汽車球籠式傳動軸用鋼Cf53的研制與開發(fā)

馮治勝，梁云科

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

近年來，汽車制造如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，尤其是小轎車的增長十分迅速，無疑為鋼鐵行業(yè)帶來了巨大的商機。汽車零部件系列產(chǎn)品的超前研發(fā)是推動汽車產(chǎn)業(yè)不斷前進和發(fā)展的前提和基礎。汽車球籠式傳動軸是汽車零部件產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)，中國汽車傳動軸行業(yè)發(fā)展到目前，已有近三十年的歷史，其規(guī)模變得越來越大。汽車球籠式傳動軸專用圓鋼Cf53屬于高技術含量和高附加值的產(chǎn)品，是制造汽車球籠式傳動軸零件（主要為外星輪零件）用鋼材，要求具有硬度均勻性高、耐磨強度高、疲勞強度高、綜合性能好的特點。圓鋼Cf53的研制不但具有廣闊市場前景，同時可促進天鋼產(chǎn)品結構優(yōu)化與升級，增強產(chǎn)品在市場的競爭力，為公司實現(xiàn)高質量發(fā)展奠定基礎[1，2]。

1 研制開發(fā)技術方案

汽車球籠式傳動軸用鋼Cf53對于圓鋼的表面質量要求嚴格，所以控制鋼材的硬度均勻性、耐磨性和疲勞性能非常重要。該鋼種屬于中碳鋼系列，在剪切過程中非常容易產(chǎn)生端頭裂紋，在后續(xù)加工時造成鍛打開裂。由于碳含量較高，鋼材在軋制過程中由于金屬流動性的阻礙，容易產(chǎn)生圓鋼表面褶皺缺陷，非常微小的褶皺缺陷不容易發(fā)現(xiàn)，甚至在成品加工以后難以發(fā)覺，嚴重影響成品件在使用過程中的抗疲勞性能[3]。根據(jù)天鋼生產(chǎn)工藝條件和鋼種的性能特點以及使用需求，制定了Cf53圓鋼的生產(chǎn)工藝流程、化學成分、尺寸和表面質量控制措施。

1.1 生產(chǎn)工藝路線

Cf53的研發(fā)工藝路線：鐵水預處理→轉爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗→蓄熱式步進梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機組→1號剪切頭尾→8架中軋機組→步進齒條式冷床→4號剪切定尺→三段鏈成品檢驗→稱重收集→保溫緩冷→入庫。

1.2 設定化學成分

汽車球籠傳動軸用鋼Cf53要求良好的硬度均勻性和力學性能，在設計合金成分的時候充分考慮力學性能的滿足性和硬度的要求，以碳元素和錳元素作為基本元素，嚴格控制其他合金元素的殘留量，在低磷、硫的基礎上適當加入鋁元素，以降低鋼液中自由氧含量和細化晶粒。具體成分設計如表1所示。

表1 Cf53鋼化學成分要求 /wt%

1.3 表面質量控制

汽車球籠式傳動軸用圓鋼Cf53對鋼棒表面質量有非常嚴格的要求，如果圓鋼表面有裂紋、折疊等影響后續(xù)使用的缺陷，在用戶鍛壓加工時，會造成鍛件開裂掉肉等問題，并且微小的表面裂紋損害最終產(chǎn)品的抗疲勞性能。表面質量控制的主要措施：

（1）由于該鋼種C含量較高，屬于亞共析鋼，鋼坯在加熱時應制定合理的加熱工藝，保證鋼坯內外受熱均勻，要求鋼坯頭尾溫差不大于50℃。

（2）要注意鋼坯加熱過程表面脫碳問題，避免燜爐，保證鋼坯后續(xù)軋制穩(wěn)定。

（3）在軋制成品后需要控制冷卻條件，消除剪切端頭裂紋。

（4）在軋制過程中，要嚴格控制各架紅坯尺寸，保證產(chǎn)品尺寸達到標準的第二組要求。

（5）嚴格調整輥縫、導衛(wèi)、導槽、導輥等，使軋線通道暢通，避免出現(xiàn)裂紋、折疊、拉絲、褶皺等缺陷。

1.4 尺寸控制

汽車零部件用鋼在后續(xù)加工過程自動化程度越來越高，加工下料的精準度愈加嚴格，對于圓鋼的尺寸精度要求也越嚴格。為實現(xiàn)汽車用鋼自動化加工的準確要求，需要嚴格控制圓鋼橢圓度和通條均勻性，避免自動下料加工出現(xiàn)料型偏差的問題。對于汽車零部件系列用鋼而言，圓鋼的尺寸精度、尺寸均勻性和圓鋼的直線度要求是產(chǎn)品的重要指標。因此，軋制汽車零部件用鋼需要對圓鋼外形尺寸進行精確控制。分規(guī)格制度尺寸、外形及允許偏差要求如表2。

表2 尺寸、外形及允許偏差

2 研發(fā)試制

2.1 煉鋼工序

煉鋼工序的主要工藝措施如下：

轉爐工序：通過合理調整槍位和造渣操作，采用雙渣法進行Cf53鋼種冶煉，保證鋼水終點成分能夠得到較好的控制和良好的脫P效果，使轉爐終點成分P≤0.015%，0.10%≤C≤0.15%。

LF精煉工序：采用鋁脫氧工藝，達到全程控鋁，提高鋼水脫氧，并有助于精煉造渣；分期分批加入精煉渣料和還原劑，盡快形成白渣，利用高堿度的白渣，使鋼水深度脫S，保證鋼水的純凈度。

2.2 連鑄工序

連鑄工序的主要工藝措施如下：

（1）連鑄采用全程保護澆鑄，使用方坯專用保護渣，防止鋼水接觸空氣，造成二次氧化和水口結瘤。

（2）結晶器全程采用電磁攪拌，使夾雜物受力上浮，并確保其化學成分穩(wěn)定均勻，提高鑄坯質量。

（3）通過對中間包鋼水過熱度的穩(wěn)定控制，實現(xiàn)恒拉速操作，可以有效減少結晶器內鋼水液位波動情況，防止結晶器保護渣、空氣等卷入鋼水，造成二次污染，影響鑄坯表面及內部質量。

2.3 軋鋼工序

軋鋼工序的主要工藝措施如下：

（1）加熱制度控制方面。由于Cf53鋼C含量較高，屬于亞共析鋼，加熱應保證C元素充分擴散溶解，要求有較高的加熱溫度和一定的加熱時間，應嚴格控制加熱速度，預熱段緩慢升溫，一段（加熱段）稍快提溫，二段（均熱段）保證出鋼溫度。另外，為了保證加熱時鋼坯奧氏體組織均勻化，需合理優(yōu)化保溫時間。

（2）孔型設計方面。要求合理的孔型設計，以保證各架次變形量均勻，防止產(chǎn)生表面褶皺、裂紋等缺陷。

（3）高壓水除鱗控制方面。為提高圓鋼表面質量，防止鋼坯氧化鐵皮在軋制過程中壓入基體，要求軋制圓鋼時，必須使用高壓水除鱗裝備，且壓力不得低于14.5 MPa，并以實際除鱗效果為準，適當調整除鱗水壓力，保證除鱗干凈。

（4）成品緩冷控制方面。圓鋼下線后，要求將其放置在車間庫內緩冷保溫架眼48 h以上，并蓋上保溫罩，防止圓鋼冷速過快，內應力增大，造成端頭開裂等缺陷[4]。下游用戶主要采用熱沖壓加工制造汽車球籠，由于該鋼種沖壓變形時容易產(chǎn)生加工裂紋，因此要求軋制的圓鋼Cf53具有良好的塑性，因此確保下線緩冷是提高圓鋼加工性能的有效手段。

3 批量生產(chǎn)

天鋼棒材廠軋制Cf53圓鋼共計35爐，約3 700 t，軋制規(guī)格為Ф60 mm。經(jīng)理化檢驗產(chǎn)品化學成分、機械性能指標、低倍組織、表面質量及尺寸均達到設計標準和客戶使用要求。

3.1 化學成分分析

經(jīng)過對所有爐次Cf53的熔煉成分統(tǒng)計分析，C元素控制在0.54～0.58%，Si元素控制范圍0.22～0.27%，Mn含量控制在0.62～0.69%，P、S水平控制較好。各化學成分控制均滿足設計要求?；瘜W成分統(tǒng)計見表3。

表3 Cf53化學成分統(tǒng)計

3.2 圓鋼低倍檢驗

參照《GB T 226-2015鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》中工業(yè)鹽酸與水溶液1∶1的檢測方法，對Cf53圓鋼低倍組織進行了檢測。低倍組織檢驗結果良好，檢驗結果符合設計要求，圓鋼內部質量穩(wěn)定。

3.3 非金屬夾雜物檢驗

隨機抽樣對Cf53圓鋼進行非金屬夾雜物檢測，檢測結果見圖1，Cf53圓鋼夾雜物各項指標均較低，最大不超過1.0級，符合設計要求。

圖1 夾雜物檢測

3.4 尺寸精度與表面質量檢測

表4為Cf53圓鋼的外形尺寸與表面質量檢測結果。從表4可以看出，圓鋼不圓度控制在0.4 mm以內，彎曲度≤0.15 mm/m，各項指標滿足設計要求，表面質量控制良好。

表4 尺寸、外形控制水平及表面質量

3.5 機械性能統(tǒng)計

表5為Cf53圓鋼的機械性能統(tǒng)計。從表5可以看出，圓鋼各項性能均符合要求，且性能穩(wěn)定均勻。

表5 機械性能統(tǒng)計

5 結語

（1）采用“鐵水預處理→轉爐→LF精煉→方坯連鑄→冷床→連鑄坯緩冷→檢驗→蓄熱式步進梁式加熱爐→除鱗→6架粗軋機組→1號剪切頭尾→8架中軋機組→步進齒條式冷床→4號剪切定尺→三段鏈成品檢驗→稱重收集→保溫緩冷→入庫”的工藝路線，生產(chǎn)汽車球籠式傳動軸用Cf53圓鋼是可行的，產(chǎn)品的化學成分、機械性能指標、低倍組織、表面質量及尺寸精度均能達到設計標準和客戶使用要求，目前已批量生產(chǎn)。

（2）通過軋鋼工藝保溫措施的改進和下線緩冷工藝的實施，有效消除了圓鋼端頭剪切裂紋現(xiàn)象，解決了圓鋼鍛壓過程開裂的問題，且保證了圓鋼各項性能穩(wěn)定均衡，為下游客戶生產(chǎn)加工提供了保障。

（3）通過汽車球籠式傳動軸用Cf53圓鋼的研制與開發(fā)，實現(xiàn)了低成本、個性化、定制化的客戶需求，達到了優(yōu)化產(chǎn)品結構、促進天鋼產(chǎn)品升級、提質增效的開發(fā)目的，為天鋼實現(xiàn)高質量發(fā)展提供了有效經(jīng)驗及技術儲備，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。