CN111926140A - 一种高性能cvt变速箱齿轮用钢的控氮方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，公开了一种高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，包括转炉冶炼、LF钢包精炼、RH真空精炼、连铸工序。通过出钢过程切换氮气底吹、LF钢包精炼全程吹氮；RH真空精炼前后期采用不同真空度控制，结合氮气流量及压力的合理设置，优化真空处理时间。本发明采用全程吹氮气进行控氮操作，通过各条件的控制和协同既有限稳定控制了氮，还能起到较好的细化晶粒效果，最终达到控氮偏差在±8ppm以内，Al/N稳定控制在1.5‑2.5，淬透性带宽控制在3个HRC以内的高淬透性要求，实现高性能CVT变速箱齿轮用钢的制备。

Description

一种高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种变速箱齿轮用钢的控氮方法。

背景技术

齿轮钢是汽车、船舶、工程机械中使用的特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全的核心部件的制造材料。齿轮在传递动力和改变速度的过程中，齿面相互啮合时既有滑动又有滚动，同时齿根部还受到脉动和交变弯曲应力的作用。因此高质量的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击和接触应力，而且还要求变形小、精度高和噪声低，为了保证齿轮钢的性能，必须严格控制齿轮钢中非金属夹杂物的类型和含量；稳定控制齿轮钢淬透性；多数高端轿车齿轮用钢必须控制Al/N，以保证其均匀的晶粒度和稳定的使用性能。

由于渗碳齿轮钢中要求较高的N含量，常规的生产工艺流程有电炉冶炼-LF钢包精炼-VD真空精炼-连铸和转炉冶炼-LF钢包精炼-RH真空精炼-连铸。现有技术中通常在出钢过程中将氮化锰合金加入钢水中进行合金化，或者在真空精炼后向钢水中喂氮化锰包芯线的方法进行增氮。

在出钢合金化过程中加入氮化锰合金时，由于钢水中的氧含量较高、钢水温度较高，氮化锰合金极易分解，收得率较低且不稳定；而且在真空精炼前控N，真空处理工艺设置不当时，可能出现脱氮、脱氮不明显或者增氮等情况，收得率不稳定导致N波动很大，这非常不利于Mn的控制，众所周知，Mn是影响淬透性的重要元素，Mn的不稳定直接导致淬透性不稳定，最终影响到齿轮的性能。

而在真空精炼后向钢水中喂氮化锰包芯线，会引起钢包液面搅动，导致钢水再次氧化，不利于夹杂物的控制，不可避免的会对钢水纯净度造成影响。

目前，为了避免加入的合金对钢水影响，存在采用向钢水中吹入氮气的方法来为钢水增氮，不仅能降低成本，而且也能使钢水中的氮含量控制的稳定范围中，但其中仅涉及RH精炼过程控氮，如“CN201510682746.X一种含氮钢种的RH脱氢增氮工艺”、“CN201610202751.0一种低铝高氮超低碳钢RH吹气增氮的方法”、“一种低成本RH钢水增氮控氮工艺”，其中仅涉及RH增氮控氮工艺，而对于转炉、LF的控氮方式以及连铸工艺并未有过多研究，而且其仅在结果中检测N含量，N含量达到目标值即可，所以仅局限于氮含量的控制效果。但发明人在实际操作中发现，现有控氮方法虽然能起到氮含量控制的作用，但未研究氮气增氮过程中，增氮工艺对齿轮用钢的性能的影响，如端淬性能、晶粒度、夹杂物等性能影响。所以如何得到一种高性能CVT变速箱齿轮用钢增氮方式是本发明所要解决的技术问题。而且目前RH钢水的增氮效率并不高，增氮效果不稳定，如何提高增氮效率和增氮稳定性也是本发明所要解决的问题之一。

综上所述，CVT变速箱齿轮钢对于夹杂物级别、末端淬透性、均匀晶粒度要求严格，现有的控制方法和生产工艺已经无法满足客户更高标准的使用要求，开发一种高性能CVT变速箱齿轮钢的控氮方法，不仅能实现对变速箱齿轮钢中氮含量的精准、稳定控制，还能满足齿轮钢的高洁净度和稳淬透性的要求，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种变速箱齿轮钢的控氮方法。实现了对高性能CVT变速箱齿轮钢中氮含量的精准、稳定控制，同时满足对齿轮钢的洁净度和淬透性的高要求。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种齿轮钢的控氮方法，包括转炉冶炼、LF钢包精炼、RH真空精炼、连铸工序，具体工艺步骤如下所述：

(1)转炉冶炼：转炉出钢后分别加入脱氧剂、合金和渣料，对钢包内的钢水进行底吹氮3-4min、流量300-500NL/min。通过氮气搅拌使钢水中合金充分混匀的同时，使钢水中的氮含量进一步增加至80ppm左右；

本发明在转炉出钢前后，氧含量较高、钢水温度较高的条件下，不加入任何氮化锰合金，有效减少了氮化锰合金的分解，提高出钢合金的收得率和成分控制的稳定性；同时，出钢过程切换氮气底吹，更利于提高钢水中氮气的溶解量。

(2)LF钢包精炼：LF钢包精炼过程中全程底吹氮气，氮气的压力为1.4MPa、流量为300-500NL/min。LF禁止补加石灰，脱氧剂选用碳化硅，禁用铝粒，使用铝线调整铝含量，调节温度合适后出钢。

(3)RH真空精炼：RH选取氮气作为提升气体，流量恒定为80L/min，钢包底吹仍采用氮气搅拌，提高脱氢、脱氧。真空处理分两个阶段，第一阶段：采取高真空(真空度小于67Pa)处理10min，使钢中的夹杂物充分上浮，同时将钢种氢脱至1.5ppm以下。因处理时间短，高真空状态下脱氮率不高，钢中氮含量基本维持在60-80ppm；第二阶段：高真空10min后关闭真空泵，降低真空度至32kPa以上处理5-10min后破空结束真空处理，该阶段因真空度降低，真空室的氮气分压逐步提高，此时底吹氮气和提升气体(氮气)对钢水增氮速率大于真空脱氮速率，钢水中的氮含量会逐步增加，最终达到增氮目的。真空处理后氮含量可控制在130-150ppm，破空后不再喂入氮锰线。合理控制软吹吊包温度。

(4)连铸：中包使用碱性覆盖剂(如:中包01渣或其它)及优质碳化稻壳，加强中包保护浇注，确保中包黑渣面覆盖。结晶器电搅参数150A/2.5Hz，气雾冷却，比水量按0.25L/Kg，二冷配水比例44/33/23，目标拉速0.90m/min。

本发明所述步骤(1)转炉出钢底吹气体由氩气切换为氮气。

本发明所述步骤(1)转炉出钢渣料配比500kg石灰+600kg护炉剂；脱氧剂加铝块130kg，氩站喂铝线200m。

本发明所述步骤(2)采用钢包底吹的方式进行吹氮气；氮气的压力为1.4MPa、流量为300-500NL/min。

本发明所述步骤(2)中脱氧剂选用碳化硅，禁用铝粒，出钢铝按0.055％控制(首炉按0.060％)。

本发明所述步骤(2)中出钢温度：开浇炉：1650-1660℃，连浇炉：1620-1630℃。

本发明所述步骤(3)RH真空处理选用氮气作为提升气体。

本发明所述步骤(3)RH前期抽高真空(≤67Pa)，真空处理时间10min。

本发明所述步骤(3)高真空循环结束后，逐步降低真空度至32kPa，循环5-10min后破空。

本发明所述步骤(3)真空后不喂入氮化锰包芯线。

本发明所述步骤(3)中吊包温度控制，开浇1590～1600℃，连浇1560-1570℃。

本发明所述步骤(4)中包使用碱性覆盖剂及优质碳化稻壳，加强中包保护浇注，确保中包黑渣面覆盖，防止因保护浇铸不到位进一步吸氮导致氮含量的波动。

高真空下脱气反应的控制环节一般为氮原子由钢液至渣钢界面的传质过程，通过降低真空度，使得反应的控制环节改变为熔渣界面附近至真空室的气相分子扩散，由此限制真空脱氮速率，而底吹的增氮效果基本不变，从而提高整体增氮效率。

溶解于钢液中的气体向气相的迁移过程，由以下步骤组成：

1、通过对流及扩散，溶解于钢液中的气体原子迁移到钢液-气相界面；

2、气体原子由溶解状态转变为表面吸附状态；

3、表面吸附的气体原子彼此相互作用，成为气体分子；

4、气体分子从钢液表面脱附；

5、气体分子进入气相，并被真空泵抽出。

一般认为，在炼钢温度下(约1500℃-1650℃)，步骤2、3、4的速率是相当快的。正常RH操作为了尽快脱氢、脱氮、脱氧，真空度在真空泵能力足够的情况下要求越高越好，一般为20-100Pa，熔渣表面附近和真空室气体分压差极大，所以步骤5也不会成为脱气反应的限制环节。由以上分析可知，正常操作时，步骤1为反应的限制性环节。而在冶炼含氮钢种时，过RH脱气时不需要脱氮，反而需要增氮，目的是为了降低过RH后喂氮锰线造成的渣钢界面搅动和由此造成的二次氧化。很多科研工作者采取很多方法，如底吹气体由氩气改为氮气，通过扩散部分能进入钢水增氮，但是增氮同时，通过以上5个步骤脱除的氮气也很多，所以增氮效果并不明显，极端情况下甚至降氮。所以对以上工艺进行改进，通过适当降低真空度，从而降低气体分压差，使得步骤5成为脱气反应新的控制环节，从而降低脱气反应速率。考虑过RH还需要需要脱氢、脱氧，所以具体操作如下：

前期采取高真空操作，底吹氮气搅拌，提高脱氢、脱氧的步骤1速率；后期通过逐步关闭真空泵，降低真空度，真空室的氮气分压逐步提高，步骤5成为新的控制环节，底吹氮气增氮速率不变，脱氮速率大大降低，最终达到高效增氮目的。

本发明所述控氮方法生产的钢材洁净度：B类夹杂物(细系/粗系)≤1.0/1.0；D类夹杂物(细系/粗系)≤1.0/1.0，满足高纯净度要求。

本发明所述控氮方法生产的钢材末端淬透性：J13位置处端淬硬度控制在27-29HRC，淬透性带宽控制在3个HRC以内，满足高淬透性控制要求。

本发明所述控氮方法控氮偏差在±8ppm以内，Al/N都控制在1.5-2.5范围内。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明所述的控氮方法不仅仅局限于氮含量的控制，既有限的稳定控制了氮，同时带来了更好的技术效果，更是解决了一种高性能CVT变速箱齿轮用钢高性能的具体实际问题，通过本发明渗碳齿轮钢的冶炼方法还能起到较好的细化晶粒的效果，经过长期冶炼数据统计，本发明方法使控氮偏差稳定在±8ppm以内，实现了氮含量的精准、稳定控制，Al/N稳定控制在1.5-2.5，同时也实现了渗碳齿轮钢较高的洁净度，B类夹杂物(细系/粗系)≤1.0/1.0；D类夹杂物(细系/粗系)≤1.0/1.0，满足洁净度要求，实现了窄淬透性的稳定控制27～29HRC，满足淬透性带宽控制在3个HRC以内的高淬透性要求。

2、本发明所有工序都未采用氮锰合金/氮锰包芯线增氮的方法，却实现了稳定增氮的效果，，成本上更具优势，且可有效避免因合金收得率不确定导致的成分波动，更有利于产品质量和性能的稳定，本发明控氮方法能够与现有齿轮钢的工装设备及制备工艺有效契合，在现有的制备工艺基础上进行简单改进即可，具有工艺改进成本低、便于推广的优势。

附图说明

图1为不同工艺生产的产品N含量的对比；

图2为不同工艺生产的产品Al/N的对比；

图3为不同工艺生产的产品端淬J13位置硬度的对比；

图4为不同工艺生产的产品B细夹杂物的对比；

图5为不同工艺生产的产品B粗夹杂物的对比；

图6为不同工艺生产的产品D细夹杂物的对比；

图7为不同工艺生产的产品D粗夹杂物的对比。

具体实施方式

下面将原常规工艺和发明工艺进行对比说明。变速箱齿轮用钢成分范围为：C：0.17～0.23％；Mn：0.55～0.95％；Cr：0.85～1.25％；N≥0.012％；Al≥0.024％；Al/N＝1.5～2.5。原常规工艺无法满足新用户对于变速箱齿轮的高性能要求，进行工艺优化和改进，其中未作限定的条件为常规条件，可根据情况进行选择，对结果影响忽略不计。

原工艺1：

工艺流程：电炉冶炼→LF钢包精炼→VD真空处理→连铸；

电炉冶炼：采用常规工艺进行脱氧以及合金化，出钢过程中加入氮锰合金。出钢过程中加入600kg石灰+350kg合成渣；脱氧剂加铝块80kg。

LF钢包精炼：LF炉到位底吹氩气15～20min，流量为200～350NL/min，一次全分析后切换管道底吹氮气，流量为200～350NL/min，底吹氮气20～40min后吊包。LF采用铝粒和电石脱氧。

VD真空处理：VD炉到位底吹氩气，流量为200～300NL/min，真空时间15～20分钟，破真空后，底吹氩气，流量为50～200NL/min，底吹氩气15～30min后吊包上连铸。

连铸：常规工艺控制。

原工艺2：

工艺流程：转炉冶炼→LF钢包精炼→RH真空处理→连铸

转炉冶炼：转炉出钢后，对钢包内的钢水进行软吹氩2-3min、流量65-115NL/min，软吹过程中向钢水中加入脱氧剂、合金和渣料；出钢过程中加入700kg石灰+500kg合成渣；脱氧剂加铝块100kg。

LF钢包精炼：LF钢包精炼过程中，当钢水温度达到1550-1575℃时，开始向钢水中吹入氮气6-12min；LF采用铝粒扩散脱氧。

RH真空处理：RH真空精炼钢包开始底吹氩气，当真空度≤133Pa时，高真空环流时间保持10min，破空后喂入氮化锰包芯线，喂线后软吹氩15-20min吊包上连铸；

连铸：常规工艺控制。

发明工艺：

工艺流程：转炉冶炼→LF钢包精炼→RH真空处理→连铸

转炉冶炼：转炉出钢后分别加入脱氧剂、合金和渣料，对钢包内的钢水进行底吹氮3-4min、流量300-500NL/min。通过氮气搅拌使钢水中合金充分混匀的同时，使钢水中的氮含量进一步增加至80ppm左右。出钢过程中加入500kg石灰+600kg护炉剂；脱氧剂加铝块130kg，氩站喂铝线200m；

LF钢包精炼：LF钢包精炼过程中全程底吹氮气，氮气的压力为1.4MPa、流量为300-500NL/min。LF禁止补加石灰，脱氧剂选用碳化硅，禁用铝粒，出钢铝按0.055％控制(首炉按0.060％)。LF出钢温度控制，开浇炉：1650-1660℃，连浇炉：1620-1630℃

RH真空精炼：RH选取氮气作为提升气体，钢包底吹仍采用氮气搅拌，提高脱氢、脱氧。真空处理分两个阶段，第一阶段：采取高真空(真空度小于67Pa)处理10min，使钢中的夹杂物充分上浮，同时将钢种氢脱至1.5ppm以下。因处理时间短，高真空状态下脱氮率不高，钢中氮含量基本维持在60-80ppm；第二阶段：高真空10min后关闭真空泵，降低真空度至32kPa以上处理5-10min后破空结束真空处理，该阶段因真空度降低，真空室的氮气分压逐步提高，此时底吹氮气和提升气体(氮气)对钢水增氮速率大于真空脱氮速率，钢水中的氮含量会逐步增加，最终达到增氮目的。真空处理后氮含量可控制在130-150ppm(如果改变上述发明工艺中限定的条件，在不用含氮合金的条件下RH后氮含量一般不超过120ppm)，破空后不再喂入氮锰线。RH吊包温度控制，开浇1590～1600℃，连浇1560-1570℃。

连铸：中包使用碱性覆盖剂及优质碳化稻壳，加强中包保护浇注，确保中包黑渣面覆盖。结晶器电搅参数150A/2.5Hz，气雾冷却，比水量按0.25L/Kg，二冷配水比例44/33/23，目标拉速0.90m/min。

为验证不同工艺生产的产品质量，对比不同工艺下N含量、Al/N控制、端淬性能、B类夹杂物(细系/粗系)、D类夹杂物(细系/粗系)等指标，多次生产试验对比，发明工艺具有明显优势，各项检测指标均优于原常规工艺。

图1～7是不同工艺生产80炉产品统计后的效果对比。

其中，图1不同工艺生产的产品N含量的对比，从其中可知，本发明的N含量控制132～148ppm，而原工艺1的工艺生产钢材中N含量控制在125～155ppm，原工艺2的工艺生产钢材中N含量控制在130～155ppm。所以本发明的控氮方式更有利于N含量的稳定控制。

其中，图2不同工艺生产的产品Al/N的对比，从其中可知，本发明的Al/N控制1.8～2.2，而原工艺1和原工艺2的工艺生产钢材中Al/N波动范围为1.5～2.5。所以本发明的控氮方式更利于Al/N的稳定控制，Al/N波动范围小。

其中，图3不同工艺生产的产品淬透性的对比，从其中可知，本发明的J13位置处硬度27～29HRC，而原工艺1产品J13位置处硬度25～29HRC，原工艺2的工艺生产产品J13位置处硬度25～29HRC。所以本发明的控氮方式更利于淬透性的稳定控制，淬透性带宽控制在3个HRC以内。

其中，图4不同工艺生产的产品B细夹杂物的对比，从其中可知，本发明的B细夹杂物评级为0～0.5，0级占多数比例；原工艺1的B细夹杂物评级为0～2.0，0.5级占多数比例；原工艺2的B细夹杂物评级为0～2.0，1.0级占多数比例。所以本发明的工艺更利于B细夹杂物的控制。

其中，图5不同工艺生产的产品B粗夹杂物的对比，从其中可知，本发明的B粗夹杂物评级为0～0.5，0级占多数比例；原工艺1的B粗夹杂物评级为0～2.0，0.5级占多数比例；原工艺2的B粗夹杂物评级为0～2.0，1.0级占多数比例。所以本发明的工艺更利于B粗夹杂物的控制。

其中，图6不同工艺生产的产品D细夹杂物的对比，从其中可知，本发明的D细夹杂物评级为0～0.5，0级占多数比例；原工艺1的D细夹杂物评级为0～1.5，1.0级占多数比例；原工艺2的D细夹杂物评级为0～1.5，1.0级占多数比例。所以本发明的工艺更利于D细夹杂物的控制。

其中，图7不同工艺生产的产品D粗夹杂物的对比，从其中可知，本发明的D粗夹杂物评级为0～0.5，0级占多数比例；原工艺1的D粗夹杂物评级为0～1.5，0.5级占多数比例；原工艺2的D粗夹杂物评级为0～1.5，0.5级占多数比例。所以本发明的工艺更利于D粗夹杂物的控制。

从上述对比可知，传统的控N方式仅仅局限于N含量的控制，并未关注到夹杂物、晶粒度、淬透性性能指标，采用常规的控氮工艺不能满足高端用户的质量要求，尤其是高性能CVT变速箱齿轮。

Claims (9)

1.一种高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于，所述控氮方法包括转炉冶炼、LF钢包精炼、RH真空精炼、连铸工序，具体工艺步骤包括：

(1)转炉冶炼：转炉出钢底吹气体由氩气切换为氮气，对钢包内的钢水进行底吹氮气；

(2)LF钢包精炼：LF钢包精炼过程中全程底吹氮气，LF禁止补加石灰，脱氧剂选用碳化硅，禁用铝粒，使用铝线调整铝含量，调节温度后出钢；

(3)RH真空精炼：RH选取氮气作为提升气体，设定流量恒定，钢包底吹仍采用氮气搅拌；真空处理分两个阶段：第一阶段，采取真空度小于67Pa的高真空处理，将钢种氢脱至1.5ppm以下，钢中氮含量维持在60-80ppm；第二阶段：高真空处理后关闭真空泵，降低真空度至32kPa以上处理一段时间后破空结束真空处理，真空处理后氮含量控制在130-150ppm，破空后不喂入氮锰线，控制软吹吊包温度；

(4)连铸工序。

2.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：转炉出钢后分别加入脱氧剂、合金和渣料，对钢包内的钢水进行底吹氮3-4min、流量300-500NL/min，使钢水中的氮含量进一步增加至80ppm。

3.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(2)所述的底吹氮气的压力为1.4MPa、流量为300-500NL/min；出钢铝按0.055％进行控制。

4.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(2)所述的调节出钢温度为：开浇炉：1650-1660℃，连浇炉：1620-1630℃。

5.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(3)所述的第一阶段高真空处理时间为10min；第二阶段真空度降低至32kPa，循环5-10min后破空。

6.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(3)所述的吊包温度控制为：开浇1590～1600℃，连浇1560-1570℃。

7.如权利要求1所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(4)所述的连铸工序中，中包使用碱性覆盖剂及优质碳化稻壳。

8.如权利要求7所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：步骤(4)所述的连铸工序中，结晶器电搅参数150A/2.5Hz，气雾冷却，比水量按0.25L/Kg，二冷配水比例44/33/23，目标拉速0.90m/min。

9.如权利要求1-8任一项所述高性能CVT变速箱齿轮用钢的控氮方法，其特征在于：高性能CVT变速箱齿轮用钢的成分中N≥0.012％，Al/N稳定控制在1.5-2.5。

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