TL4227齒輪鋼控氮技術的研究與實踐

衛廣運，丁志軍，王成杰

（河鋼集團石家莊鋼鐵有限公司，河北 石家莊 050023）

0 引言

齒輪鋼被廣泛應用于汽車和機械制造業，齒輪鋼在使用過程中既有滑動又有滾動，同時齒根還受到脈動和交變彎曲應力作用，因此，齒輪鋼需要具備良好的強韌性、耐磨性等[1-3]。河鋼集團石家莊鋼鐵有限公司（以下簡稱石鋼公司）生產的Mn-Cr 系列鋼是供大眾汽車等高端變速箱齒輪用鋼，其對鋼水的純凈度要求很高，且該系列鋼種為含氮鋼種。鋼中氮元素能夠能擴大γ 相區并使奧氏體穩定化，是形成和穩定奧氏體的元素，但這也導致了該系列鋼在后續軋制及熱處理過程中奧氏體晶粒具備長大的傾向，易出現晶粒粗大和混晶現象，導致齒輪淬火變形和開裂。為解決此類問題，滿足顧客的需求，決定在該系列鋼上采用微合金化技術，利用碳氮化物在奧氏體-鐵素體相界面的析出，有效地阻止鐵素體晶粒長大，起到細化鐵素體晶粒尺寸的作用[4-6]。在含氮鋼的生產中，為了保證鋼中氮含量的穩定，通常在VD 破空后使用錳氮線增氮，這種增氮方式可以較準確地控制鋼水中的氮含量，但是對鋼水的純凈度是一個不利的影響。鋼水破空后喂入錳氮線會導致部分液面裸露，從而產生氧化，另外錳氮線本身就會帶入大量的雜質，影響鋼水的純凈度。

為了控制含氮鋼混晶現象、提高鋼水的純凈度，石鋼公司開發了在LF 精煉過程底吹氮氣增氮的工藝，利用氮微合金化技術解決滲碳齒輪鋼的混晶問題，同時通過增氮析氮技術提高齒輪鋼的純凈度[7]。本文對鋼中氮含量控制的機理進行了研究，提出了齒輪鋼生產全流程精準控氮的生產工藝，并對實際應用效果進行了總結。

1 鋼中氮含量控制的機理研究

1.1 鋼中氮含量控制的熱力學分析

氮在鋼中的溶解服從平方根定律，氮氣在純鐵中的溶解反應式由式（1）表示，并根據西華特定律得出式（2）。

式中：[w]N為鋼水中氮的質量分數；[P]N2為氮在體系內的分壓；f[N]為鋼水中氮的活度系數；[K]N為反應式（1）的平衡常數[8]，其計算公式由式（3）表示。

式中：T代表開爾文溫度。由式（3）可以看出，隨著溫度的升高，[K]N增加。

鋼中氮元素的活度系數與鋼中的合金元素有關[9-10]，受鋼中各元素與氮的相互作用系數影響，其計算公式由式（4）表示。

表1 1600℃下主要元素與氮的相互作用系數Table 1 Interaction coefficient of the main elements with nitrogen at 1600℃

綜上所述，鋼中氮的質量分數是受環境中氮的分壓、鋼水溫度以及鋼水化學成分的影響。

1.2 鋼中氮含量控制的動力學分析

氮在氣相和熔池之間的傳遞，還受到鋼液動力學的影響。真空脫氮的步驟主要包括對流和擴散，即溶解在鋼液中的氮原子遷移到鋼-氣界面，界面吸附的氮原子通過相互作用生成氮氣，氮氣通過氣體邊界層擴散進入氣相或進入氣泡帶入氣相。

通常真空脫氮的速率取決于溶解在鋼液中的氣體原子向鋼-氣界面的遷移速度，而在真空底吹條件下，鋼液中傳質速度很快，限制速率的環節只取決于氣體原子穿過擴散邊界層的擴散速率[11-13]。根據菲克第一定律，單位時間內通過界面積A的物質通量n可由式（5）表示。

式中：k為傳質系數，cm/s；[G]為鋼液內部氣體濃度，[Gs]為鋼-氣界面處氣體在鋼中的濃度，A為鋼-氣的界面積。假定脫氣鋼液的體積是V，通過推導可得到式（6），將式（6）積分得到式（7）。

式中：t為脫氣時間，[Gt]為真空脫氣t時間后鋼液的氣體濃度?？紤]到界面處[Gs]濃度很小，遠遠低于鋼液初始濃度[G]和過程濃度[Gt]，可忽略不計。真空脫氣的工作壓力一般控制在67Pa 以內，因此最終影響鋼液脫氣的動力學因素為底吹氣泡的表面積、脫氣時間。

綜上所述，通過對鋼液增氮、脫氮的熱力學和動力學的研究，得出影響鋼液中氮含量的主要因素為鋼水溫度、氮的分壓、化學成分、底吹氣泡的表面積、脫氣時間等。

2 全流程精準控氮的生產工藝

石鋼公司生產的供大眾汽車的高端變速箱齒輪用鋼TL4227，其生產工藝流程為LD→LF→VD→CC，其主要化學成分如表2所示。該鋼種要求奧氏體晶粒度≥5級，并且要求Al/N＞2.5。

表2 TL4227齒輪鋼化學成分Table 2 Compositions of TL4227 gear steel%

2.1 轉爐冶煉過程氮含量的影響因素

石鋼公司煉鋼廠有2 座60t 頂底復吹轉爐，底吹槍4 支，底吹氣體壓力為0.85MPa～1.2MPa，根據鋼種，冶煉模式自動進行氮、氬切換。正常冶煉過程中，轉爐終點氮含量在16ppm～25ppm之間，平均20ppm。

2.1.1 后期補吹對氮含量的影響

轉爐后期補吹會增加鋼水中的氮含量。在轉爐冶煉后期，碳氧反應減弱，脫碳速率降低，爐內CO 分壓急劇下降，爐口壓差降低，空氣進入爐內，此時補吹會造成鋼液吸氮。為了避免因終點碳含量不穩定造成終點氮含量的不穩定，將轉爐終點碳控制在0.05%～0.10%之間，從而保證終點氮含量的穩定。圖1為補吹時間對終點氮含量的影響。由圖1可以看出，隨著補吹時間的增加，鋼中氮含量明顯上升。

圖1 補吹時間對終點氮含量的影響Fig.1 Second-blowing on the impact of nitrogen in steel

2.1.2 出鋼脫氧合金化對氮含量的影響

出鋼脫氧合金化的過程會發生明顯的增氮。一方面是由于鋼液與空氣接觸增氮，另一方面是由于脫氧增氮，此外合金物料本身也會帶入氮。鋼液與空氣接觸增氮取決于出鋼時間、鋼流與空氣的接觸面積等；而脫氧增氮是由于鋼液中的[O]是表面活性物質，它會占據界面上的空位，從而阻斷氮在界面上的傳遞，脫氧的過程會使大量的氮氣通過界面傳遞到鋼液中，從而使鋼液增氮。圖2是不同爐次出鋼脫氧合金化后氮含量，平均氮含量為43.1ppm，脫氧合金化過程平均增氮量為23.1ppm。

圖2 不同爐次出鋼脫氧合金化后氮含量（★代表平均值）Fig.2 Nitrogen content after tapping and deoxidation-alloying of different furnace times

2.2 LF底吹氮氣的控制要點

為獲得LF 吹氮過程中穩定的增氮量，石鋼公司在齒輪鋼上進行了LF 爐底吹氮氣增氮實驗。為了減少鋼中[O]、[S]活性元素阻礙氮的吸收[14-15]，選擇在擴散脫氧良好，鋼中[S]≤0.010%時進行吹氮。根據公式（2），LF 爐底吹氮氣流量選用了管道最大控制流量300NL/min。根據公式（3），溫度越高增氮效果越好，為了保證較好的增氮效果，吹氮時鋼液溫度要保持在液相線以上50℃。在試驗過程中，LF爐底吹氮氣前取試樣1，終點取試樣2，統計50爐次單位時間的增氮量如圖3所示。由圖3分析得出，在吹氮時間5min～25min 中，平均增氮量為3.47ppm/min。

圖3 不同爐次單位時間的增氮量Fig.3 Nitrogen increment per unit time of different heats

2.3 VD工序控氮的要點

通過VD 設備，可以較好地脫除鋼液中的氮元素，為了能夠摸清VD 工序的脫氮率，石鋼公司在齒輪鋼上進行VD 脫氮實驗。根據公式（7），研究VD工序不同的保真空時間對脫氮率的影響，通過現場試驗，得到不同保真空時間下VD 的平均脫氮率（見圖4）。圖4（a）～（e）是統計不同保真空時間下的VD 脫氮率，并計算出不同保真空時間的平均脫氮率。圖4（f）為不同保真空時間的平均脫氮率曲線。由圖4（f）可知，隨著保真空時間的增加，VD 的平均脫氮率從24.68%提高到28.86%。

圖4 不同保真空時間下VD的脫氮率（★代表平均值）Fig.4 The average denitrification rate of VD under different vacuum holding time

2.4 底吹透氣磚對控氮的影響

根據公式（7）可知，底吹透氣磚的透氣效果和氣泡的表面積影響控氮效果。為了減少鋼包底吹透氣性差的現象，在鋼包上使用一種防負壓滲鋼的彌散型透氣磚。這種透氣磚有兩個作用：一是通過單向截止閥截斷透氣磚芯部內外部氣體的聯通，防止內部氣體泄漏形成負壓，導致鋼水進入透氣磚的狹縫，影響透氣效果；二是通過彌散透氣方式，在相同的底吹量的條件下，增加小氣泡的數量，從而使氣液接觸的表面積增加，加快傳質，提高增氮的速率。

3 增氮析氮技術去除夾雜物

采用增氮析氮法生成氣泡去除鋼液中夾雜物的原理是將氮溶于鋼液中，然后通過VD 抽真空減壓，氣體在夾雜物表面優先析出形成氣泡，氣泡攜帶夾雜物上浮被爐渣捕獲，從而達到去除夾雜物的目的。

通過前期的試驗摸索，將原生產工藝的轉爐頂底復吹（氮氬切換）→出鋼MnN 合金增氮→LF 全程底吹氬氣→VD 破空喂入MnN 線→連鑄保護澆注，改進為轉爐頂底復吹（氮氬切換）→出鋼MnN 合金增氮→LF底吹氮氣增氮→VD→連鑄保護澆注。

改進增氮工藝后，LF 末期平均氮元素含量為125ppm，VD脫氮率按保真空時間7min計算，破空后鋼水中的氮元素含量為94ppm，以60t 鋼水計算，在VD過程中共產生氮氣1488L，這部分氣體會在鋼包內壁、夾雜物界面處形核長大，能夠有效地去除鋼水中的夾雜物，提高鋼水的純凈度。工藝改進后，鋼中平均全氧含量由之前的9ppm降低為6.6ppm。

4 實際應用效果

通過采用氮微合金化技術，將鋼中N 元素含量控制在較小的范圍內，同時提高鋼中Al 元素含量，使Al/N＞2.5。圖5為工藝改進前后齒輪鋼金相照片。

圖5 工藝改進前后齒輪鋼金相照片Fig.5 Metallographic photos of gear steel before and after process improvement

由圖5可以看出，在工藝改進前，供大眾用齒輪鋼經常出現混晶現象，工藝改進后，基本消除了混晶現象。增氮析氮工藝可以有效降低鋼水中的全氧含量，提高齒輪鋼的疲勞壽命，石鋼高端齒輪鋼氧元素含量控制范圍為5ppm～10ppm，平均氧含量為6.6ppm，優于12ppm 的國內先進水平，處于國內領先、國際先進水平。

5 結論

通過摸索試驗，LF 底吹氮氣5min～25min 內，平均增氮量為3.47ppm/min，隨著保真空時間從6min 增加到10min，VD 的平均脫氮率從24.68%提高到28.86%。

通過增氮析氮技術，VD在保真空時間7min時，VD 過程可脫除鋼中氮元素含量約30ppm，生成的大量氮氣能夠有效去除鋼中夾雜物，目前石鋼生產的高端齒輪鋼的平均全氧含量由之前的9ppm 降低為6.6ppm?？氐に嚫倪M后，基本消除了齒輪鋼的混晶現象，有效降低鋼水中的全氧含量，提高了齒輪鋼的疲勞壽命，滿足了下游客戶的生產需求。