張 煒，張亞彬，王井成，楊 林，程錦君，周紅偉

（1.江陰華潤(rùn)制鋼有限公司，江蘇 無(wú)錫，214404；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山，243032）

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車數(shù)量和有關(guān)行業(yè)也不斷上升，無(wú)縫鋼管［1-4］作為汽車配件也備受人們關(guān)注，常被用于汽車轉(zhuǎn)向器、汽車油路、汽車支撐桿和汽車油缸等汽車配件。車軸［5-6］是汽車車橋的重要組成部分，根據(jù)YB-T4203-2009汽車半掛車軸用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)［7］，其對(duì)車軸沖擊韌性、表面質(zhì)量、尺寸精度制定了一系列要求。國(guó)內(nèi)汽車車橋用無(wú)縫鋼管市場(chǎng)主要集中在山東、廣東、江蘇等地，其中山東梁山一帶是國(guó)內(nèi)最大的車軸生產(chǎn)聚集地。

劉曉瑾等［8］重點(diǎn)關(guān)注了熱軋無(wú)縫鋼管的研制過(guò)程，大大提升了鋼管的力學(xué)性能。張尚毅等［9］對(duì)無(wú)縫鋼管冷拔頭的應(yīng)力進(jìn)行了分析并優(yōu)化了鋼管的結(jié)構(gòu)。寶山鋼鐵［10］突破在線組織性能調(diào)控已成為熱軋無(wú)縫鋼管高質(zhì)綠色化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了熱軋無(wú)縫鋼管工業(yè)化穩(wěn)定應(yīng)用。汽車車橋用無(wú)縫鋼管的材質(zhì)主要是20Mn2［11-12］，該鋼種淬透性較高，在油中臨界淬透直徑達(dá)4～15 mm，但經(jīng)過(guò)熱處理后，該鋼種會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱、脫碳敏感性和回火脆性的情況。某廠經(jīng)過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)對(duì)汽車車橋用無(wú)縫鋼管需求量，約為20～30萬(wàn)噸/年。但由于無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)條件不夠苛刻，造成了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，經(jīng)討論決定計(jì)劃試開(kāi)發(fā)汽車車橋用SAE1527無(wú)縫鋼管的設(shè)計(jì)。旨在于解決控制成本生產(chǎn)出符合高端市場(chǎng)需求的汽車車橋用無(wú)縫鋼管，進(jìn)一步占據(jù)汽車車橋用無(wú)縫鋼管市場(chǎng)。

1 SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管的要求

1.1 化學(xué)成分

根據(jù)YB-T4203-2009汽車半掛車軸用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)［7］和美國(guó) ASTM A 29/A 29M-2005《熱加工碳素鋼和合金鋼棒材的一般要求》標(biāo)準(zhǔn)［13］對(duì)SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分要求，具體如表1所示。

1.2 交貨狀態(tài)及性能

SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管要求以熱軋狀態(tài)交貨，熱軋狀態(tài)交貨鋼管的室溫縱向力學(xué)性能應(yīng)符合表2的規(guī)定，鋼管表面硬度HRB小于185。表面不能出現(xiàn)裂紋、折疊、結(jié)疤、開(kāi)裂、軋折和離層等缺陷。劃痕缺陷長(zhǎng)度＜20 mm，寬度＜1.5 mm，深度≤0.3 mm；凹坑長(zhǎng)和寬＜10 mm，深度＜0.3 mm；內(nèi)外螺旋寬度≤15 mm深度≤0.3 mm；超出以上要求的缺陷均應(yīng)修磨，其他的軋制缺陷亦允許修磨，但修磨處應(yīng)圓滑過(guò)渡，剩余壁厚應(yīng)不低于規(guī)定的壁厚下限。鋼管內(nèi)的A，B，C，D各類夾雜物細(xì)系和粗系級(jí)別應(yīng)分別不大于2.0級(jí)，低倍下不允許存在目視可見(jiàn)的白點(diǎn)、夾雜、皮下起泡、翻皮和分層，各類夾雜物細(xì)系級(jí)別總和和粗系級(jí)別總和應(yīng)分別不大于6級(jí)。

表2 熱軋鋼管的力學(xué)性能

2 汽車車橋用無(wú)縫鋼管的成分設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)市場(chǎng)對(duì)汽車車橋用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分及性能的特殊要求，以及各元素對(duì)鋼性能的影響情況，結(jié)合某廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出該汽車車橋用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分，如表3所示。

表3 SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分要求

由于某廠煉鋼生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，其他殘余元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求，因而不用進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，但采用鋁線脫氧工藝，需控制元素Al的含量。

3 生產(chǎn)路線設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品質(zhì)量及成品性能的穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)技術(shù)方案進(jìn)行討論研究，制定了汽車車橋用無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝路線：廢鋼→電爐冶煉→LF精煉→喂鈣硅絲處理→VD精煉→連鑄圓坯→軋制成型→包裝入庫(kù)，其流程圖如圖1所示。

圖1 SAE1527鋼冶煉生產(chǎn)流程圖

3.1 電爐工藝

某廠是采用100 t Contest電弧爐進(jìn)行鋼水冶煉，廢鋼經(jīng)過(guò)上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)到電爐跨后進(jìn)入電爐冶煉，同時(shí)注意吹氧周期時(shí)間和造渣劑的加入順序，脫除鋼水中多余的P，S等有害元素，確保鋼水純凈。電爐工藝主要流程是廢鋼→Contest進(jìn)料→康斯迪電爐→送電熔化→吹氧噴碳→造泡沫渣、脫磷→取樣→升溫→TBT偏心爐底出鋼→鋼包合金化、終脫氧→送入精煉車間。煉鋼期間應(yīng)注意鋼水熔廢鋼全程埋弧操作、通電瞬間泡沫渣、保證熔池溫度、控制走料速度、氧氣強(qiáng)攪拌、穩(wěn)定留鋼量等操作步驟，主要工藝參數(shù)如表4所示。

表4 Contest電弧爐主要工藝參數(shù)

3.2 精煉過(guò)程情況

LF座包通電化渣當(dāng)溫度達(dá)1540℃以上，喂200～250 m/爐鋁線脫氧，過(guò)程做好保Al操作，精煉造渣時(shí)禁止加入螢石，精煉后期禁止加入任何渣料，只能補(bǔ)加脫氧劑保白渣。VD爐，氬氣應(yīng)以軟氬的狀態(tài)進(jìn)泵，且要控制好進(jìn)泵節(jié)奏，在此過(guò)程中必須保證極限真空過(guò)程超過(guò)15 min，同時(shí)將氬氣調(diào)大，以達(dá)到脫氣和去夾雜的目的。破真空后，測(cè)溫、首包喂硅 鈣線 1.0～1.2 m/t，續(xù)包 0.6～0.8 m/t、軟吹 2～3 min取樣，Ca/Al控制在 0.07～0.12之間，碳化稻殼需覆蓋整個(gè)鋼液面。VD爐軟吹氬壓力0.2～0.3 MPa，防止鋼液不翻出渣面，嚴(yán)格控制軟吹氬時(shí)間大于15 min，且整個(gè)VD過(guò)程中必須保證氬氣通暢。吊包前及時(shí)清理鋼包包沿及四周粘渣，確保澆注過(guò)程不掉渣。精煉結(jié)束后確保w（Al）為0.025%～0.035%、爐渣有良好的流動(dòng)性和爐渣堿度必須保證R＞3.0等情況，具體情況如表5所示。

表5 精煉操作要點(diǎn)

3.3 連鑄生產(chǎn)情況

連鑄坯生產(chǎn)規(guī)格是Φ200 mm，平均拉速為1.5 m/min，平均過(guò)熱度為30℃（該鋼種的液相線溫度為1505℃）。連鑄坯的化學(xué)成分如圖2所示。由圖2可知，連鑄坯的化學(xué)成分均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 連鑄坯的化學(xué)成分

3.4 軋制生產(chǎn)情況

3.4.1 SAE1527車橋管軋制工藝流程

環(huán)爐加熱→穿孔→加熱→軋管機(jī)軋管→定徑→較直→精整檢驗(yàn)→入庫(kù)。

3.4.2 軋制工藝控制

汽車車橋用無(wú)縫鋼管的規(guī)格為Φ178 mm×11 mm。環(huán)形爐加熱四段的內(nèi)外環(huán)溫度控制在1250～1265℃，均熱四段的內(nèi)外環(huán)溫度控制在1245～1255℃。穿孔、連軋、張減等冷卻水、除鱗水開(kāi)到最大，張減后冷卻水環(huán)打開(kāi)。穿孔后經(jīng)過(guò)正常的抗氧化處理，確保連軋管機(jī)芯棒的潤(rùn)滑效果，最終獲得良好的內(nèi)表面質(zhì)量。但連軋時(shí)未采用?；に?，熱軋管易出現(xiàn)魏氏組織，熱軋管交貨時(shí)應(yīng)允許存在魏氏組織，但魏氏組織等級(jí)不得過(guò)高（不超過(guò)2級(jí)），防止熱軋管在變形時(shí)開(kāi)裂?？刂坪蜋z查管坯表面質(zhì)量，和軋管工器具及走鋼線的表面質(zhì)量，避免鋼管外翹皮、劃傷等表面缺陷的產(chǎn)生。仔細(xì)測(cè)算坯長(zhǎng)，控制壁厚按照目標(biāo)壁厚范圍軋制，嚴(yán)格按照定尺鋸切的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行管排鋸切除頭尾。

4 結(jié)果與討論

4.1 鋼種成分比較

SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管大多成份都是20Mn2鋼種，但某廠在20Mn2鋼種的化學(xué)成分上做了一定的調(diào)整，設(shè)計(jì)出了適合某廠實(shí)際情況的SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼，比較結(jié)果如表6所示。由表6可知，SAE1527鋼種屬于中碳鋼［14］，碳含量比20Mn2高。但對(duì)于其他元素，如Si，Mn，P，S和Cr等，其含量要明顯低于20Mn2鋼種。通過(guò)比較兩種鋼種成分，SAE1527鋼種的硬度等力學(xué)性能比20Mn2更加優(yōu)異，符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

表6 SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管與20Mn2鋼種成分比較

4.2 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)熱軋狀態(tài)無(wú)縫鋼管進(jìn)行拉伸性能和硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖3～5所示。由圖3～5可知，某廠生產(chǎn)的SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)，其試樣伸長(zhǎng)率均大于20%，硬度均小于185HRB，均符合所制定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 試樣屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度檢測(cè)

圖4 試樣伸長(zhǎng)率檢測(cè)

圖5 試樣硬度檢測(cè)

4.3 熱處理后的性能

調(diào)質(zhì)處理是提高鋼材綜合性能的主要手段［15-16］，經(jīng)過(guò)力學(xué)性能檢測(cè)，熱軋狀態(tài)無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能均較為理想，對(duì)鋼材進(jìn)行880℃淬火和550℃回火熱處理后，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，并與普通正常試樣比較，結(jié)果如圖6～8所示。由圖6～8可知，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提升，伸長(zhǎng)率有所下降，提升了整體性能。

圖6 屈服強(qiáng)度對(duì)比

圖7 抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖8 伸長(zhǎng)率對(duì)比

4.4 外觀和尺寸合格率檢測(cè)

對(duì)5次生產(chǎn)的汽車車橋用無(wú)縫鋼管進(jìn)行外觀和尺寸合格率檢測(cè)，結(jié)果如表7所示。由表7可知，外觀和尺寸合格的汽車車橋用無(wú)縫鋼管占91%，而不合格的是內(nèi)直道和壁厚偏正占主要部分。

表7 汽車車橋用無(wú)縫鋼管外觀和尺寸合格率檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)的SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管化學(xué)成分符合美國(guó)ASTM A 29/A 29M—2005標(biāo)準(zhǔn)及YB-T4203-2009汽車半掛車軸用無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1527鋼級(jí)的要求。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝路線及技術(shù)方案生產(chǎn)的SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管，其性能比普通20Mn2鋼種優(yōu)異，完全滿足交貨要求。試驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理SAE1527汽車車橋用無(wú)縫鋼管熱后提升了整體的硬度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等性能，完全能夠滿足市場(chǎng)對(duì)汽車車橋用無(wú)縫鋼管的要求。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)，合格率達(dá)到91%，不合格產(chǎn)品中出現(xiàn)的缺陷有壁厚偏正、外結(jié)疤、內(nèi)直道、擦傷和撞缺，其中壁厚略正和內(nèi)直道是主要問(wèn)題，分別占2%和6%，總體生產(chǎn)的汽車車橋用無(wú)縫鋼管質(zhì)量可控，已經(jīng)穩(wěn)定投用市場(chǎng)。