杨先芝 邓 琴 谢云飞 李连龙 李福浩 张 健

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

CrNiMo系列大型高品质渗碳钢齿轮，是风电、矿山类传动设备核心零部件[1]。因应用于高速、重载的工作环境，对耐磨性、使用寿命等要求极其严格。为满足性能要求，生产高品质齿轮钢关键在冶金质量控制。因此提升钢锭成分均匀性，严格控制钢水中夹杂物数量，提升钢水纯净度是重点。

近年，公司采用真空直浇技术[2]浇注生产大型的CrNiMo系列齿轮钢锭，锭型主要为50～200 t，现从化学成分、气体含量及夹杂物等级等方面评价钢锭冶金质量。

1 技术要求

国内外常见CrNiMo系列齿轮化学成分要求见表1，可见除C、Mn、P、O、N要求值略微不同，化学成分要求基本一致。表2为齿轮钢采购技术要求中非金属夹杂物等级要求。虽齿轮钢P、S、H、O、N及夹杂物含量要求不是特别低，但因齿部工作时受弯曲应力，采购规范对齿部无损检测要求严格。UT检测要求齿部“零”缺陷，MT检测要求极严。苛刻的无损检测要求，对钢液的纯净度提出很高要求。

表1 国内外常见CrNiMo系列齿轮钢化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements for common CrNiMo gear steels at home and abroad(mass fraction，%)

表2 非金属夹杂物等级要求Table 2 Requirements for nonmetallic inclusions grades

2 冶炼浇注过程

配料选用优质钢铁料，齿轮钢冶炼流程：EF→LF(HV)→MSD(真空直浇)。电炉冶炼主要以快速熔化、脱P、脱C、氧化沸腾与升温为主，并加强去P过程中换渣操作，确保粗水C≤0.10%，P≤0.004%。钢包炉精炼注重扩散脱氧，真空前将成分调整到位，高真空除气处理后尽快出钢，缩短冶炼时长，避免送电过程钢水吸气。浇注时采用真空直浇，有效避免中间包浇注过程对中间包耐火材料的侵蚀、钢水吸气、二次氧化，浇注温度控制在1570～1590℃，减少钢锭凝固偏析。

3 冶金质量评价

3.1 主要元素控制水平

图1为CrNiMo系列齿轮钢C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo化学元素平均含量及熔炼与成品含量变化图，由图可以看出，C、Si、Cr、Mo按标准中限控制，Ni按标准中下限控制。易氧化元素Si、Mn、Cr等元素成品与熔炼变化范围基本控制在±(0.01%～0.02%)，实现化学元素的精准、稳定控制。

3.2 残余元素控制水平

表3为CrNiMo系列齿轮钢残余元素平均含量值，其中P、S控制较好，As、Sn、Sb分析值都属于痕迹值，整体残余元素含量处于较低水平，有利于后期产品性能提升。

图1 主要化学元素熔炼与成品含量变化图Figure 1 Melting of main chemical elementsand content changes of finished products

表3 残余元素含量(质量分数，%)Table 3 Residual element content(mass fraction，%)

图2 直浇与非直浇CrNiMo系齿轮钢H、O、N成品含量统计Figure 2 Statistics on the content of H, O, N in productsof CrNiMo gear steels directly and non-directly poured

3.3 气体含量控制

图2为直浇与非直浇方式生产CrNiMo系齿轮钢的成品气体分析统计数据。由图可以看出，真空直浇生产时减少中间包兑钢及二次氧化吸气过程，气体含量整体优于非直浇(常规中间包)浇注气体含量，氮气平均含量约为40×10-6，氧气(全氧)平均含量约为9×10-6，氢气平均含量约为0.5×10-6，充分满足高品质齿轮钢要求。从数据分布趋势可以看出，当氧含量处于较低水平时氮含量值反而较高，通过与熔炼氮含量值对比，发现氧含量较低时浇注过程更容易增氮。因齿轮钢终脱氧是喂铝，钢中表面活性元素溶解氧大幅降低，导致钢水吸氮[3]。

3.4 非金属夹杂物等级

图3是CrNiMo系齿轮钢夹杂物等级评定情况统计结果。由图可以看出，夹杂物等级全部≤1级，大部分≤0.5级，整体处于较好水平。其中1级夹杂物主要集中为D、DS类夹杂物，研究表明[5]大型DS类夹杂物组成主要为CaO-Al2O3或CaO-Al2O3-MgO，且不易通过上浮去除。针对非钙处理冶炼的CrNiMo齿轮钢，DS类夹杂物中Ca主要来源于钢渣反映界面，这与公司使用CaO-SiO2系精炼渣有关。因此，精炼过程调好还原渣性白渣、真空过程选择合适的氩气流量、真空后加快冶炼节奏尽快出钢，都能降低DS夹杂物的生成。

图3 CrNiMo系齿轮钢夹杂物等级统计Figure 3 Statistics of inclusion gradesin CrNiMo gear steel

图4 CrNiMo系齿轮钢晶粒度分布图Figure 4 Grain size distribution of CrNiMo gear steels

3.5 晶粒度

晶粒度关系产品性能，也是评价高品质齿轮钢的重要参数。本质晶粒度表示一定条件下奥氏体长大的趋势，因为较细的晶粒度是后期产品拥有较高强度、良好韧性的基础[4]。CrNiMo系齿轮钢标准要求本质晶粒度≥5级，实际晶粒度结果如图4所示，平均达6级以上。冶炼过程通过添加

Al元素与N、C结合生成难溶分布的氮化物及碳化物，钉扎在奥氏体晶界，起细化晶粒的作用[4]，但需避免钢水中Al含量过高，生成Al2O3夹杂物影响钢水纯净度[5-6]。因此齿轮钢冶炼过程Al含量一般保持0.015%～0.025%，成品钢种Al含量控制在0.010%～0.020%，可将钢水中氧含量控制在较低水平，同时有效避免过多生成氧化物夹杂物，有助于提高钢水纯净度。

3.6 无损检验

在严苛的无损检测技术要求下，30多件CrNiMo系齿轮钢UT检测实现齿部“零”缺陷，非齿部无≥∅2 mm缺陷，齿部MT检测合格，UT、MT检测合格率100%。

4 结论

(1)采用真空直浇生产时减少中间包兑钢及二次氧化吸气过程，氮平均含量约为40×10-6，氧平均含量约为9×10-6，氢平均含量约为0.5×10-6。

(2)夹杂物等级全部≤1级，大部分≤0.5级，整体处于较好水平。

(3)钢水中Al含量控制在0.015%～0.025%，成品控制在0.010%～0.020%，有助于细化晶粒度和控制氧化类夹杂物，晶粒度平均达6级以上。

(4)真空直浇CrNiMo系齿轮产品UT、MT检测合格率为100%。

采用真空直浇流程生产CrNiMo系齿轮钢，能够有效避免钢水的二次氧化，减少吸气，进一步降低钢水O、N含量，提升钢水的纯净度，提升无损检测合格率，实现高品质CrNiMo系齿轮钢的批量化冶炼生产。