CN114959462A - 一种新能源汽车电机轴用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车电机轴用钢及其制造方法，产品钢的金相组织为铁素体和珠光体，金相组织图中铁素体占比为60％‑70％，圆钢头尾铁素体组织占比极差≤5％；圆钢带状组织为1.0级‑2.0级且圆钢头尾带状组织极差≤0.5级，圆钢表面脱碳层深度≤0.5％D，D为圆钢的直径。圆钢硬度为135HBW‑155HBW，且圆钢头尾硬度极差≤5HBW。制造流程：初炼→精炼→真空脱气→铸造→加热→轧制→入炉冷却→出炉空冷。

Description

一种新能源汽车电机轴用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种钢冶炼与轧制的技术领域，具体涉及一种新能源汽车电机轴用钢及其制造方法。
背景技术
新能源汽车电机轴，新能源汽车的电机轴是新能源汽车的重要零件之一，它是传递转矩、带动转子各部件旋转的主要部件。电机轴必须有足够的机械强度和精度，才能完成电机功率的传递，使电机运行时不发生振动或定、转子相擦现象。其性能好坏直接影响到新能源汽车动力系统的运行。传统的电机轴采用热锻后渗碳淬火的工艺，该工艺制造的电机轴尺寸精度一般，采用冷锻后渗碳淬火的工艺制造的新能源电机轴具有尺寸精度高，产品机械性能好，生产效率高等优点。开发适用于冷锻加工的钢材可以提高新能源汽车电机轴的加工精度，并降低加工能耗。
专利公开号CN 104313298 A公开了一种轴承钢连铸坯的冷装加热方法，该方法包括预热Ⅰ段、预热Ⅱ段、加热Ⅰ段、加热Ⅱ段和均热段。本发明在不产生过烧、不产生表面裂纹、保证碳化物均匀性达标的前提下，满足了轴承钢连铸坯的冷装加热、轧制生产。
发明内容
本申请的目的在于提供一种新能源汽车电机轴用钢及其制造方法，圆钢的硬度为135HBW-155HBW，且每根圆钢头尾硬度极差≤5HBW；每根圆钢由铁素体与珠光体组成，其中金相组织图中铁素体的占比为60％-70％，圆钢头尾铁素体组织占比极差≤5％；圆钢带状组织为1.0级-2.0级，且每根圆钢头尾带状组织极差≤0.5级。圆钢表面无裂纹缺陷，脱碳层深度≤0.5％D，D为圆钢的直径。
本申请产品钢所采用的化学成分按重量百分比为C:0.13～0.18％，Si:＜0.05％，Mn:0.55～0.80％，Cr:0.85～1.05％，P:≤0.015％,S:≤0.010％,Al:0.020～0.045％，N:0.008～0.021％，0.06％≤(Cu+Ni+Mo)≤0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：
C:钢中碳含量是保证钢材淬透性J3mm的首要元素，同时也是影响热轧圆钢硬度的首要元素，为保证钢材J3mm＝36～40HRC，圆钢硬度为135-155HBW提供了一定的基础。因此，本发明中的钢材采用低碳设计，碳的含量选择范围为C:0.13～0.18％。
Si:硅元素会导致钢材冷锻过程发生冷作硬化现象，增加冷锻过程钢材开裂的风险；同时随着Si含量的增加钢材渗碳过程越容易发生晶间氧化。因此，本发明严控Si含量，Si含量的选择范围为Si＜0.05％。
Mn:钢中加入适量的锰合金，可以适度提高钢材的淬透性。但是当锰含量超过0.80％时，钢材的冷锻性能会显著下降。因此，本发明中的Mn含量选择范围为0.55～0.80％。
Cr:铬的主要作用是固溶强化基体，细化组织，显著提升钢加热过程中抗氧化的效果，但是过高的铬会降低钢材的延展性，不利于钢材的冷加工。因此，本发明中的Cr含量选择范围为0.85～1.05％。
P:磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，降低钢材的塑性，使冷锻性能变差。因此，本发明P含量的选择范围为P≤0.015％。
S:使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在连铸和轧制时导致钢材形成裂纹。因此，本发明S含量的选择范围为S≤0.010％。
Al:作为脱氧剂与细化晶粒的元素在精炼脱硅完成后加入钢水中。本发明的Al含量选择范围为0.020～0.045％。
N:作为细化晶粒的元素加入钢中，与钢中的Al元素与N元素相结合形成AlN质点，该AlN质点可以钢材加热过程中起到钉扎晶界的作用，从而细化了钢材的奥氏体晶粒度。因此，钢中的N含量选择范围为N:0.008～0.021％。
(Cu+Ni+Mo):Cu、Ni、Mo属于钢中的残余元素，稳定控制(Cu+Ni+Mo)三者的总含量有利于减小钢材淬透性的波动，达到控制钢材淬透性稳定性的目的。因此，本发明的(Cu+Ni+Mo)含量选择范围为0.06％≤(Cu+Ni+Mo)≤0.08％。
上述新能源汽车电机轴用钢的制造方法，包括：
步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼、真空脱气，初炼过程对钢水吹氧脱硅，初炼出钢前硅含量降低至0.01％以下；精炼采用底吹气氛的方式搅拌钢水，促使钢水的硅元素进一步被氧化，待钢水中硅的含量降低至0.05％以下后加入铝进行脱氧，精炼后期对钢水中Cu、Ni、Mo三者的总含量进行调整；真空脱气结束后通过底吹氮提升钢水中的氮含量；
步骤二、浇铸：将步骤一的钢水浇铸成钢坯；
步骤三、轧前加热：组织完全奥氏体化，铸坯头尾温差控制在5℃以内；
步骤四、轧制：将加热后的铸坯轧制成圆钢；
步骤五、冷却：轧制结束后的高温圆钢入炉缓冷，圆钢入炉温度为850-870℃，圆钢在炉内温降速度为4-5℃/min，圆钢炉内冷却过程头尾温差控制在5℃以内，圆钢冷却至550℃后出炉空冷。
优选地，步骤一，精炼前期加入低硅锰铁与低硅铬铁合金，调节锰和铬的含量；精炼过程采用底吹氩气的方式搅拌钢水，精炼后期依据钢水中Cu+Ni+Mo的含量，加入铜粒以调整钢中Cu+Ni+Mo总含量至设计范围，保证钢材淬透性的稳定性。
优选地，步骤一，采用RH炉真空脱气，高真空度为60-90Pa,在该真空度下处理10-15分钟。
优选地，步骤二，采用连铸工艺将钢水浇铸成厚度为240mm以上的正方形方坯，连铸坯堆冷至室温。
优选地，步骤三，铸坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为720℃，铸坯表面升温速率为5.5-6.8℃/min，铸坯表面加热至720℃后保温1h以上；加热段炉温设定为1150℃，铸坯表面升温速率6.6-7.1℃/min,铸坯表面加热至1150℃后保温1.5h以上；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.3-7.9℃/min，铸坯表面加热至1220℃后保温2h以上；从而有效降低铸坯的应力，提升铸坯组织的均匀性，促使加热与后续轧制过程不产生表面裂纹。铸坯出加热炉后使用火焰清理去除铸坯表面脱碳层与振痕缺陷，火焰清理深度为2mm以上。
优选地，步骤四，轧制全程都在奥氏体相区，轧制依次分为粗轧、中轧和精轧阶段，粗轧和中轧的压缩比为2-3，精轧的压缩比为1.2-2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)针对汽车电机轴用钢要求，元素成分上采用低碳、低硅设计，C:0.13～0.18％，Si:＜0.05％)，并且稳定控制钢中(Cu+Ni+Mo)的总量在0.06～0.08％，连铸坯采用合适的加热工艺进行加热，加热后的铸坯头尾温差控制在5℃之内，加热与轧制过程不产生表面裂纹，轧制结束后入炉缓冷，控制圆钢在炉内的温降速度以及冷却过程的头尾温差。
(2)所生产的圆钢，具有硬度较低且组织均匀；带状组织等级低且分布均匀；圆钢表面无裂纹缺陷，脱碳层较浅等特点。圆钢硬度为135HBW-155HBW，且每根圆钢头尾硬度极差≤5HBW；圆钢带状组织为1.0级-2.0级，且每根圆钢头尾带状组织极差≤0.5级。圆钢表面无裂纹缺陷，脱碳层深度≤0.5％D(D为圆钢的直径)；钢材组织为均匀的铁素体与珠光体，每根圆钢由铁素体与珠光体组成，其中铁素体占比为60％-70％，圆钢头尾铁素体组织占比极差≤5％。可用于冷锻制造新能源汽车电机轴。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解的是，所述实施例的内容的示例性的，旨在解释或帮助理解本申请的发明构思，不应理解为对本申请的限制。
实施例1与实施例2：
两实施例所涉及的新能源汽车电机轴及其制造方法：100t转炉→100t精炼→RH炉真空脱气→连铸方坯(240mm*240mm)→三段式加热炉加热→铸坯表面火焰清理→轧制→入炉冷却→出炉空冷。分别制造两个批次φ60mm、φ65mm的新能源汽车电机轴用钢。
上述实施例1的加热炉加热与冷却的具体工艺为：连铸坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为720℃，铸坯表面升温速率为5.8-6.2℃/min，铸坯表面加热至720℃后保温1h；加热段炉温设定为1150℃，铸坯表面升温速率6.8-7.0℃/min,铸坯表面加热至1150℃后保温1.5h；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.4-7.7℃/min，铸坯表面加热至1220℃后保温2h，加热后的铸坯头尾温差控制在3.5℃以内。铸坯加热结束后出加热炉，使用火焰清理去除铸坯表面脱碳层与振痕缺陷，火焰清理深度为2mm。火焰清理后的铸坯进行轧制，轧制结束后的高温圆钢入炉缓冷，圆钢入炉温度为863℃，圆钢炉内温降速度为4.3-4.6℃/min，圆钢冷却过程头尾温差控制在4.5℃以内，圆钢冷却至550℃后出炉空冷。
上述实施例2加热炉加热与冷却的具体工艺为：连铸坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为720℃，铸坯表面升温速率为5.9-6.3℃/min，铸坯表面加热至720℃后保温1h；加热段炉温设定为1150℃，铸坯表面升温速率6.7-7.0℃/min,铸坯表面加热至1150℃后保温1.5h；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.6-7.9℃/min，铸坯表面加热至1220℃后保温2h，加热后的铸坯头尾温差控制在3.9℃以内。铸坯加热结束后出加热炉，使用火焰清理去除铸坯表面脱碳层与振痕缺陷，火焰清理深度为2mm。火焰清理后的铸坯进行轧制，轧制结束后的高温圆钢入炉缓冷，圆钢入炉温度为865℃，圆钢炉内温降速度为4.2-4.7℃/min，圆钢冷却过程头尾温差控制在4.3℃以内，圆钢冷却至550℃后出炉空冷。
实施例1和2制得的圆钢化学成分见表1。
表1(wt％)
C Si Mn Cr P S Al N (Cu+Ni+Mo)
实施例1 0.15 0.03 0.66 0.93 0.008 0.002 0.032 0.0151 0.06
实施例2 0.16 0.02 0.67 0.92 0.009 0.003 0.035 0.0147 0.07
实施例1和2制得的圆钢淬透性与硬度见表2。
表2
公称直径 J3mm 圆钢头部硬度 圆钢尾部硬度 圆钢头尾硬度极差
实施例1 φ60mm 37.6HRC 139HBW 143HBW 4HBW
实施例2 φ65mm 38.2HRC 147HBW 144HBW 3HBW
实施例1和2制得的圆钢规格和金相组织见表3。
表3
公称直径 圆钢头尾铁素体组织含量 头尾铁素体含量极差
实施例1 φ60mm 头部：64％；尾部：67％ 3％
实施例2 φ65mm 头部：68％；尾部：66％ 2％
实施例1和2制得的圆钢的带状组织评级见表4。
表4
公称直径 头部带状组织 尾部带状组织 头尾带状组织极差
实施例1 φ60mm 1.5级 1.5级 0级
实施例2 φ65mm 1.5级 1.0级 0.5级
实施例1和2制得的圆钢表面无裂纹缺陷，脱碳层深度分别为0.15mm与0.18mm。
本发明采用低碳、低硅设计，本发明成分上采用低碳、低硅设计(C:0.13～0.18％，Si:＜0.05％)，并且稳定控制钢中(Cu+Ni+Mo)三者的总量在0.06～0.08％，连铸坯采用合理的加热工艺进行加热，加热后的铸坯头尾温差控制在5℃之内，有效降低铸坯的应力，提升铸坯组织的均匀性，加热与轧制过程不产生表面裂纹，轧制结束后入炉缓冷，控制圆钢在炉内的温降速度以及冷却过程头尾温差。通过合理的炼钢与轧钢控轧控冷工艺制造了一种新能源汽车电机轴用钢，填补了国内的空白。
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 (9)

1.一种新能源汽车电机轴用钢，其特征在于：金相组织为铁素体和珠光体，金相组织图中铁素体占比为60％-70％，圆钢头尾铁素体组织占比极差≤5％；圆钢带状组织为1.0级-2.0级且圆钢头尾带状组织极差≤0.5级，圆钢表面脱碳层深度≤0.5％D，D为圆钢的直径。
2.根据权利要求1所述的钢，其特征在于：圆钢硬度为135HBW-155HBW，且圆钢头尾硬度极差≤5HBW。
3.根据权利要求1所述的钢，其特征在于：化学成分按重量百分比为C:0.13～0.18％，Si:＜0.05％，Mn:0.55～0.80％，Cr:0.85～1.05％，P:≤0.015％,S:≤0.010％,Al:0.020～0.045％，N:0.008～0.021％，0.06％≤(Cu+Ni+Mo)≤0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.一种制造权利要求1所述钢的方法，其特征在于：包括,
步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼、真空脱气，初炼过程对钢水吹氧脱硅，初炼出钢前硅含量降低至0.01％以下；精炼采用底吹气氛的方式搅拌钢水，促使钢水的硅元素进一步被氧化，待钢水中硅的含量降低至0.05％以下后加入铝进行脱氧，精炼后期对钢水中Cu、Ni、Mo三者的总含量进行调整；真空脱气结束后通过底吹氮提升钢水中的氮含量；
步骤二、浇铸：将步骤一的钢水浇铸成钢坯；
步骤三、轧前加热：组织完全奥氏体化，铸坯头尾温差控制在5℃以内；
步骤四、轧制：将加热后的铸坯轧制成圆钢；
步骤五、冷却：轧制结束后的高温圆钢入炉缓冷，圆钢入炉温度为850-870℃，圆钢在炉内温降速度为4-5℃/min，圆钢炉内冷却过程头尾温差控制在5℃以内，圆钢冷却至550℃后出炉空冷。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一，精炼前期加入低硅锰铁与低硅铬铁合金，调节锰和铬的含量；精炼过程采用底吹氩气的方式搅拌钢水，精炼后期依据钢水中Cu+Ni+Mo的含量，加入铜粒以调整钢中Cu+Ni+Mo总含量至设计范围，保证钢材淬透性的稳定性。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一，采用RH炉真空脱气，高真空度为60-90Pa,在该真空度下处理10-15分钟。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤二，采用连铸工艺将钢水浇铸成厚度为240mm以上的正方形方坯，连铸坯堆冷至室温。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤三，铸坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为720℃，铸坯表面升温速率为5.5-6.8℃/min，铸坯表面加热至720℃后保温1h以上；加热段炉温设定为1150℃，铸坯表面升温速率6.6-7.1℃/min,铸坯表面加热至1150℃后保温1.5h以上；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.3-7.9℃/min，铸坯表面加热至1220℃后保温2h以上；铸坯出加热炉后使用火焰清理去除铸坯表面脱碳层与振痕缺陷，火焰清理深度为2mm以上。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四，轧制全程都在奥氏体相区，轧制依次分为粗轧、中轧和精轧阶段，粗轧和中轧的压缩比为2-3，精轧的压缩比为1.2-2。
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