分分析

經(jīng)過(guò)對(duì)所有爐次Cf53的熔煉成分統(tǒng)計(jì)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(xué)成分控制均滿足設(shè)計(jì)要求?；瘜W(xué)成分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 Cf53化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)

3.2 圓鋼低倍檢驗(yàn)

參照《GB T 226-2015鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》中工業(yè)鹽酸與水溶液1∶1的檢測(cè)方法，對(duì)Cf53圓鋼低倍組織進(jìn)行了檢測(cè)。低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果良好，檢驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，圓鋼內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定。

3.3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

隨機(jī)抽樣對(duì)Cf53圓鋼進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1，Cf53圓鋼夾雜物各項(xiàng)指標(biāo)均較低，最大不超過(guò)1.0級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 夾雜物檢測(cè)

3.4 尺寸精度與表面質(zhì)量檢測(cè)

表4為Cf53圓鋼的外形尺寸與表面質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。從表4可以看出，圓鋼不圓度控制在0.4 mm以內(nèi)，彎曲度≤0.15 mm/m，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，表面質(zhì)量控制良好。

表4 尺寸、外形控制水平及表面質(zhì)量

3.5 機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)

表5為Cf53圓鋼的機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)。從表5可以看出，圓鋼各項(xiàng)性能均符合要求，且性能穩(wěn)定均勻。

表5 機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用“鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗(yàn)→蓄熱式步進(jìn)梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機(jī)組→1號(hào)剪切頭尾→8架中軋機(jī)組→步進(jìn)齒條式冷床→4號(hào)剪切定尺→三段鏈成品檢驗(yàn)→稱重收集→保溫緩冷→入庫(kù)”的工藝路線，生產(chǎn)汽車球籠式傳動(dòng)軸用Cf53圓鋼是可行的，產(chǎn)品的化學(xué)成分、機(jī)械性能指標(biāo)、低倍組織、表面質(zhì)量及尺寸精度均能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和客戶使用要求，目前已批量生產(chǎn)。

（2）通過(guò)軋鋼工藝保溫措施的改進(jìn)和下線緩冷工藝的實(shí)施，有效消除了圓鋼端頭剪切裂紋現(xiàn)象，解決了圓鋼鍛壓過(guò)程開(kāi)裂的問(wèn)題，且保證了圓鋼各項(xiàng)性能穩(wěn)定均衡，為下游客戶生產(chǎn)加工提供了保障。

（3）通過(guò)汽車球籠式傳動(dòng)軸用Cf53圓鋼的研制與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了低成本、個(gè)性化、定制化的客戶需求，達(dá)到了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、促進(jìn)天鋼產(chǎn)品升級(jí)、提質(zhì)增效的開(kāi)發(fā)目的，為天鋼實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供了有效經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)儲(chǔ)備，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。