CN112981228A

CN112981228A - 一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材及制造方法

Info

Publication number: CN112981228A
Application number: CN202110073433.XA
Authority: CN
Inventors: 孙鸿平; 许晓红; 白云; 吴小林; 曹红福; 惠世杰; 窦胜涛; 杨高成; 张学诚
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明涉及一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材及制造方法，化学成分按质量百分比设计为C：0.30～0.40％，Si：≤0.15％，Mn：0.40～0.90％，Cr：0.30～0.65％，P：≤0.030％，S：0.010～0.030％，Cu：≤0.25％，Al：≤0.040％，N：≥0.070％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，B：≤0.0005％，Nb≤0.02％，Ti≤0.02％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，Cr+Mo+Ni≤0.90％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。通过优化钢材中关键元素，采用高精度轧制工艺和球化退火工艺，获得一具备良好的冷锻加工性能、可以直接用于冷锻加工的钢材，满足优异冷锻加工性能的要求。

Description

一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材及制造方法

技术领域

本发明涉及一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材及制造方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

国外汽车零部件的生产制造工艺不断升级，部分高端汽车零部件逐步淘汰原有的热锻工艺成形技术，采用新型的冷锻成形技术，这样不仅可以提高原材料的成材率，减少零部件制造流程，降低零部件能耗。因此，目前国外尤其是欧洲高端零部件开始大量采用冷锻工艺技术，市场占有率已经达到20％以上。发达国家每辆轿车上的冷精锻件已超过40Kg，包括圆柱齿轮、伞齿轮、内星轮、三叉轴、内花键齿套、同步齿环、等速传动轴、十字轴、花键轴等零件(不含标准件和紧固件)。国内近年来也在大量发展冷锻加工产品，但品种和数量不足国外一半，随着我国轿车的快速增长，汽车零部件用冷精锻产品无论是品种上还是数量上都具有广阔的发展空间。

另外，与切削加工件相比，冷锻齿轮因金属流线沿齿廓分布且组织致密，使得齿轮的强度，齿面的耐磨能力，热处理性能和啮合噪声都比切削加工的齿轮优越，特别是带齿形的零件，冷锻后可以不加工或仅留磨削加工量。而且工艺流程短，生产率高，可大幅度地提高材料的利用率，降低生产成本，同时提高产品质量稳定性。随着中国汽车行业的快速发展，汽车零部件的批量不断增大，冷锻技术逐步得到广泛的应用，越来越多的零件生产均由切削工艺改为冷锻工艺。

现有的汽车齿轴零件采用热锻成型或斜横轧工艺生产制造，其对钢材生产工艺没有特殊工艺要求，而采用冷锻成型工艺生产齿轴零件时，普通热轧材无法满足冷锻型工艺要求：1)尺寸公差波动大，冷锻成型零件可能造成过充满(有飞边)或欠充满等；2)组织不均匀和硬度偏高，无法保证零件冷锻成型要求。综上，普通热轧钢材不能满足直接冷锻成型工艺要求，基于齿轴用的生产现状，能够生产出一种直接用于冷锻加工的变速器传动齿轴钢，是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材及制造方法，通过特殊的化学元素成分设计，优化关键元素的含量，控制材料的组织、硬度和外形尺寸精度，获得优良的冷锻加工性能球状该材可直接用于冷锻成型加工成型。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.30～0.40％，Si：≤0.15％，Mn：0.40～0.90％，Cr：0.30～0.65％，P：≤0.030％，S：0.010～0.030％，Cu：≤0.25％，Al：≤0.040％，N：≥0.070％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，B：≤0.0005％，Nb≤0.02％，Ti≤0.02％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，Cr+Mo+Ni≤0.90％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该钢材的组织控制：球化组织球化率大于85％，表面脱碳不允许有完全脱碳，部分脱碳≤最大为额定直径×0.7％，且最大脱碳层≤0.35mm。

该钢材的外形尺寸精度：φ15～φ30尺寸精度≤±0.15mm，φ30～φ60尺寸精度≤±0.20mm。

本发明的钢材成分中控制Si、P、Cr元素含量，降低Si减少冷作硬化，降低P防止产生“冷脆”现象，控制Cr减少变形强化引起的冷锻开裂影响，使得冷锻性能优异；

其中：

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。在所有元素中，碳提高钢强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮热处理后心部有良好的的强韧性，钢中需有合适的碳含量，本发明碳含量范围确定为0.30-0.40％，属于中碳合结钢。

Si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性；Si在钢渗碳时会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量；Si元素在材料冷加工变形时会引起材料冷作硬化，因此Si含量的范围确定为≤0.15％。

Mn：0.40～0.90％，Mn作为脱氧剂作用的元素，通过固溶强化提高钢材的强度，此外Mn将钢中的S以MnS形式固定，它能消除或降低由于硫引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn是碳化物有形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，Mn在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体强度的作用。Mn稳定奥氏体组织的能力仅次于Ni，也强烈增加钢的淬透性。

Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可对钢起固溶强化作用，提高钢的淬透性。另外Cr降低C的活度，能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度，但过高的Cr会明显降低淬火回火钢材的韧性，同时过高的Cr会造成变形强化引起的冷锻开裂，综上考虑，本发明将Cr含量的范围确定为Cr：0.30～0.65％。

Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对钢的塑性、韧性的影响不显著。另外Ni对钢的淬透性也有一定的提高作用。由于Ni是贵金属，本发明Ni含量≤0.20％。

Nb能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量的铌可以不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。铌在钢中以碳化物形式存在，并细化晶粒。本发明Nb含量的范围≤0.02％。

S的加入可以提高钢的切削性能，但会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，因此确定S含量范围为0.010-0.030％。

P是不可避免的杂质，易形成偏析、夹杂等缺陷，特别是P会降低材料的冷变形性能，导致钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象，因此对冷锻加工性能影响大。由此本发明使其上限为0.030％(优选≤0.015％)。

Ca含量会增加钢中大尺寸点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的疲劳性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.0020％。

Al作为脱氧有效元素，主要用来脱氧和细化晶粒。通过与N结合形成的AlN可有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al₂O₃等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为≤0.040％。

N：≥0.070％，N元素与Ti、Al等以氮化物等形式析出，AlN在晶界析出可有效防止晶粒长大，细化材料晶粒度。

O：≤0.0020％，O在钢中主要以Al₂O₃、MnO、CaO、SiO₂等氧化物夹杂物形式存在，经过大量研究，钢中的氧化物夹杂物尺寸、数量，显著劣化钢材的疲劳寿命，因此规定使其上限为0.0020％。

B：≤0.0005％，B有抑制铁素体析出的效果，提高淬透性；因钢中的Al、Ti元素含量低，B与O、N亲和力强，易形成BN，容易发生淬透性波动。

Ti：≤0.02％，Ti：属于较强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3.42，通过与N结合形成的TiN、Ti(CN)在钢中属于硬脆的夹杂物，硬度高、呈浅黄色到紫玫瑰色、多边形特征棱角锋利，不变形，显著影响材料的疲劳寿命。由此本发明严格规定其上限为≤0.02％。

本发明所制得的钢材淬透性满足：J3＝50-55HRC，J5＝46-52HRC，J7＝38-46HRC，J9＝31-39HRC，J11＝28-35HRC，J13≤33HRC，J15≤32HRC，J20≤30HRC，J25≤28HRC。

本发明所得钢材的金相组织中，球化率≥85％，无贝氏体和马氏体。

本发明所得钢材的截面硬度≤166HBW，截面硬度极差≤15HBW。

本发明的钢材具有优异的显微组织结构，球状珠光体含量在85％以上，截面硬度低极差小，具有良好的冷锻成型工艺性能，可满足直接冷锻要求。

本发明另提供一种直接冷锻用变速器传动齿轴钢材的制造方法，流程主要包括：转炉—炉外精炼—RH真空脱气—连铸—连轧—剪切或锯切—堆冷—球化退火—精整—表面及内部探伤—包装。其中：

冶炼符合钢材化学成分的钢水，锻造连铸坯，炼钢采用高性能精炼合成渣，保证了夹杂物具有良好的可变形性。钢包保持超长时间的夹杂物去除过程，使非金属夹杂物充分上浮，保证了钢材的高纯净性。选择专用的精炼渣和中间包保护渣更好地吸附夹杂物。连铸采用大方坯连铸，通过大方坯开坯，解决了表面质量问题，均质化问题，夹杂物数量得到有效控制。采用末端电磁搅拌、中间包感应加热先进装备，提高铸坯截面成分均匀性，降低材料的偏析。

轧制前将连铸坯加热至1200～1260℃，保温4小时及以上出炉，通过充分提高加热温度，能够让AL、N、C等元素充分而均匀溶解在奥氏体相中，为后续冷却过程中均匀析出，有效地控制细化晶粒及均匀性做准备，优选的加热温度为1200℃以上，此外，加热温度过高，奥氏体相有粗化过热的趋势，因此加热温度优选为1260℃以下。加热时严格控制炉内气氛和炉内残氧量，减少材料表面脱碳。

轧制工艺采用高精度三辊KOCKS轧机进行成品尺寸精确控制，外形尺寸精度可达到：φ15～φ30尺寸精度≤±0.15mm，φ30～φ60尺寸精度≤±0.20mm。可满足冷锻材外形尺寸精度要求。轧制工艺采用在线控轧控冷的两相轧制工艺，开轧前需进行高压水除鳞处理，轧制的开轧温度1100-1200℃，终轧温度720-880℃，控轧控冷过程：中轧和精轧前后均采用在线穿水冷却，热轧材金相组织F+P+B，成品轧制采用高精度三辊KOCKS精轧轧机，相对传统的二辊轧机而言，外形尺寸精度大幅提升。

球化前组织的脱碳≤额定直径×0.5％，球化前，圆钢截面上是由部分脱碳层和基础组织组成的，其中部分脱碳层的深度≤额定直径×0.5％，球化退火后圆钢截面上的部分脱碳层的深度少量增加，增加量约为额定直径×0.1％，部分脱碳层中在退火前后碳含量的没有明显的变化，退火采用带保护气氛的连续式退火炉进行球化退火，退火工艺采用AC1+20℃～40℃保温10h以上然后经缓慢冷却，成品金相组织为球状珠光体+铁素体，在退火冷却前钢材形成不均匀的奥氏体以及一定数目的未溶碳化物，而在缓慢冷却过程中转变形成粒状珠光体。退火后的钢材通过缓慢冷却，冷却速率控制在10-20℃/h以内，使得冷却后的钢材球化组织球化率大于85％，面脱碳不允许有完全脱碳，部分脱碳≤最大为额定直径×0.7％，且最大脱碳层≤0.35mm。奥氏体晶粒度控制主要通过Al与N结合形成的AlN有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的冷锻齿轴用钢材具有优异的显微组织结构，球化率85％以上，成品金相组织为球状珠光体+铁素体，奥氏体晶粒度达到7级以上，截面硬度均匀(≤166HBW，极差≤15HBW)，外形尺寸精度高，可以直接用于冷锻成型加工制造。

附图说明

图1为本发明实施例1钢棒材外形尺寸统计图。

图2为本发明实施例2钢棒材显微组织图。

图3为本发明实施例2钢棒材的截面硬度数据图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，制作截面尺寸3900mm×510mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C：0.30～0.40％，Si：≤0.15％，Mn：0.40～0.90％，Cr：0.30～0.65％，P：≤0.030％，S：0.010～0.030％，Cu：≤0.25％，Al：≤0.040％，N：≥0.070％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，B：≤0.0005％，Nb≤0.02％，Ti≤0.02％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，Cr+Mo+Ni≤0.90％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

把连铸坯加热至1200℃以上，炉内残氧量控制在5％以下，保温4小时出炉，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度1100-1200℃，终轧温度720-880℃，精轧机组采用高精度三辊KOCKS轧制。棒材下线后外形尺寸精度：φ15～φ30尺寸精度≤±0.15mm，φ30～φ60尺寸精度≤±0.20mm。(外形尺寸统计见图1)，奥氏体晶粒度达到7级以上。

实施例2

退火采用带保护气氛的连续式退火炉进行球化退火，退火工艺采用AC1+20℃～40℃保温10h以上，成品金相组织为球状珠光体+铁素体。球化组织球化率大于85％，表面脱碳无完全脱碳，部分脱碳≤最大为额定直径×0.7％，且最大脱碳层≤0.35mm。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.30～0.40％，Si：≤0.15％，Mn：0.40～0.90％，Cr：0.30～0.65％，P：≤0.030％，S：0.010～0.030％，Cu：≤0.25％，Al：≤0.040％，N：≥0.070％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，B：≤0.0005％，Nb≤0.02％，Ti≤0.02％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，Cr+Mo+Ni≤0.90％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：所述钢材的化学成份中Ti/N的化学计量比为3.42。

3.根据权利要求1所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：所述钢材的球化组织球化率大于85％，表面脱碳不允许有完全脱碳，部分脱碳≤最大为额定直径×0.7％，且最大脱碳层≤0.35mm。

4.根据权利要求1所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：所述钢材的外形尺寸精度：φ15～φ30尺寸精度≤±0.15mm，φ30～φ60尺寸精度≤±0.20mm。

5.根据权利要求1所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：所述钢材的金相组织为球状珠光体+铁素体，其中球状珠光体含量在85％以上，奥氏体晶粒度达到7级以上。

6.根据权利要求1所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材，其特征在于：所述钢材的截面硬度≤166HBW，截面硬度极差≤15HBW。

7.一种如权利要求1所述的良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材的制造方法，其特征在于：所述方法的制造流程为转炉—炉外精炼—RH真空脱气—连铸—连轧—剪切或锯切—堆冷—球化退火—精整—表面及内部探伤—包装。

8.根据权利要求7所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材的制造方法，其特征在于：轧制前将连铸坯加热至1200～1260℃，保温4小时及以上出炉，加热时严格控制炉内气氛和炉内残氧量，减少材料表面脱碳。

9.根据权利要求7所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材的制造方法，其特征在于：轧制工艺采用高精度三辊KOCKS轧机进行成品尺寸精确控制，轧制工艺采用在线控轧控冷的两相轧制工艺，开轧前进行高压水除鳞处理，轧制的开轧温度1100-1200℃，终轧温度720-880℃，中轧和精轧前后均采用在线穿水冷却，热轧材金相组织F+P+B，成品轧制采用高精度三辊KOCKS精轧轧机。

10.根据权利要求7所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材的制造方法，其特征在于：球化退火前组织的脱碳≤额定直径×0.5％，球化前圆钢截面上是由部分脱碳层和基础组织组成的，其中部分脱碳层的深度≤额定直径×0.5％，球化退火后圆钢截面上的部分脱碳层的深度少量增加，增加量约为额定直径×0.1％。

11.根据权利要求10所述的一种良好冷锻性能的变速器传动齿轴用钢棒材的制造方法，其特征在于：采用带保护气氛的连续式退火炉进行球化退火，退火工艺采用AC1+20℃～40℃保温10h以上然后经缓慢冷却，冷却速率控制在10-20℃/h以内。