CN114892071B - 一种新能源车用高温渗碳齿轮钢及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源车用高温渗碳齿轮钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.30％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～1.30％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Al：0.020～0.045％，N：0.010～0.020％，根据钢材淬透性或力学性能要求，可添加Cr、Mo、Ni一种合金元素或组合添加多种合金元素，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢材为一种低碳渗碳齿轮钢，采用Al细化晶粒，相比于其他细化晶粒元素，更经济且有利于提高钢材的纯净度。本发明制得的钢材用于制作新能源车高速齿轮，最终热处理时采用高温渗碳，缩短渗碳时间，缩短加工周期，提高生产效率，降低能耗，降低生产成本，该发明技术引领了行业发展动向。

Description

一种新能源车用高温渗碳齿轮钢及制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种新能源车用高温渗碳齿轮钢及制造方法。

背景技术

我国已是世界第一的汽车制造大国，同时应对气候变化已成为全球共识，从全球范围来看，交通运输是碳排放的重要领域之一，据国际能源署(IEA)统计数据，2020年交通运输领域碳排放约占全球碳排放总量的26％，承担着巨大的减排压力。故近年新能源车发展迅猛，正在迅速扩大市场占有率。新能源车齿轮及电机轴的转速往往比传统燃油车更高，转速由数千转/分钟提高至上万转/分钟，甚至数万转/分钟。转速的升高易导致在材料诸如不变形性非金属夹杂物等内部微缺陷处形成疲劳源，随着时间的推移，裂纹不断扩展导致失效，这对齿轮材料的纯净度提出了更高的要求。

同时面对日趋激烈的价格竞争及日益严峻的环保压力，齿轮高渗碳温度已成为齿轮加工的发展方向，提高渗碳温度可以显著缩短渗碳时间，提高生产效率、降低生产本，实现节能减排。在900℃以下时，碳原子活动能力非常低，很难进行扩散，在930℃左右出现拐点，碳原子在钢中的扩散速度随温度的升高而迅速提高，同样厚的渗层，980℃下渗碳所需时间约为930℃下渗碳的一半。但提高渗碳温度易导致晶粒异常长大，恶化零件性能。

传统高温渗碳齿轮钢用V、Ti、Nb一种细化晶粒元素或多种细化晶粒元素组合添加，但是V属于贵重金属，Nb也是贵重合金之一，且易导致材料表面裂纹，Ti的夹杂物尺寸偏大且棱角分明，对齿轮的疲劳寿命极为不利，所以研发一种纯净度高、适合高温渗碳的新能源车用齿轮钢，该钢种用铝细化晶粒，能综合协调钢材的纯净度、高温渗碳晶粒度及经济性等性能，引领行业技术发展方向，显得意义尤为重大。

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新能源车用高温渗碳齿轮钢及制造方法，该钢材具有高纯净度，且用Al细化晶粒能达到高温渗碳的目的。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种新能源车用高温渗碳齿轮钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.30％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～1.30％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Al：0.020～0.045％，N：0.010～0.020％，根据钢材淬透性或力学性能要求，可添加Cr、Mo、Ni一种合金元素或组合添加多种合金元素，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明钢材为一种低碳渗碳齿轮钢：抗拉强度≥900MPa。本发明钢材具有高纯净度，特别控制B类夹杂物≤1.5级，D类夹杂物≤1.0级，确保新能源车用高转速齿轮的疲劳寿命。同时本发明所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢，为了实现齿轮的高温渗碳，缩短渗碳时间，需控制材料在高温状态下晶粒不发生粗化。所以在选择细化晶粒元素及其含量时显得尤为关键。传统高温渗碳齿轮钢用V、Ti、Nb一种细化晶粒元素或多种细化晶粒元素组合添加，但是V属于贵重金属，Nb也是贵重合金之一，且易导致材料表面裂纹，Ti的夹杂物尺寸偏大且棱角分明，对齿轮的疲劳寿命极为不利。故本发明选择添加Al作为细化晶粒元素。

本发明钢材的各元素设计原理如下：

C：0.15～0.30％。C是用于确保强度有效又经济的合金元素。本发明钢种为一种低碳渗碳齿轮钢。C含量设定范围为0.15～0.30％。

Si：0.15～0.35％。Si在炼钢时作为脱氧元素，同时Si在钢中有很强的固溶强化作用，能够显著地提高铁素体强度，需控制在合理范围内。Si含量设定范围为0.15～0.35％。

Mn：0.60～1.30％。Mn作为脱氧剂作用的元素，通过固溶强化提高钢材的强度，添加一定量的Mn对确保材料的力学性能非常重要。此外Mn将钢中的S等结合形成硫化物系夹杂物，在胀断时发挥切口效应，使胀断性提高。另一方面Mn易偏析，对钢的过热敏感，Mn含量过高，易生成贝氏体组织，切削性及胀断性均会降低。本发明中的钢材Mn 含量范围设定为0.60～1.20％。

S：≤0.030％。S是易切削元素。与钢中的Mn形成MnS或者含MnS的复合夹杂物，从而提高材料切削加工性能，降低切削成本。含硫夹杂物通常熔点较低，S含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。根据加工要求不同，可适当添加一定含量的S，但S含量设定范围为≤0.030％。

P：≤0.030％。P在钢种通常是有害元素，会增加钢材脆性，恶化钢材性能，本发明钢材P含量设定范围为≤0.030％。

Al：0.020～0.045％。Al是本发明中关键元素，起细化晶粒的作用，本发明钢材后续需高温渗碳，需确保钢中均匀性、弥散析出细小的AlN质点。所以需要添加一定含量的Al，但Al过高，易导致钢中氧化铝夹杂物增多，恶化钢材纯净度。本发明中的钢材Al 含量设定范围为0.020～0.045％。

N：0.010～0.020％。N也是本发明中关键元素，与钢中的Al结合生成AlN质点钉扎晶粒起细化晶粒的作用，N的添加量视Al而定，尽可能地让钢中的Al和N结合生成AlN。本发明中的钢材N含量设定范围为0.010～0.020％。

根据钢材淬透性或力学性能要求，可添加Cr、Mo、Ni一种合金元素或组合添加多种合金元素，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明除了以上成分设计以外，炼钢过程控制钢材的纯净度以及后续轧制过程中控制细化晶粒物质，即起钉扎晶粒作用的AlN粒子的形貌，使其均匀细小地析出，在齿轮最终渗碳热处理时充分发挥细化晶粒的作用，都显得极为关键。

本发明的另一目的在于提供上述一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，主要包括如下具体流程：

冶炼、连铸、坯料加热、热轧、冷却，

冶炼是本发明的关键工序之一。新能源用齿轴/齿轴转速由传统燃油车的数千转提高到上万转，甚至更高，必须控制钢材的纯净度，降低B类、D类夹杂物的级别。采用铁水和废钢作为原材料，废钢加入量≤10％，以控制残余元素的含量。炼钢采用高性能特种渣料，控制钢材各类夹杂物的数量及形态，同时去除有害夹杂，特别是外来大颗粒夹杂物；冶炼前期快速升温脱碳和少流渣，并控制较高的氧化终点温度，出钢采用留钢留渣操作，出钢1/4后向钢包中加入特种石灰等造渣剂，控制钢水的氧化性，使得进入后续LF精炼炉中氧含量为70ppm。LF精炼时，加入特种合成渣；送电约10分钟后喂入铝线约1m/t，再采用铝、碳化硅、碳粉等脱氧材料联合脱氧，脱氧时间确保28min以上。连铸时采用大包-长水口-中间包-结晶器-二冷-矫直-切割-缓冷工艺。连铸时采用中间包感应加热，对钢水起轻搅拌作用，同时实现地过热度控制，整个浇注过程钢水过热度为15～25℃。以利于钢水中夹杂物的上浮，长水口及中间包采用氩气密封保护，氩气流量应稳定控制，以确保钢水隔绝空气，又不至于氩气刘扰动钢水。结晶器采用电磁搅拌，通过电磁微搅拌，搅拌频率为1～2Hz，电流强度为150～200A。使结晶器内钢水更加有序流动，进一步利于夹杂物上浮，被结晶器保护渣捕捉。连铸采用390mm*510mm 大断面矩形坯，以利于结晶器液面波动稳定，液面波动值控制在4％K(K为结晶器铜管有效高度系数)，使钢水在结晶器中停留时间延长，夹杂物在结晶器中有充分的时间上浮，夹杂物数量得到有效控制。炼钢过程是本发明钢材的关键之一，目的是控制钢材中夹杂物的数量与尺寸，避免齿轮在长期高速运转的服役条件下因夹杂物引起微裂纹，导致零件失效。

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在700～820℃，加热段温度控制在 900～980℃，均热段温度控制在1000～1060℃。为坯料充分均匀受热，总加热时间300min及以上。其中预热段时间需≥90分钟，实现缓慢加热，确保钢种的铝氮充分固溶，在后续轧制及冷却时再析出，形成阻碍晶粒长大的钉扎粒子。降低坯料加热时产生的热应力及组织应力，同时控制AlN的固溶析出行为，该加热工艺为关键工艺之一，降低加热温度，实现低温轧制，利于控制钢材中ALN质点的形貌、分布。在连铸及坯料加热过程中，是控制AlN质点析出的关键阶段，为后续的加工及齿轮加工时材料内AlN控制打下基础，确保最终渗碳热处理时AlN的形貌分布，控制最终材料的晶粒度。

高压水除鳞后进行单相区轧制，开轧温度为920～960℃。然后采用17机架连续轧制，轧制过程中采用穿水箱控轧，确保轧制过程中AlN粒子的稳定；控制终轧温度在765～820℃；

坯料出高压水除鳞后钢材进行粗轧及中轧，中轧过后的1#、2#、3#三组穿水箱穿水控冷是轧制的关键控制点。中轧后分布1#水箱进行喷雾冷却，预精轧后分布2#、3#水箱，其中1#水箱采用开启度为50～75％，进行较强的冷却，随后进入预精轧，出预精轧后马上使用2#、3#水箱再次进行较强的冷却，冷却水开启度为40～60％之间，控制进精轧机组的来料温度在740～830℃之间，1#、2#、3#水箱主要分布在中轧后及预精轧后，该轧制段钢材温度都在740℃以上，该温度区域内钢材都处在奥氏体，尚未发生组织转变，该区段虽然无组转变，但对AlN粒子析出却极为关键，通过控制1#、2#、3#水箱的冷却强度使钢材温度快速降低，从1#水箱至3#水箱，该段钢材温度下降约120℃，平均冷速约达20℃/s。AlN粒子析出过冷度加大，增加析出驱动力，利于AlN粒子快速析出，研究表明，AlN粒子析出速度越快，其分布越弥散、颗粒越细小、数量越多。出3#水箱后材料继续进行精轧，由于轧制速度较快，钢材有一定的回温，轧制结束时钢材温度在 765～820℃，确保在终轧时钢材为奥氏体组织，实现单相区轧制。

棒材轧制与板材轧制不同，板材轧制后一般都是直接使用，所以必须要控制板材的性能和组织，棒材轧制后，通长都要加热锻造成形，所以对轧制棒材的组织要求不高，通长中低碳低合金钢棒材的轧制组织都是铁素体+珠光体。

轧制结束后，钢材上冷床进行自然冷却，平均冷速控制在40～60℃/min，冷却太快钢材易形成贝氏体甚至马氏体的非平衡组织，导致钢材弯曲度加重甚至开裂等不良影响；冷却速度太慢，轧制段析出的AlN粒子易长大粗化，控制终冷温度在400℃左右，随后将材料进行锯切，锯切后自由冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过高纯净钢方法冶炼，低温浇铸，加热轧制、加热时缓慢加热，进行低温加热低温轧制，轧制过程中采用穿水控轧，控制钢材中AlN质点均匀、细小、弥散地分布，AlN粒子平均粒度约100nm，对材料后续的高温渗碳晶粒度控制十分有利，钢材获得铁素体+珠光体的金相组织。按上述制造过程生产出的钢材，钢材强度≥900MPa；B类夹杂物≤1.5级、D类夹杂物≤1.0级；钢中的细化晶粒物质AlN粒子均匀、细小、弥散析出；材料经过980℃*3h保温后水淬，晶粒度≥7.0级。本申请的钢材同时具有强度高、高纯净及高温渗碳晶粒细小的特点，该发明钢材用于制作新能源车用高温渗碳齿轮/齿轴。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的微观组织图。

图2为本发明实施例1中一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的AlN质点的形貌、分布图片。

图3为本发明实施例1中一种新能源车用高温渗碳齿轮钢在980℃下保温3h后水淬后的晶粒度照片。

具体实施方式

下面结合实例对本发明内容作进一步说明。

实施例1-3

按下面工序制造本发明实施例1-3中一种新能源车用高温渗碳齿轮钢：

1)冶炼：100吨炼钢炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，各化学元素质量百分比严格按要求控制。

2)连铸：连铸成390mm×510mm的大方坯，控制中间包过热度为10～25℃。所得连铸坯化学成分百分比见下表1所示：

表1.(wt.％,余量为Fe及其他不可避免的杂质元素)

3)加热：坯料在步进式加热炉中加热，包括预热段、加热段、均热段，其中预热段温度控制在760～860℃，加热段温度控制在900～980℃，均热段温度控制在1000～ 1060℃，总加热时间300min以上。

4)热轧：开轧温度为920～960℃，轧制过程中穿水控轧，终轧温度为760～820 ℃。

5)冷却：轧制后上冷床自然冷却，平均冷速控制在40～60℃/min，锯切后自然冷却至室温。

上述各实施例中的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法具体工艺参数如下表2所示：

表2.(加热、热轧、冷却的具体工艺参数)

对实施例1中的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢进行相关测试，测得的相关性能如下：B类夹杂物0.5级、D类夹杂物0.5级；抗拉强度987MPa；轧材取样后在980℃*3h水淬后晶粒度7.5级。说明实施例中钢材强度满足设计要求，纯净度高，且980℃*3h水淬后为细晶。该发明钢材适用于制作新能源车用高温渗碳齿轮/齿轴。

图1显示了实施例1中的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的金相组织。从图1可知，该连杆用钢的微观组织为铁素体+珠光体。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：所述钢的化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.30%，Si：0.15～0.35%，Mn：0.60～1.30%，P：≤0.030%，S：≤0.030%， Al：0.020～0.045%，N：0.010～0.020%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述制造方法的具体流程包括：冶炼、连铸、坯料加热、热轧、冷却，其中，

冶炼采用高性能精炼合成渣，控制钢材各类夹杂物的数量及形态，同时去除有害夹杂；脱氧时间≥28min，保证外来大颗粒夹杂物的去除；通过精炼渣和中间包保护渣吸附夹杂物；

连铸采用中间包感应加热，采用390mm*510mm大方坯浇铸，采用低过热度浇铸，过热度控制在10～25℃；

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在700～820℃，预热段时间≥90分钟；加热段温度控制在900～980℃；均热段温度控制在1000～1060℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间≥300min，实现低温加热低温轧制；

采用粗轧、中轧、预精轧和精轧的分段轧制方式，轧制时采用穿水控冷在单相区进行轧制，开轧温度为920～960℃，控制终轧温度在765～820℃；坯料出高压水除鳞后钢材进行粗轧及中轧，中轧过后的1#、2#、3#三组穿水箱穿水控冷，中轧后分布1#水箱，预精轧后分布2#、3#水箱，其中1#水箱采用开启度为50~75%，出预精轧后马上使用2#、3#水箱再次进行较强的冷却，冷却水开启度为40~60%之间，控制进精轧机组的来料温度在740～830℃之间，从1#水箱至3#水箱，该段钢材温度下降120℃，平均冷速达20℃/s；

轧制结束后，钢材上冷床进行自然冷却，控制终冷温度在400℃，随后将材料进行锯切，锯切后自由冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：所述钢材中添加Cr、Mo、Ni一种合金元素或组合添加前述多种合金元素。

3.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：所述钢材的金相组织构成为铁素体+珠光体的金相组织。

4.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：所述钢材的强度≥900MPa；B类夹杂物≤1.5级、D类夹杂物≤1.0级；钢中的细化晶粒物质AlN粒子均匀、细小、弥散析出；材料经过980℃*3h保温后水淬，晶粒度≥7.0级。

5.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：冶炼前期快速升温脱碳和少流渣，并控制较高的氧化终点温度，出钢采用留钢留渣操作，出钢1/4后向钢包中加入造渣剂，控制钢水的氧化性，使得进入后续LF精炼炉中氧含量为70ppm；LF精炼时，加入合成渣；送 电10分钟后喂入铝线1m/t，再采用脱氧材料联合脱氧，脱氧时间确保28min以上。

6.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：连铸时采用大包-长水口-中间包-结晶器-二冷-矫直-切割-缓冷工艺，连铸时采用中间包感应加热，对钢水起轻搅拌作用，同时实现地过热度控制，整个浇注过程钢水过热度为15～25℃，结晶器采用电磁搅拌，通过电磁微搅拌，搅拌频率为1～2Hz，电流强度为150～200A，控制结晶器液面波动值控制在4%K，K为结晶器铜管有效高度系数。

7.根据权利要求1所述的一种新能源车用高温渗碳齿轮钢的制造方法，其特征在于：钢材轧制结束后在冷床上的平均冷速控制在40～60℃/min。