高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 的生产工艺研究

李生栋，张 蕾，史纯阳，张 群

（1．本钢板材股份有限公司特殊钢厂，辽宁 本溪 117000；2.辽宁科技学院电气与自动化工程学院，辽宁 本溪 117004；3.本钢板材股份有限公司技术研究院，辽宁 本溪 117000）

0 引言

随着科技的发展，高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 作为高附加值的钢种［1］，受到广大钢铁企业的重视［2］。主要用于锻造大截面渗碳件工件， 如大型齿轮、轴类、切刀、钳、开关等，以及要求强度高、韧性好的调质零部件等［3-4］。 高合金钢20Cr2Ni4A，其主要合金元素为Cr、Ni 等， 这类钢工作环境苛刻， 对钢材强度、耐磨性、疲劳寿命、力学性能等要求非常严格［5-6］。与其他高合金渗碳钢相比，该钢种具有成本低、硬度高、韧性良好、力学性能稳定的特点［7］，物理性能主要表现在硬度均匀、晶粒度级别高、不混晶，工件在运行中不易开裂［8-9］、使用寿命长等特点。

然而，国产20Cr2Ni4A 在检验过程中出现疲劳寿命较短的问题，经研究主要是夹杂物含量较高、氧含量高等引起的产品质量不过关， 难以满足高端质量市场需求。在对现场生产现场调研中发现，在制备20Cr2Ni4A 钢材的工艺存在原材料状态不稳定、电炉喷碳不稳定、 出钢碳含量不稳定导致过程氧含量较高等问题，钢材物理检验不合格、高强度和韧性难以平衡等问题［10］。

为抢占市场先机， 本研究以本钢特钢厂实际生产为研究基础，开发了高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 的规模化生产工艺。 利用50 t EBT+LF+VD+模铸的生产模式，在开发高合金渗碳钢在熔炼过程中，对电炉出钢成分、电炉出钢氧含量、精炼冶炼成分、各个冶炼环节的温度［11-12］、氩气工艺的压力、冶炼时间等参数进行严格控制。该冶炼工艺与其他冶炼工艺相比，具有加工工艺简单、生产效率高、成本低、生产环境友好等优势。通过对以上工艺参数的严格控制，经多次取样检测与分析结果表明， 该厂生产的高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 已达到进口钢技术要求，同时实现了国产化批量生产。

1 炼钢工艺流程

1.1 工艺的研发

开发高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 冶炼生产工艺流程，首先准备优质废钢和合金以及辅料，将废钢和辅料放入电炉中， 通过电极加热方式将废钢融化后到特定的温度， 保持一段时间以保证温度均匀后出钢到精炼， 根据钢液中的化学成分和目标性能要求加入适量的合金和脱氧剂， 让脱氧剂和氧化物充分反应， 彻底去除钢液中的杂质和夹杂物。 精炼结束后，通过测量钢水组分、温度等指标，判断钢液是否符合生产要求，在真空条件下进行除气处理，最后进行静吹氩，去除钢水中的夹杂物。将经过精炼处理的钢液浇入模具中进行铸造，根据需要进行均热、淬火和回火等热处理工艺。 以上是20Cr2Ni4A 冶炼开发工艺流程。 本钢50 t EBT+LF+VD+模铸开发高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 如图1 所示。

1.2 EBT 电炉冶炼

首先进行废钢原料、 合金原料准备和铁水预处理。 采用65%铁水和30 t 优质废钢进行冶炼，将65%铁水量配在钢铁料中， 可以提高钢液的合金化程度同时也可以提高钢水的纯净度，如图2 所示。利用吹碳粉造泡沫渣工艺可以迅速提高炉内温度，同时提高电能的利用率。在此操作中，需要保证足够的脱碳量和脱碳速度。电炉送电前半小时烘烤合金。电炉脱碳量≥0.30%，脱碳结束后出钢前，根据碳氧平衡原理，向炉中加入适量的碳化剂，促进钢水中的碳化反应， 在有效控制电炉出钢终点碳含量的同时可以降低钢水中的氧含量。

图2 电炉冶炼

出钢温度在1 640 ℃～1 680 ℃之间， 出钢过程进行钢包合金化和预脱氧， 出钢1/4 到1/3 时，依次加入预脱氧剂，铝铁60 kg，硅锰300 kg 和石灰400 kg 脱除氧气，达到预脱氧的效果以便于钢水进一步精炼。出钢后再加入少量铬铁、镍铁等贵重金属原料进行合金化，加入少量硅锰合金促进晶粒细化，加入少量石灰石吸收和去除炉中的杂质和氧化物。主要生产设备及技术参数如表1 所示。

表1 特殊钢厂主要生产设备及主要技术参数

1.3 LF 精炼

LF 精炼初期采用20 000 A～25 000 A 大电流升温化渣，精炼时间70 min～75 min，如图3 所示，当钢水温度达到1 645 ℃～1 655 ℃时加入扩散脱氧剂，进行扩散脱氧，补加合金：高碳锰铁2.5 kg/t～2.7 kg/t， 高碳铬铁0.6 kg/t～0.7 kg/t， 硅铁0.6 kg/t～0.7 kg/t，硅铁粉2.2 kg/t～2.5 kg/t，铝线1.1 m/t～1.2 m/t。辅料：活性石灰8 kg/t～10 kg/t，萤石2.5 kg/t～2.7 kg/t，焦粉增碳剂0.4 kg/t～0.6 kg/t，氧化铝球3.4 kg/t～3.6 kg/t，同时继续保持白渣熔炼20 min～30 min。

图3 精炼冶炼

精炼炉造渣要求白渣操作，二元碱度保证R1≥10，三元碱度R2≥12，四元碱度R3≥1.5，造渣材料采用新进石灰，促进炉渣中含硅、含铝氧化物与碱性氧化物（如氧化钙、氧化镁等）反应，形成高碱度的渣体，并且可吸收氧气，从而降低炉渣中FeO 含量。 要求FeO 含量降到1.0%以下， 形成强还原性炉渣，要保持渣中FeO 小于等于1.0%， 才能提高精炼效果。LF 精炼渣料的基本参数如表2 所示。

表2 LF 后渣样成分/%

1.4 VD 真空精炼

钢包入VD 罐，钢水温度控制在1 670 ℃～1 675 ℃，然后进行捞渣作业保证钢包的净空度大于等于300 mm，如图4，氩气压力控制0.1 MPa～0.3 MPa，在真空度100 Pa 下保持时间15 min～20 min， 通过窥视孔观察真空罐内液面波动情况，手动调整吹氩流量，达到最佳真空效果。

图4 VD 捞渣作业

真空结束温度在1 595 ℃～1 605 ℃，将氩气压力调整至0.3 MPa～0.5 MPa 以不吹开渣面、 钢水不裸露为宜，如图5 所示，开始静吹氩，时间25 min～30 min，静吹氩结束后，加入Φ10 mm 硅钙包芯线2.2 m/t～2.4 m/t。

图5 钢水静吹氩

真空操作完毕后进行适当的成分微调， 在根据Ca-O-Al 体系Al-Ca 平衡曲线进行钙处理，以确保其成分的精准和夹杂物去除的效果良好， 再加入碳化稻壳即起保温作用同时又防止二次氧化， 精炼结束温度为1 540 ℃。

Ca-O-Al 体系Al-Ca 平衡曲线如图6 所示，精炼渣系的冶金效果如表3 所示。

表3 精炼渣系的冶金效果

图6 Ca-O-Al 体系中Al-Ca 平衡曲线图

1.5 3.16 t 模铸

钢锭模选用全新的钢锭模， 在使用前必须进行退火处理， 温度在450 ℃时出炉， 运至模铸生产现场。 钢锭模内壁干净，无铁皮、铁锈、毛刺、结痂及各种杂物。当钢锭模温度在100 ℃左右时，进行内部喷涂作业，涂料厚度0.1 mm～0.2 mm，铸锭前进行保护渣吊挂，如图7 所示，吊挂距离模底200 mm 左右。

图7 保护渣吊挂

浇注2 锭盘，每盘6 支3.16 t 钢锭，当钢液浇注至帽口上20 mm～30 mm 后， 开始逐渐减流进行缓慢浇注，当浇注高度为距浇注帽口的二分之一后，关闭滑板停止浇注5 s～10 s 后，多次急剧开流冲铸，每次间隔时间约为3 s～5 s，直至达到浇注高度和充填时间为止， 帽口保温剂要在浇注至帽口2/3 高度时加入，如图8 所示。

图8 加保温剂过程

单次模铸浇注需严格控制时间，锭身5 min～6 min，帽口5 min～6 min。 3.16 t 模铸锭磨具如图9所示。 低倍检验图如图10 所示，低倍组织检验结果如表4 所示，夹杂物级别检验结果如表5 所示。

表4 20Cr2Ni4A 钢的低倍组织级别

表5 20Cr2Ni4A 钢的非金属夹杂物

图9 模铸锭磨具

图10 20Cr2Ni4 低倍组织检验图

高合金渗碳钢20Cr2N4A 成品钢材力学性能检测结果：屈服强度、抗拉强度、面缩率、伸长率均满足高端产品要求。

2 结果与分析

2.1 化学测试

化学成分是影响钢材性能的主要因素， 为了减小化学成分偏析，对化学成分实行窄带控制，保证成分均匀性是提高钢材性能的前提条件。 在实际生产中采用包内合金化与VD 成分微调相结合， 统计的500 炉成品高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 平均氧含量为9×10-6mol/m3化学成分控制及成品成分如表6 所示。

表6 20Cr2N4A 钢的化学成分/%

2.2 物理测试

为了保证钢材的性能指标合格， 其物理性能必须达到标准。 高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 物理性能的要求为，密度：7.85 g/cm3，熔点：1 425 ℃，线膨胀系：11.7×10-6/℃，导热系数：46.1 W/（m·K），比热容：477 J/（kg·K），弹性模量：210 GPa，屈服强度≥785 MPa，抗拉强度≥980 MPa，延伸率≥9%，硬度≤229 HB。对统计的500 炉成品钢材进行测试， 均达到了以上性能要求。

2.3 金相组织

采用光学显微镜等设备观察材料微观结构，高合金20Cr2Ni4A 的金相组织主要由珠光体和少量渗碳体组成，其中珠光体为主要组织，是由针状、板状或等轴枝晶组成的，如图11 所示。同时，在钢中还存在少量的粒状铁碳化合物， 具有较好的韧性和耐磨性。 在正常的热处理条件下，20Cr2Ni4A 的金相组织不易发生相变， 但在高温淬火或加热退火等特殊热处理条件下， 会形成马氏体或中等硬度的双相组织。

图11 20Cr2Ni4A 的金相组织

经测试，硬度、延展率和冲击值等物理性能均达标。 成分分析和杂质含量测试显示材料的纯度和可靠性均符合要求。从晶体结构角度分析材料的强度、韧性、断裂机理等重要性能一致达标。

3 现场应用

本钢特钢厂利用50 t EBT+LF+VD+模铸工艺生产高等级高合金渗碳钢20Cr2Ni4A 工艺应用于生产过程，跟踪其实际应用情况。

50 t EBT 电弧炉使用优质废钢原料+65%铁水吹碳处理， 并将碳含量以及温度达到要求的钢水出钢，转移到LF 炉以进行脱氧、升温、去夹杂、合金化， 再使用VD 炉在真空环境中去除钢水中的气体和静吹氩，以提高钢材的纯净度。 结果表明，该工艺的应用可以大幅度提高20Cr2Ni4A 钢材的纯净度和均质性，进而提高钢材的质量、稳定性和纯度，提高其机械性能和使用寿命。

该生产工艺具有生产效率高、成品质量好、环保性能佳等优点。 采用该工艺可以提高钢的纯净度和均匀性，降低成本，增加竞争力。

4 结论

研究50 t EBT+LF+VD+模铸生产工艺对钢水纯净度和钢水均匀性的影响， 对提高生产效率和成品质量等有一定推动作用。 研究20Cr2Ni4A 钢材在高温高强应用场景下的性能， 为其应用领域的拓展提供理论基础和实验依据。 主要结论如下：

（1）电炉送电前半小时烘烤合金，严格控制出钢终点碳含量，脱碳量≥0.30%，出钢温度在1 640 ℃～1 680 ℃之间。

（2）LF 炉进行白渣操作，采用复合渣进行脱氧。VD 真空脱气后进行Ca 处理，保证减少夹杂物的各向异性，促进夹杂物的上浮。

（3）模铸过程帽口保温剂要在注至帽口2/3 高度时加入。 单盘模铸浇注严格控制时间，锭身5 min～6 min，帽口5 min～6 min。

（4）化学成分实行窄带严格控制，确保化学成分均匀性，经过严格的工艺控制和产品性能检验。

（5）成品材低倍组织、非金属夹杂物、力学性能均满足高端高合金渗碳钢质量要求。