葉明在，徐瑞軍，趙 鵬

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南湘潭 411101）

歐盟標準《EN10084:2008- 滲碳齒輪鋼技術(shù)條件》中的18CrNiMo7-6 直條圓鋼，主要用于生產(chǎn)風電減速機齒輪，不僅要求鋼種化學成分穩(wěn)定、鋼水純凈度高，同時要求圓鋼末端淬透性波動小，力學性能優(yōu)良，金相組織均勻。某鋼廠在成功開發(fā)20CrMnTiH 齒輪鋼的基礎(chǔ)上，進行了更高檔次風電滲碳齒輪鋼18CrNiMo7-6 的研發(fā)。

1 工藝流程

高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→真空脫氣→連鑄（150mm方/280mm 方/350*430mm 方）→鑄坯緩冷+ 熱軋+ 圓鋼緩冷+修磨→檢驗入庫。

2 化學成分設(shè)計

18CrNiMo7-6 末端淬透性帶寬按EN10084:2008 歐標中18CrNiMo7-6H 交貨，按18CrNiMo7-6HH 窄帶目標設(shè)計，帶寬只有7 個（J9 ：40~47、J15 ：38~46），該鋼廠沒有開發(fā)過含碳量在0.20% 左右CrNiMo 系列合金鋼，無歷史數(shù)據(jù)可以借鑒，成分設(shè)計技術(shù)難度較大。綜合國外1E0038 Hardenability Caluclator 端淬計算模型和GB/T 5216 中淬透性Just 計算模型, 通過多組數(shù)據(jù)模型模擬計算，結(jié)合該鋼廠齒輪鋼20CrMnTiH、20CrMoH 的淬透性生產(chǎn)情況，設(shè)計出經(jīng)濟合理的化學成分，鋼種主要元素內(nèi)控成分設(shè)計如表1 所示。

3 工藝控制難點

3.1 氫質(zhì)裂紋控制

18CrNiMo7-6 鋼種Ni 元素含量在1.50~1.80%，Ni 元素強烈降低熱導率，對[H]元素有較強的親和力，容易產(chǎn)生氫質(zhì)裂紋（白點缺陷）。實際生產(chǎn)中，采用合理的Ni 合金添加方式和真空脫氣工藝、鑄坯緩冷和圓鋼緩冷工藝，能完全消除氫質(zhì)裂紋缺陷。采用轉(zhuǎn)爐隨廢鋼槽加電解鎳為主增Ni，LF 爐微調(diào)工藝，降低冶煉過程Ni 合金溶解H 的能力，抽真空過程中適當加大氬氣流量，降低真空度，保真空時間延長到15min 以上[1]，脫氫效率顯著提高，實際H 含量控制在0.8~1.4PPm。

圖1 保真空時間對脫氫效率的影響圖

圖2 氬氣流量對脫氫效率的影響

通過冷床加保溫罩，圓鋼快速入坑緩冷，入坑溫度在400℃以上，依據(jù)鍛軋圓鋼氫釋放Reference 模型，能大幅度降低圓鋼白點孕育期，迅速釋放氫氣。

圖3 溫度對氫氣釋放的影響

表1 合金元素的質(zhì)量分數(shù)（%）

圖4 鑄坯入坑緩冷

3.2 應力裂紋控制

18CrNiMo7-6 鋼種Cr、Ni 元素含量在1.50% 以上，合金元素總量高達4.0% 左右，鋼種聚集的C-Cr 化合物在鑄坯快速冷卻、加熱過程中內(nèi)應力聚集容易產(chǎn)生內(nèi)應力裂紋，生產(chǎn)實踐中通過連鑄坯高溫緩冷，如（圖4）所示，鑄坯加熱時預熱段緩慢加熱，提高均熱鍛溫度，適當延長高溫區(qū)時間，如（圖5）所示，使C-Cr化合物高溫充分擴散溶解，有效消除應力裂紋風險。依據(jù)方坯斷面尺寸冷裝入爐預熱段溫度控制在600~700℃，加熱段、均熱鍛溫度控制在1160~1220℃，總在爐時間控制在200~400min。

圖5 加熱爐均熱鍛溫度

3.3 碳偏析的控制

18CrNiMo7-6 屬于滲碳齒輪鋼，成品齒在滲碳、調(diào)質(zhì)等熱處理過程中容易淬火變形，對碳偏析指數(shù)要求較嚴，尤其是成圓鋼圓周軸上分布均勻，圓周碳極差控制在0.015% 以內(nèi)。

偏析是凝固過程中溶質(zhì)元素在固相和液相中再分配的結(jié)果，表現(xiàn)為從鑄坯表面到中心溶質(zhì)元素分布的不均勻性。過高的碳偏析意味著材料的硬度分布不均勻，在周期性形變過程中成為裂紋源[2]。

3.3.1 中包鋼水過熱度與鑄坯碳偏析

連鑄中包澆鑄鋼液溫度對鋼結(jié)晶過程的成分偏析有很大影響。鋼液澆鑄過熱度提高，鑄坯凝固散熱量增大且坯殼厚減薄，鑄坯斷面溫度梯度大，易偏析元素如碳、硫等有條件按照選分結(jié)晶的方式擴散凝固，從而形成明顯的偏析缺陷[2]。在相同的拉速和電磁攪拌條件下進行過熱度對鑄坯碳偏析的分析，如圖（6）所示。

圖6 鋼水過熱度對碳偏析指數(shù)的影響

從圖6 可知，隨鋼水過熱度的升高，碳偏析指數(shù)增大，考慮到生產(chǎn)要求和現(xiàn)場實際過熱度控制水平，將中包鋼水過熱度控制在20~30℃之間。

3.3.2 電磁攪拌與鑄坯碳偏析

電磁攪拌使鋼水在結(jié)晶器電磁驅(qū)動力作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，加速了鋼液的流動，從而改善了熱傳導條件，使得鋼液過熱度更容易消除，有利于等軸晶的生長，可獲得較大的等軸晶區(qū)，已達到減輕中心偏析的作用[3]。同時采用M-EMS和F-EMS聯(lián)合控制，生產(chǎn)出的鑄坯質(zhì)量較好。

3.3.3 拉速與鑄坯碳偏析

拉速決定生產(chǎn)效率，但是高拉速和高質(zhì)量的連鑄坯往往是矛盾的。拉速過高，鑄坯中心偏析加重，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時間減少，液相穴內(nèi)鋼水過熱度移除延長，有利于柱狀晶生長；鑄坯拉速應綜合鋼水過熱度、鑄坯的中心偏析等因素來考慮。

通過對近似的鋼水過熱度和電磁攪拌條件下進行拉速對鑄坯碳偏析影響的分析, 確定240 方、280 方鑄坯拉速在0.80~0.90m/min，350*430 鑄坯拉速在0.50~0.60m/min。

3.4 鋼水潔凈度度控制

轉(zhuǎn)爐出鋼終點目標控制：C ≥0.04%，P ≤0.012%、溫度≥1600℃，擋渣出鋼，嚴禁下渣。爐后添加鋁鐵一次深脫氧，鋼水AL 含量控制0.025~0.040%。

LF 爐精煉造白渣脫氧去夾雜，白渣堿度按6~12 目標控制，渣量目標值12~15kg/t，白渣保持時間≥20min，采用鋁粒+ 碳化硅符合擴散脫氧，控制好精煉節(jié)奏，出站喂適量鈣線進行鈣化處理。

VD/RH 爐抽真空0.5tor（67Pa）以下，保真空時間≥15min，軟吹氬時間≥20min。

4 成品圓鋼質(zhì)量檢測情況

某鋼廠2020 年開發(fā)以來，軋制2000 余噸，成品檢驗均符合EN10084:2008 歐標要求，具體情況如下。

4.1 鑄坯低倍縮孔級別控制在0~0.5 級

如圖7 所示，鑄坯表面取樣酸洗無裂紋、針孔等缺陷，如圖8 所示。圓鋼距離圓心1/2R、3/4R 位置，沿直徑十字軸方向標記8 點，用5mm 鉆頭取粉末樣，采用C-S 法檢驗C 含量，圓周1/2半徑位置碳極差在0.010~0.013%，圓周3/4 半徑位置碳極差在0.012~0.015%，碳偏析指數(shù)控制在1.08 以內(nèi)。

圖7 鑄坯低倍

圖8 鑄坯表面酸洗圖

4.2 非金屬夾雜

表2 非金屬夾雜

表4 帶狀、晶粒度、氣體含量、圓鋼低倍

4.3 力學性能、常溫V 型沖擊

按GB/T 2975 制成標樣檢測，熱處理工藝：油淬火（845±5）℃，油回火（180±10）℃。

表3 力學性能、常溫V 型沖擊

4.4 帶狀、晶粒度、氣體含量、圓鋼低倍檢測情況

如表4。

4.5 圓鋼表面無損探傷

圓鋼表面質(zhì)量磁粉（MT）探傷按《GB/T15822 - 鋼鐵材料磁粉探傷方法》標準探傷，極少量圓鋼有輕微裂紋經(jīng)手工點修合格。

圓鋼超聲波（UT）探傷按《GB/T4162- 鍛軋鋼棒超聲波檢測方法》標準中A 級探傷合格率100%。

5 用戶使用情況

杭州新煒五金鍛造有限公司等客戶使用該鋼廠φ50mm~200mm 規(guī)格的18CrNiMo7-6 圓鋼，通過原料下料—加熱——鍛造—正火—粗加工—滲碳、調(diào)質(zhì)處理—精加工—成品檢驗—成品包裝工藝流程批量制作風電齒輪鋼，反饋質(zhì)量正常，完全能滿足風電齒輪要求。

6 結(jié)論

(1) 某鋼廠風電齒輪鋼18CrNiMo7-6 化學成分設(shè)計經(jīng)濟和工藝流程合理，在實際生產(chǎn)中，過程控制穩(wěn)定，末端淬透性能滿足HH 窄帶寬要求，非金屬夾雜、力學、氣體、低倍均能滿足歐標要求。

（2）某鋼廠風電齒輪鋼18CrNiMo7-6 產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量完全滿足設(shè)計要求和用戶使用要求。