汽车用高品质特殊钢的研究与开发

关键词汽车特殊钢研发
随着我国汽车工业的高速发展，汽车工业己成为我国的支柱产业之一，２０１２ 年我国汽车产量为１９２７．１８万辆，居世界第一位。同时，随着乘用车比例的不断 增加（２０１２年，乘用车产量为１５５２．３７万辆，同比增长７．２％，商用车产量为３７４．８１ 万辆，同比下降４．７％。），对汽车用高品质特殊钢的需求量逐渐增大，对钢材的 各项质量指标要求也进一步提高。例如，内部质量要求为：纯净度高，夹杂物少， 低气体含量低，淬透性带窄，晶粒细小，组织均匀等。外观质量要求为：尺寸精 度高，表面无缺陷，表面无脱碳，或表面经过１００％剥皮或磨光等。 为达到上述质量要求，汽车用高品质特殊钢多采用国际先进的冶金生产工艺， 即“高炉铁水＋转炉初炼＋ＬＦ精炼＋ＲＨ真空脱气＋连铸＋连轧＋成品自动探伤”的 生产工艺，辅以精炼工艺模型应用、加热过程计算机控制，轧制过程在线自动调 整以及钢坯火焰清理等先进技术，保证汽车用高品质特殊钢的内外观质量达到国 际先进水平。 东北特钢集团以汽车钢、轴承钢、工模具钢、不锈钢、特种合金（高温合金、 精密合金、钛合金）作为五大主导产品。汽车用钢作为东北特钢集团的五大主导 产品之一，经过多年来的设备升级改造及产品研究开发，己形成具有国际先进水 平的五条汽车用高品质特殊钢专业化生产线，以及具有国际先进水平的、完整的 汽车用高品质特殊钢产品系列。 １、汽车钢生产设备及工艺 经过多年来的升级改造，东北特钢集团形成五条汽车用钢专业化生产线，其 中，抚顺基地“四位一体”短流程生产线一条，北满基地“北兴高洁净钢”生产 线一条，大连基地“线材生产线（产品规格：①４。５—２５ｍｍ）、小型材生产线（产
１３．６５ｍｍ，抛丸一矫直一倒角一涡流一超声一打包。 １－３＿３、大型材生产线 该生产线主要包括１１０吨转炉／电炉炼钢系统和大棒材连轧机系统。采用转 炉／电炉＋ＬＦ＋ＲＨ／ＶＤ＋连铸＋连轧生产工艺。 １１０吨转炉／电炉炼钢系统主要设备包括：１１０吨项底复吹转炉１台、德国西 门子奥钢联公司ｉｉ０吨超高功率电炉、ｉｉ０吨ＶＤ／ＶＯＤ炉各１台、西安广大电炉 有限公司１１０吨ＬＦ炉１台、瑞士康卡斯特公司在国内同行业最大断面的３机３ 流大方坯连铸机（３８０ Ｘ ４９０ｍｍ）及世界最大断面的２机２流大圆坯连铸机（ａ６００、 ７００、８００ｍｍ）各１台。 合金钢大棒材连轧机系统主要设备包括：意大利ｐｏｍｉｎｉ公司 ９１０００ｍｍ／⑦８５０ｍｍ×４／囝７５０ｍｍ×５世界先进的新型开放式“红圈轧机”一套 （最后一架０７５０ｍｍ轧机为减定径机组）。配套步进式加热炉、均热炉、高压水 除鳞装置、火焰清理机、热剪机、热锯机、激光测径仪、飞剪、无齿锯、打标机、 步进冷床等。 后部精整配套矫直机、抛丸机、倒棱机、探伤机、贴标机、修磨机、打捆机 等，形成大棒材精整生产线。 配套汽车钢探伤线：０６５．１８０ｍｍ：南非ＲＯＨＬＯＦＦ自动化红外探伤＋德国ＧＥ 旋转水腔超声探伤；ｆ２ｊ６５．３６０ｍｍ：南非ＲＯＨ ＬＯＦＦ自动化红外探伤＋德国ＧＥ水膜 法超声探伤。 ２、汽车钢应用技术研究 结合设备升级对工艺技术的要求，东北特钢集团与钢铁研究总院、北京科技 大学、东北大学、大连理工大学及中科院金属研究所等国内冶金行业知名的科研 院校开展多种形式的科研合作，同时，引进国外行业知名专家，共同开展汽车钢 冶金应用技术研究工作，在很多领域取得了长足的进步。 ２．１、洁净钢冶炼工艺研究 针对汽车用高品质特殊钢仍存在钢中夹杂物评级偏高，钢中仍存在＞，５０Ｂｍ 的大型氧化物复合夹杂和较高的ＴｉＮ夹杂，影响钢材的性能和疲劳寿命等技术问 题，通过对大型氧化物夹杂起源的调查，以及对ＬＦ和ＲＨ精炼工艺的优化，进一 步降低钢中－ｒ．ｏ含量，减小钢中大型氧化物夹杂尺寸。目前，以齿轮钢为例：Ｔ．Ｏ
４
≤１２ｐｐｍ；夹杂物Ａ类夹杂物≤１级，Ｂ类夹杂物≤１．５级，ｃ、Ｄ夹杂物≤ｏ．５级。 ２．２、窄淬透性带控制技术 结合齿轮钢窄淬透性带要求，开展精炼工艺模型建立及应用研究工作，在理 论研究的基础上，对实际生产中的关键数据统计、分析，制定出优化的工艺操作 过程，不仅减小了人工计算的负担，而且大幅度提高了化学成分的精准度。通过 精炼模型建立、精炼过程工艺优化及模型推广应用，目前，高品质齿轮钢淬透性 带可控制≤４ＨＲＣ。 ２．３、钢中硫化物形态控制技术 汽车用高品质特殊钢中，各品种对钢中的硫含量及硫化物形态、分布的要求 也不同。在齿轮钢中，硫化物不仅改善切削性能，还有改善氧化物影响的作用， 硫含量多要求４０．０３５％，硫化物形态要求呈纺锤状；在非调质钢中，硫化物主要 是改善切削性能，硫含量多要求≤ｏ．０７０％，硫化物形态要求细小、弥散分布；在 易切钢中，含硫量甚至超过ｏ．３０％，对硫化物形态要求多为短粗、弥散分布。针 对不同品种对硫化物的要求，开展了硫化物的形状、大小、分布控制技术研究， 并取得了一定的成果，９ＳＭｎ２８（１１ＳＭｎ３０）钢中硫化物达到德国标准要求。 ２．４、曲轴磁痕控制技术 汽车曲轴磁痕有的是钢材冶炼过程中产生，如法纹、成分偏析、带状组织等， 有的是在钢材加工或曲轴锻造、热处理、车削过程中产生，如裂纹、划伤等。通 过疲劳寿命试验，只有部分“法纹”类缺陷能够引进曲轴的失效。法纹在冶炼及 凝固过程中产生，主要包括氧化物、气泡及疏松三大类。通过分析造成法纹缺陷 的根本原因，在冶炼过程形成具有针对性的控制工艺要点，使曲轴法纹出现率降 低到０．５％以下。 ３、汽车钢产品及认证 汽车用高品质特殊钢主要用于生产制造发动机系统、动力传动系统、转向系 统、制动系统、悬架减震系统、供油系统等。汽车制造厂家对于汽车用高品质特 殊钢的性能要求主要有：材料性能的稳定性和可靠性；材料的可加工性（工艺性）； 材料良好的性价比。汽车用高品质特殊钢按钢种分类为：齿轮钢、弹簧钢、合金 结构钢、优质碳素结构钢、易切钢、非调质钢、冷镦钢和气阀钢等。 目前，东北特钢集团可以按照国际先进标准，向汽车制造及零部件生产厂家
汽车用高品质特殊钢的研究与开发
乔兵 （东北特殊钢集团有限责任公司特钢研究院，大连１１６１０５）
摘
要
从上世纪九十年代起，东北特殊钢集团有限责任公司围绕着汽车工业用高品质
特殊钢的需求，在设备升级改造、应用技术研究及产品研究开发等方面开展工作。目前，已
形成五条具有国际先进水平的汽车用高品质特殊钢专业化生产线，以及具有国际先进水平的、 完整的汽车用高品质特殊钢产品系列。
用当今世界最先进的特殊钢冶炼和轧制技术，产品技术性能全部达到当今世界领 先水平或替代进口同类产品标准。 １．３．１、线材生产线 该生产线主要包括５０吨电炉炼钢系统和高速线材连轧机系统两部分。采用 电炉＋ＬＦ＋ＶＤ＋连铸＋连轧生产工艺。 ５０吨电炉炼钢系统主要设备包括：意大利达涅利公司５０吨超高功率电炉１ 台、长春电炉厂５０吨ＬＦ炉１台、达涅利公司５０吨ＶＤ／ＶＯＤ炉１台、美国北美 冶金公司５０吨ＡＯＤ炉１台，达涅利公司３机３流合金钢小方坯连铸机１台（１８０
提供品种及规格齐全、高标准水平的特殊钢产品。东北特钢集团汽车用高品质特 殊钢产品质量水平，主要体现在以下四个方面： （１）、高纯净的钢水：通过采用高炉铁水＋转炉＋ＬＦ＋ＲＨ／ＶＤ炼钢工艺，可以 生产化学成分均一稳定、高纯净度的钢水。 （２）、高致密的成材：用３８０ｍｍｘ４９０ｍｍ连铸坯生产＜、（Ｄ１８０ｍｍ棒材，加 工比≥７。用（１）８００ｍｍ连铸坯生产、＜（１）３００ｍｍ棒材，加工比≥７；生产≤（Ｄ３６０ｍｍ 棒材，加工比达到５。特殊用途＞，（Ｄ３００ｍｍ棒材，可使用模注锭生产。 （３）、高标准的外观：通过ＫＯＣＫＳ精轧机组，９架连轧机组＋在线激光测径 仪，以及高压水除鳞、在线火焰清理等设备，可以去除钢材的表面缺陷、皮下夹 杂、脱碳层等，并保证尺寸公差及表面公差等达到国际先进标准。 （４）、１００％的检测：通过后续精整，可以对成品钢材１００％进行内、外探伤， 保证出厂成品１００％达到标准要求。 ３．１、变速箱及后桥齿轮用钢 主要用于生产制造汽车变速箱轴、齿类零件；汽车驱动桥差速器主从动齿、 星形齿、半轴齿轮；转向器蜗轮、蜗杆、齿条；发动机正时齿轮等。主要性能要 求：零件要求具有良好的抗弯曲疲劳、接触疲劳性能；良好的抗冲击载荷的能力； 表面有良好的抗高面压和耐磨性能。 东北特钢集团生产的齿轮钢代表品种有： （１）、Ｃｒ系歹ＩＪ：ＳＣｒ４２０Ｈ、２０ＣｒＨ、ＳＣｒ４２０ＨＢ、ＳＣｒ４２０Ｈ１等； （２）、Ｍｎ—Ｃｒ系列：１６ＭｎＣｒ５、２０ＭｎＣｒ５、２５ＭｎＣｒ５、２８ＭｎＣｒ５等； （３）、Ｃｒ—Ｍｏ系列：ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＣＭ８２２Ｈ、２０ＣｒＭｏＨ、２２ＣｒＭｏＨ、ＳＡＥ４１３０ＲＨ、 ＳＣＭ９２０ＨＶＳＩ、ＳＣＭ４１９Ｈ等； （４）、ｃ卜Ｎｉ—Ｍｏ系列：８６２０ＲＨ（Ｈ）、８６２７ＲＨ（Ｈ）、８７２８０ｍｍ）。
连轧机系统主要设备包括：德国ＬＯＩ公司步进梁式加热炉１台，意大利达涅 利公司６架初轧机组、１２架中轧机组、４架预精轧机组，美国摩根公司１０架精 轧机组、４架减定径机组。 后部精整配套系统，引进奥地利艾伯纳公司罩式退火炉，新建离线固熔炉等 热处理设备；引进１条特殊钢线材表面处理生产线、１条不锈钢线材表面处理生 产线。 １．３．２、小型材生产线 该生产线主要包括４０吨电炉炼钢系统和小棒材连轧机系统两部分。采用电 炉＋ＬＦ＋ＶＤ＋连铸＋连轧生产工艺。 ４０吨电炉炼钢系统主要设备包括：搬迁老厂区原有２台４０吨高功率电炉， ２台４０吨ＬＦ炉，１台４０吨ＶＤ炉，引进意大利达涅利公司１台３机３流合金钢 小方坯连铸机（１８０×１８０ｍｍ）。 连轧机系统主要设备包括：由意大利达涅利公司提供生产工艺和技术，对老 厂区原有高精度合金钢棒线材连轧机生产线进行搬迁改造，增加引进意大利达涅 利公司先进的控轧控冷系统、德国ＣＯＣＫＳ三辊减定径机组，配备步进梁式加热 炉、在线测径仪、在线探伤机、热床冷床、打包机等。 后部配套退火炉、固溶炉、调质炉等热处理设施，１条棒材自动酸洗生产线。 配套４条汽车钢探伤精整线：Ａ线：ｍ １３．４０ｍｍ，抛丸一矫直一倒角一漏磁 一超声波一打包；Ｂ线：ｍ １３．４０ｍｍ，抛丸一矫直一倒角一漏磁一超声一打包： ｃ线：西１３—６０ｍｍ，抛丸一矫直一倒角一涡流／漏磁一超声一打包；Ｄ线：①
品规格：＠１３—６５ｍｍ）和大型材生产线（产品规格：＠７０—３６０ｒａｍ）”三条。 １．１、抚顺基地汽车钢生产线（产品规格：＠１２．９０ｍｍ） 抚顺基地从上世纪９０年代开始，进行汽车品种结构调整及设备改造，形成 了以汽车用高品质特殊钢为主导产品的“四位一体短流程生产线”，即：ＵＨＰ（ＥＢＴ） ５０ｔ超高功率电弧炉＋ＬＦ炉外精炼／ＶＤ真空脱气处理＋ＣＣ连铸（２００）＋ＣＲ连轧短 流程生产线。同时，通过技术攻关及产学研合作等方式，在汽车用钢的冶炼、加 工等技术领域形成了一定的技术优势。 配套汽车钢探伤精整生产线两条：１抖线：德国ＧＥ公司（ＵＳＮ６０）超声＋德国 ＦＯＥＲＳＴＥＲ涡流；涡流探伤精度，ｏ．２—０．３ｍｍ；产品规格：西３０．９０ｍｍ。２｛Ｉ｝线：英 国声纳（ＳＯＮＡＴＥＳＴＰＬＣ）公司超声＋德国ＦＯＥＲＳＴＥＲ涡流；涡流探伤精度，ｏ．２ｍｍ： 产品规格：①１５—５５ｍｍ。 １．２、北满基地汽车钢生产线（产品规格：＠２０．１２０ｍｍ） ２００３年，北满基地采用引进国外先进技术、关键设备和工艺与国内制造相 结合的方式，主体设备有为：瑞士康卡斯特公司９０吨交流超高功率偏心炉底出 钢电弧炉一座，同时采用了碳氧枪和余热锅炉技术；国内制造的ＬＦ钢包精炼炉 和ＶＤ真空双工位各一座：瑞士康卡斯特公司２４０×２４０／１８０×１８０四流弧型连铸 机一座；国内制造的步进式加热炉一座；意大利波米尼公司２３架连轧机组一套 等，后续改造后，增加了“高炉＋转炉”的炼钢生产工艺，形成了以高品质汽车 钢及高品质轴承钢为主的专业化生产线。 配套汽车钢探伤精整生产线两条：１｛Ｉｆ探伤线：意大利达涅利ＤＡＮＩＥＬＩ公司负 责设计，漏磁由德国ＦＯＥＲＳＴＥＲ公司生产，超声由德国Ｋ．Ｋ公司生产；主体设备 由抛丸机、矫直机、倒棱机、漏磁探伤机、超声波探伤机、自动标签机、手动打 包机等组成。２＃探伤线：加拿大ＲＤ－ＴＥＣＨ公司负责设计，主体设备由涡流探伤 机、超声波探伤机组成，规格覆盖＠３０－－一１２０ｍｍ，全线采用二级自动化设备控 制和管理，控制系统采用西门子公司和ＡＢＢ公司的技术。 １．３、大连基地汽车钢生产线 ２０１１年７月，大连基地保搬迁升级改造竣工，总投资１６０亿元，建成九条 专业化精品生产线，其中，小型材生产线及大型材生产线为汽车用高品质特殊钢 生产线，主体设备全部来自德国、意大利等当今最先进的冶金设备制造厂家，应