CN109852872A - 一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，其化学成分wt%包括：C：0.53‑0.57%，Si：0.22‑0.32%，Mn：0.80‑0.95%，Cr：0.20‑0.30%，S≤0.010%，P≤0.015%，［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%，其余为Fe。从上述组分可知，本发明的一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，本发明通过调整提高Mn，添加Cr，材料淬透性得到明显提高，使材料热处理工艺性得到提高；相同热处理工艺下（正火温度870℃，端淬温度845℃），与常规使用的钢材料相比，材料淬透性明显提高。

Description

一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种汽车驱动系统球笼用钢的技术领域，具体涉及一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法。

背景技术

汽车制造业作为国民经济的支柱产业之一，其技术水平决定了国家制造业的水平。近年来，为实现“绿色发展”的基本国策，汽车产品不断升级换代，新能源汽车将逐步取代现有的化石能源汽车，而新能源汽车对于汽车轻量化提出了更高的要求，这对汽车用钢原材料品质也提出了越来越高的要求。欧美发达国家已通过优化成分设计、优化工艺、改进设备等手段，将汽车球笼用钢的生产水平提升到了很高的档次，并广泛应用于各类车辆。

我国是汽车整车、汽车零配件制造大国，但在技术、质量等方面与德国、美国、日本等汽车制造强国差距还较大。球笼（cage）也叫做等速万向节，是汽车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到驱动轮，驱动轿车高速行驶。目前国内生产汽车球笼用钢主要使用普通55钢，还停留在仅仅满足国标要求的水平上，材料淬透性低，加工的球笼热处理淬硬层深度只有2.5-3.0mm，静扭强度偏低，已无法满足汽车升级换代的要求。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，通过调整提高Mn，添加Cr，材料淬透性得到明显提高，使材料热处理工艺性得到提高；相同热处理工艺下（正火温度870℃，端淬温度845℃），与常规使用的钢材料相比，材料淬透性明显提高；成分控制上通过添加Ti,工艺上采用开坯+控制轧制，满足大规格轮体钢晶粒度细于7.5级；相同热处理工艺下（淬火温度为840℃±15℃，回火温度540℃±30℃），与常规使用的钢材料相比，力学性能明显提高；通过在线冷却装置能够实现坯料的在线冷却和轧制的连续化生产，提高了生产效率，降低了能耗。

本发明所采取的技术方案是：

一种汽车驱动系统球笼用钢，其化学成分wt%包括：C： 0.53-0.57%，Si：0.22-0.32%，Mn：0.80-0.95%，Cr：0.20-0.30%，S≤0.010%，P≤0.015%，［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%，其余为Fe。

下面具体说明本发明一种高淬透性、高静扭强度汽车驱动系统球笼用钢化学成分的限定理由。

C：C能与多种元素一起形成不同的碳化物，并显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑韧性恶化。C是提高钢的强度最廉价元素。如果C含量低于0.52%，强度达不到客户使用要求。如果C含量高于0.58%，材料的韧性将明显降低，因此取C含量控制在0.52-0.58%。

Si：Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，仅次于P，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。Si易使钢呈带状组织，因而使钢材的横向性能低于纵向性能。Si虽然也提高钢的淬透性，但由于Si含量高了，易于产生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，石墨化的出现，降低了钢的塑性和耐冲击性能及淬硬性，因此仅用Si提高共析钢和亚共析钢淬透性的办法没有实际的意义。所以本发明按照球笼用钢使用的各项性的要求，适当采用低的Si含量。所以Si取值范围为：0.20-0.35%。

Mn：Mn和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低钢的临界转变温度，所以起到细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体强度的作用；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织稳定性，强烈的增加钢的淬透性；当Mn含量低于0.80%时，材料的力学性能很难达到球笼用钢的使用要求，当Mn含量高于1.00%时，加大了工件淬火后的变形趋势，对球笼热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，综合考虑Mn含量确定为0.80-1.00%。

Cr： Cr和铁能形成连续固溶体，和多种碳化物，能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，但Cr亦增加钢的回火脆性。Cr含量的增加对钢退火后的强度和硬度提高的比较缓慢。这是因为Cr对于固溶强化铁素体本来就是很弱的元素，当退火时，一部分Cr又形成碳化物，致使固溶于铁素体中的Cr减少，所以退火后对提高钢的强度表现的较弱。加入铬，可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高，考虑到钢的使用性能及成本，所以确定Cr含量为0.15-0.40%。

P：P增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，根据生产保障能力，控制P≤0.015%。

O：O在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0015%以内。

H：H使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆等。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015%以下。

残余元素S等，上述元素都是作为杂质元素存在，允许不超过标准要求，这里不再一一叙述。

生产如上所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）铁水深脱硫：

采用KR法直接对铁水包铁水进行深脱硫预处理，使用脱硫剂，使用扒渣机扒渣，脱硫后铁水可满足硫≤30ppm；

2）转炉冶炼：

在90吨顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼，副枪定成分，使用出钢红外下渣检测+滑板机构控制下渣，防止出钢回P，控制出钢P≤0.010%，出钢铝类脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调；

3）精炼：

在90吨LF炉中进行钢水扩散脱氧及成分微调；精炼过程对脱硫、升温、调成分不同阶段底吹流量进行细化、标准化，强化脱S、去夹杂；

4）真空脱气：

在LF精炼后，采用RH或VD脱气设备进行真空脱气，保证破空时［H］≤1.5ppm、［O］≤15ppm；

5）软吹：

进行软吹处理，全程流量、压力自动监控，软吹时间为15-25分钟；

6）连铸：

连铸过程大包长水口氩封、中包充氩、内装浸入式水口等措施全程保护浇筑，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；

结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌等技术，实现了成分偏析小；

7）连轧和热处理：

钢坯连轧后，等温挤压成型球笼，退火+淬火+回火。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，所述铁水包为平口包，并且铁水包加盖。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，搅拌时间6-12分钟；所述脱硫剂包括生石灰和萤石，所述生石灰和萤石的质量百分比为9:1。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，所述90吨顶底复吹式碱性转炉的顶部吹入氧气，底部吹入氮气或氩气。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤4）中，真空度≤100pa的高真空下保持15分钟以上。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤5）中，软吹时间为15-20分钟。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤6）中，采用结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌，横截面周向、径向碳极差≤0.03%。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤7）中，轧制的压缩比≥10。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤7）中，退火温度在640℃~660℃范围内，油或聚合物淬火，淬火温度在840℃~860℃范围内，回火温度在160℃~180℃范围内。

本发明的有益效果在于：

第一、本发明的一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，本发明通过调整提高Mn，添加Cr，材料淬透性得到提高；相同热处理工艺下，与常规使用的55钢材料相比，球笼热处理淬硬层深度由2.5-3.0mm，提高至3.5-4.5mm，静扭强度提高300-500N·m。

第二、本发明的一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，增加铁水包加盖装置，降低铁水由炼铁厂到炼钢厂运输过程、铁水在炼钢厂等待预处理过程的热量损失。

第三、本发明的一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，对铁水包进行改进，铁水包鸭嘴包口改为平口，铁水包深度适当进行了降低，改进后铁水包可以直接进行铁水预处理，不用进行换包，降低热量损失，提高效率。

第四、本发明的一种汽车驱动系统球笼用钢及其生产方法，精炼过程对脱硫、升温、调成分不同阶段底吹流量进行细化、标准化，强化脱S、去夹杂。

附图说明：

图1为本发明与现有技术的成分对比表（wt%）。

图2为本发明与现有技术的性能对比表。

图3为实施例1的性能表。

图4为实施例2的性能表。

具体实施方式：

目前国内使用的汽车球笼用钢55钢与本发明的化学成分对比情况如图1所示。

采用以下生产工艺制备：

1）铁水深脱硫：采用KR法直接对铁水包铁水进行深脱硫预处理，搅拌时间6-12分钟，使用自制脱硫剂（石灰：萤石=9:1），使用扒渣机扒渣，脱硫后铁水可满足硫≤30ppm；

为降低铁水由炼铁厂到炼钢厂运输过程、铁水在炼钢厂等待预处理过程的热量损失，增加了铁水包加盖装置；

原鸭嘴型铁水包，铁水预处理时必须进行兑铁水，才能进行铁水预处理，存在兑铁水过程热损失；对铁水包进行改进，铁水包鸭嘴包口改为平口，铁水包深度适当进行了降低，改进后铁水包可以直接进行铁水预处理，不用进行换包，降低热量损失，提高效率；

2）转炉冶炼：在90吨顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼（顶吹氧，底吹氮/氩），副枪定成分，使用出钢红外下渣检测+滑板机构控制下渣，防止出钢回P，控制出钢P≤0.010%，出钢铝类脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调；

3）精炼：在90吨LF炉中进行钢水扩散脱氧及成分微调；精炼过程对脱硫、升温、调成分不同阶段底吹流量进行细化、标准化，强化脱S、去夹杂；

4）真空脱气：在LF精炼后，采用RH或VD脱气设备进行真空脱气，真空度≤100pa的高真空下保持15分钟以上，保证破空时［H］≤1.5ppm、［O］≤15ppm；

5）软吹：进行软吹处理，全程流量、压力自动监控，软吹时间为15-25分钟；

6）连铸：连铸过程大包长水口氩封、中包充氩、内装浸入式水口等措施全程保护浇筑，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌等技术，实现了成分偏析小（横截面周向、径向碳极差≤0.03%）。

7）连轧和热处理：钢坯经锻轧后（压缩比≥10），经温挤压成型球笼，650±10℃退火，淬火（淬火温度850±10℃，油或聚合物淬火）+回火（温度170±10℃）。以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

通过上述步骤生产得到的汽车驱动系统球笼用钢与现有技术的汽车球笼用钢55钢的性能对比如图2所示。

取其中两个实施例进行具体分析：

实施例1

其化学成分如下：

C：0.54%，Si：0.28%，Mn：0.90%，Cr：0.22%，S：0.005%，P：0.012%，［O］：0.0010%，［H］：0.00013%，其余为Fe。钢坯经连轧后（压缩比≥10），温挤压成型球笼，650±10℃退火，淬火（淬火温度850±10℃，油或聚合物淬火）+回火（温度170±10℃），其相关性能如图3所示。

实施例2

其化学成分如下：

C：0.53%，Si：0.30%，Mn：0.89%，Cr：0.23%，S：0.004%， P：0.012%，［O］：0.0012%，［H］：0.00012%，其余为Fe。钢坯经连轧后（压缩比≥10），温挤压成型球笼，650±10℃退火，淬火（淬火温度850±10℃，油或聚合物淬火）+回火（温度170±10℃），其相关性能如图4所示。

由图3和图4可知，实施例1和实施例2的淬硬层深度远超现有技术的55钢，对应的硬度和静扭强度也远高于现有技术的55钢。

Claims (10)

1.一种汽车驱动系统球笼用钢，其特征在于：其化学成分wt%包括：C： 0.53-0.57%，Si：0.22-0.32%，Mn：0.80-0.95%，Cr：0.20-0.30%，S≤0.010%，P≤0.015%，［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%，其余为Fe。

2.生产如权利要求1所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）铁水深脱硫：

采用KR法直接对铁水包铁水进行深脱硫预处理，使用脱硫剂，使用扒渣机扒渣，脱硫后铁水可满足硫≤30ppm；

2）转炉冶炼：

在90吨顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼，副枪定成分，使用出钢红外下渣检测+滑板机构控制下渣，防止出钢回P，控制出钢P≤0.010%，出钢铝类脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调；

3）精炼：

在90吨LF炉中进行钢水扩散脱氧及成分微调；精炼过程对脱硫、升温、调成分不同阶段底吹流量进行细化、标准化，强化脱S、去夹杂；

4）真空脱气：

在LF精炼后，采用RH或VD脱气设备进行真空脱气，保证破空时［H］≤1.5ppm、［O］≤15ppm；

5）软吹：

进行软吹处理，全程流量、压力自动监控，软吹时间为15-25分钟；

6）连铸：

连铸过程大包长水口氩封、中包充氩、内装浸入式水口等措施全程保护浇筑，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；

结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌等技术，实现了成分偏析小；

7）连轧和热处理：

钢坯连轧后，等温挤压成型球笼，退火+淬火+回火。

3.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤1）中，所述铁水包为平口包，并且铁水包加盖。

4.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤1）中，搅拌时间6-12分钟；所述脱硫剂包括生石灰和萤石，所述生石灰和萤石的质量百分比为9:1。

5.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述90吨顶底复吹式碱性转炉的顶部吹入氧气，底部吹入氮气或氩气。

6.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤4）中，真空度≤100pa的高真空下保持15分钟以上。

7.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤5）中，软吹时间为15-20分钟。

8.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤6）中，采用结晶器+二冷+末端三段式电磁搅拌，横截面周向、径向碳极差≤0.03%。

9.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤7）中，轧制的压缩比≥10。

10.如权利要求2所述的一种汽车驱动系统球笼用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤7）中，退火温度在640℃~660℃范围内，油或聚合物淬火，淬火温度在840℃~860℃范围内，回火温度在160℃~180℃范围内。