CN115094347B - 一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法、渗碳处理方法和应用 - Google Patents

一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法、渗碳处理方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法、渗碳处理方法和应用，成分：C：0.24‑0.30％，Si：0.17‑0.37％，Mn：1.00‑1.50％，Cr：1.50‑2.00％，Mo：0.30‑0.50％，Ni：1.00‑1.20％，Al：0.030‑0.040％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，T.O：≤10ppm，[N]：0.0090‑0.0120％，[H]≤1ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明未添加Nb、V、B等元素，降低成本；且末端淬透性高，经渗碳处理后旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa，扭转疲劳强度≥600MPa，具有高输出扭矩。

Description

一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法、渗碳处理方法和 应用
技术领域
本发明属于齿轮钢领域，涉及一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法和应用，适用于制造高扭矩汽车变速输出齿轮用钢。
背景技术
随着我国“碳中和”与“碳达峰”计划实施，对汽车工业的设计、生产等流程产生了深远的影响，新能源汽车以其低污染、高效能等特点而成为未来汽车行业发展的重点方向。与传统燃油车相比，减/差速器齿轮转速高、瞬时扭矩大是制约新能源汽车发展的重要瓶颈，也是亟需解决的重点难题。
通常齿轮钢增加扭矩的技术包括提高合金含量，增加淬透性提高马氏体含量来提高扭矩；另一种技术方案是添加微合金化元素，如Nb、V来细化晶粒，提高扭矩，但这些技术方案带来的成本的增加，使得这些技术方案在推广时遇到巨大的阻力。
目前常用的新能源齿轮钢材料为17CrNiMo6齿轮钢，其淬透性控制范围J9：37-47HRC，J15：34-46HRC，J25：31-43HRC。但是随着高输出扭矩的需求，现有的齿轮钢材料性能剩余量已不足，无法满足未来新能源汽车设计需要。20Cr2Ni4性能虽然优于17CrNiMo6，但是合金成本太高，材料推广难度大，仅被少量应用。因此，有必要开发一种具有高淬透性、高输出扭矩、优异的强韧性能的低成本齿轮材料，以满足汽车行业对低成本高输出扭矩高性能齿轮钢的需求。
中国专利，公布号为CN108866439A，公开日为2018年11月23日的发明专利公开了一种Nb、Ti复合微合金化高温真空渗碳重载齿轮用钢，通过复合微合金化设计，提高了渗碳温度，细化了晶粒，但对淬透性并没有严格要求，尚无法满足低成本高输出扭矩高性能齿轮钢的需求。
中国专利，公布号为CN 104109816A，公布日为2014年10月22日的发明专利公布了一种高淬透性CrNiMo系齿轮钢，该发明通过提高Cr、Ni等元素在较高范围，有效的提高的材料的淬透性，淬透性可达到J9：40-46HRC，J15：39-44HRC，J25：38-44HRC；并通过Al和N的含量控制保证了渗碳过程中奥氏体晶粒不发生明显长大，提高渗碳合金钢的抗疲劳性能和综合力学性能。虽然淬透性得到了进一步提高，但Ni、Mo含量极高，还添加V、Nb等贵金属，成本大幅度增加，尚无法满足低成本高输出扭矩高性能齿轮钢的需求。
中国专利，公布号为CN107604253A，公布日为2018年1月19日的发明专利公布了一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，该发明通过提高C、Mn、Cr等元素在较高范围，含B有效的提高的材料的淬透性，淬透性可达到J9：40-46HRC，J15：34-40HRC，J25：30.5-33.5HRC；并通过Al和N的含量控制保证了渗碳过程中奥氏体晶粒不发生明显长大。虽然淬透性得到了进一步提高，尚无法满足低成本高输出扭矩高性能齿轮钢的需求。
目前CrNiMo系齿轮钢具有良好的强韧性，并且对CrNiMo系齿轮钢的开发中有了一定的技术积累，但目前无法做到提高淬透性、高输出扭矩，性能与20Cr2Ni4相当但成本大幅度降低的需求。因此迫切需要开发新的技术手段，提高淬透性、强韧性、高输出扭矩并且低成本的高性能齿轮钢，用来满足汽车行业的不断发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高扭矩输出齿轮用钢及其制造方法，未添加Nb、V、B等元素，降低成本；且齿轮用钢的末端淬透性J9：40-47，J15：40-45HRC，J25：39-44HRC。
本发明还提供了一种高扭矩输出齿轮用钢的渗碳处理方法，上述钢经渗碳处理后，旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa，扭转疲劳强度≥600MPa，具有高淬透性、强韧性、高输出扭矩。
本发明还有一个目的在于提供一种高扭矩输出齿轮用钢的应用，用于制造高扭矩汽车变速输出齿轮。
本发明具体技术方案如下：
一种高扭矩输出齿轮用钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.24-0.30％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.00-1.50％，Cr：1.50-2.00％，Mo：0.30-0.50％，Ni：1.00-1.20％，Al：0.030-0.040％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，T.O：≤10ppm，[N]：0.0090-0.0120％，[H]≤1ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述高扭矩输出齿轮用钢成分还满足：0.01％≤Alf＝Al-1.52×[N]≤0.030％，2.5≤Al/[N]≤5；其中，2.5≤Al/N≤5保证奥氏体AlN第二相能够析出足够的量保证晶粒度细小均匀，过多的Al容易引起AlN分布不均匀，引起混晶；自由Alf能够大幅度提高淬透性，但过高反而降低淬透性，其中[N]的系数重新进行了拟合修订，自由Alf提高淬透性的临界值为0.01％-0.030％，过低作用不大，过高反而降低淬透性。
本发明提供的一种高扭矩输出齿轮用钢的制造方法，包括以下工艺流程：
冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-精整成材。
所述冶炼是指电弧炉冶炼；
钢在精炼过程中充分脱氧，氧含量控制在10ppm以下，并在真空处理前期加入铝线进行调Al，保证符合自由铝的控制，严禁在真空处理后期对Al进行大幅度调整，这样既可以保证铝的含量，也能防止钢中夹杂物过多。
所述精整成材包括加热、轧制和缓冷。
所述加热为：钢坯在加热炉的均热温度控制在1230-1250℃、预热、加热和均热总时间控制6.0h-10.0h。
所述轧制，控制开轧温度1180-1200℃、终轧温度860-880℃。采用低温轧制，防止有马氏体生成，热扎态硬度保证在300HBW以下。
所述缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h，出坑后进行修磨扒皮，确保表面无脱碳、零缺陷。
本发明生产的高扭矩输出齿轮用钢，其末端淬透性J9：40-47，J15：40-45HRC，J25：39-44HRC。
本发明提供的一种采用本发明齿轮钢生产的高扭矩输出齿轮的渗碳处理方法，具体渗碳方法流程为：正火-渗碳后降温油淬-高温回火空冷-二次奥氏体化后油淬-低温回火。具体工艺为：先经过910-930℃正火处理，正火保温时间1±0.5h，然后在900-930℃进行渗碳处理，渗碳时间6-8h，渗碳后温度降低至840-880℃，保温30-40min后进行油冷淬火，淬火油温度为120-200℃，淬火后进行650-680℃高温回火，回火时间2±0.5h空冷，空冷后重新加热至830-860℃保温1-2h后油淬，淬火后进行160-180℃低温回火，回火时间不小于2h。
本发明生产的齿轮，渗碳处理后旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa，扭转疲劳强度≥600MPa。
本发明提供的一种高扭矩输出齿轮用钢的应用，用于制造高扭矩汽车变速输出齿轮。
本发明设计思路如下:
C：C是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素，并且成本较低，为了保证齿轮钢有足够的强度和足够的淬透性，需要提高C含量，并且C含量的提高有助于提高心部基体硬度，使得基体中马氏体板条中的碳含量增加，并且心部碳含量的提高有助于提高心部残余奥氏体的含量，残余奥氏体可以增加基体的协调变形能力，使得高扭矩的作用下协调变形，不易萌生裂纹，且马氏体硬度的提高远大于残余奥氏体提高带来的硬度降低，心部硬度的提高能够增加静扭强度，所以碳含量不低于0.24％，但过高的碳含量对韧性损伤较大，对于CrNiMo系齿轮钢碳含量不应高于0.30％。故确定碳含量在0.24-0.30％。
Si：Si是脱氧剂，同时通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提高齿轮钢的淬透性，Si的含量不能低于0.17％，但过量的硅使C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向使得渗碳层易氧化，故Si的含量不能高于0.37％。Si含量控制在0.17％-0.37％。
Mn：Mn可以扩大奥氏体相区，并且稳定奥氏体组织，提高钢的淬透性，但是Mn可溶于铁素体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性，钢在热轧时韧性变坏。Mn含量控制在1.00-1.50％。
Cr：Cr可提高钢的淬透性及强度，Cr在钢种和碳结合，形成碳化物，由于齿轮钢淬火后低温回火，并无大块的碳化物析出，均以细小的碳化物析出，析出的碳化物在马氏体板条间富集，抑制板条在应力下移动，马氏体中的位错可以缠结，提高强度和抗疲劳性能，故Cr含量不低于1.50％，但与此同时，过高的Cr会形成碳化物膜影响渗碳效果，降低渗碳层性能，故Cr的含量不能高于2.00％。Cr含量控制在1.50-2.00％。
Mo：Mo能明显提高钢的淬透性，防止回火脆性及过热倾向。此外，本发明中Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，并且Mo能细化晶粒。而Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，促进晶界铁素体薄膜的形成，不利于钢的热塑性，增加钢的再热裂纹倾向，且成本较高。因此，控制Mo含量为0.30-0.50％。
Ni：Ni能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能，具有提高钢材料疲劳强度的效果，Ni在本项目中另一个作用是提高层错能，位错跨过势垒提高，提高抗扭转性能，而Ni成本较高，且Ni含量过高会降低热加工后的切削性。故Ni含量控制在1.00-1.20％以内。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.030％时，作用不明显，高于0.040％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此需要特殊在炼钢过程中Al的加入时机加以调整，保证Al含量应控制在0.030-0.040％。
P和S：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的S，在不影响产品性能的同时，会明显改善齿轮钢的切削性能，而MnS同时具有细化晶粒的效果；P是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P：≤0.020％，S：≤0.020％。
T.O和[H]：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤10ppm；[H]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[H]≤1.0ppm。
[N]：能与Nb、B和Al等形成化合物，细化晶粒，合理的Al/[N]对晶粒细化明显作用，而过高的[N]会形成气泡等连铸缺陷，2.5≤Al/[N]≤5，保证晶粒细小并且均匀，保证一定比例的自由Alf存在。因此，[N]含量应控制在90-120ppm。
Alf＝Al-1.52×[N]为钢中自由铝含量，当自由铝高于0.010％时可以起到提高材料淬透性的作用，但当，自由铝含量超过0.030％时，对钢的淬透性提高作用不明显，因此，应控制在0.01％-0.030％。
钢的淬透性主要取决于过冷奥氏体稳定性的大小，过冷奥氏体愈稳定，钢的临界冷却速度越小，其淬透性就越大。影响过冷奥氏体稳定性的因素主要有钢的化学成分、奥氏体均匀性、奥氏体晶粒大小、及奥氏体化状态等。研究发现，Cr、Ni、Mo等合金元素可增加材料的淬透性、P、Sn等脆化晶界的残余元素的含量降低，和反复淬火以使结晶晶粒细化也有助于提高材料的淬透性。但是由于资源稀缺且价格昂贵，希望避免使用Ni、Mo等合金元素；追求P、Sn等的极端降低又需要对废钢进行严格筛选；此外虽然反复淬火是使结晶晶粒细化的有效方法，但是需要增加热处理时间并添加设备。一般添加Al可以作为脱氧剂，AlN同时有晶界钉扎效果，也可添加防止晶粒粗化。之前也有研究表明在奥氏体中自由的Al可以延迟奥氏体向铁素体的转变，其原因认为和Al在铁素体、奥氏体转变界面附近分布有关。但是关于Al提高淬透性的报告很少。
与现有技术相比，本发明主要是提高了碳含量，降低高成本的Ni含量，碳含量可以提高心部硬度，心部硬度提高1-2HRC，心部硬度的提高能够显著提高静扭强度，同时保证一定的Ni含量，不降低韧性；同时利用自由铝可以在一定程度上起到提高淬透性的作用，整体淬透性提高，有利于淬火后马氏体含量的提升；合金成本降低，淬透性提高，并且提高心部硬度，提高静扭强度，冶炼的时候对Al的加入时期进行了控制，禁止在真空后期大幅度调整Al含量，同时采用低温轧制，防止热扎态钢材有马氏体生成，造成加工困难。
附图说明
图1为实施例1齿轮钢典型热扎态组织；
图2为实施例1齿轮钢典型热扎态组织夹杂物；
图3为实施例2齿轮钢典型热扎态组织夹杂物。
具体实施方式
本发明采用特定成分的齿轮钢，共生产5炉本发明钢，并采用电弧炉冶炼-精炼-真空处理-连铸-精整成材，具体的，采用电弧炉冶炼，钢在精炼过程中充分脱氧，保证氧含量在10ppm以下，并在真空处理前期加入铝线进行调Al，保证符合自由铝的控制，严禁在真空处理后期对Al进行大幅度调整，这样既可以保证铝的含量，也能防止钢中夹杂物过多；钢坯在加热炉的均热温度控制在1230-1250℃、预热、加热和均热总时间控制6-8h；进行圆钢轧制，开轧温度：1180-1200℃，终轧温度860-880℃轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h，出坑后进行修磨扒皮，确保表面无脱碳、零缺陷。按照EN10084中的要求生产2炉18CrNiMo7-6钢作为对比钢，各实施例和对比例的具体配方如表1，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质，生产工艺参数表2所示。
表1本发明实施例、对比例化学成分(单位：[N]为ppm，其它为wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al [N] Alf Al/N
实施例1 0.25 0.29 1.05 0.011 0.016 1.77 0.47 1.03 0.035 97 0.020 3.6
实施例2 0.27 0.27 1.12 0.012 0.018 1.85 0.44 1.10 0.040 95 0.026 4.2
实施例3 0.29 0.30 1.25 0.016 0.015 1.92 0.45 1.18 0.032 90 0.018 3.6
实施例4 0.26 0.26 1.12 0.012 0.017 1.85 0.45 1.12 0.035 98 0.020 3.6
实施例5 0.27 0.27 1.13 0.016 0.018 1.92 0.42 1.16 0.037 105 0.021 3.5
对比例1 0.16 0.22 0.72 0.013 0.001 1.65 / 1.60 0.010 150 -0.013 0.7
对比例2 0.18 0.27 0.70 0.013 0.001 1.68 / 1.65 0.020 180 -0.017 1.1
注：表1各实施例、对比例钢成分中，T.O：≤10ppm，[H]≤1ppm。
表2各实施例、对比例轧钢生产工艺参数
表3为本发明实施例和对比例末端淬透性值，由表3能够看出，本发明实施例1-5所述齿轮钢淬透性控制J9、J15、J25值均在高扭矩汽车变速器输出齿轮用钢要求的范围内，与对比例相比淬透性相当，但成本更低。
表3本发明实施例末端淬透性值(HRC)
实施例 J9 J15 J25
要求 40-47 40-45 39-44
实施例1 44.5 43.2 40.2
实施例2 45.1 44.8 43.2
实施例3 44.3 44.7 43.5
实施例4 43.8 43.5 41.8
实施例5 44.7 44.2 43.2
对比例1 46.5 45.8 44.7
对比例2 47.0 46.0 44.5
图1、图2为实施例1热轧态组织和夹杂物情况，由于淬透性较高，热扎态组织主要为贝氏体组织，夹杂物尺寸主要为细小的球状Al2O3非金属夹杂物。
表4为实施例和对比例的钢进行860℃×1.5h+170℃×2h回火的力学性能，从表中可以看出晶粒度差别不大，实施例强度比对比例钢强度高100MPa。
表4热处理后齿轮钢晶粒度及力学性能
各实施例和对比例齿轮钢进行渗碳工艺处理：齿轮材料先经过910-930℃正火处理，正火保温时间1±0.5h，然后在930℃进行渗碳处理，渗碳时间6-8h，渗碳后温度降低至840-880℃保温，保温30-40min后进行油冷淬火，淬火油温度为120-200℃，淬火后进行650-680℃高温回火，回火时间2±0.5h空冷，空冷后重新加热至830-860℃保温1-2h后油淬，淬火后进行160-180℃低温回火，回火时间不小于2h。各实施例和对比例经过渗碳工艺处理后渗碳处理具体参数如表5，疲劳强度和扭转疲劳强度也见表6。
表5本发明实施例渗碳工艺
表6本发明实施例和对比例齿轮心部硬度及疲劳强度
通过实施例和对比例可以得到，只有在本发明配方和工艺条件下生产，才能达到本申请的效果，不仅提高心部硬度，而且旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa，扭转疲劳强度≥600MPa。

Claims (6)

1.一种高扭矩输出齿轮用钢，其特征在于，所述高扭矩输出齿轮用钢包括以下质量百分比成分:
C：0.24-0.30%，Si：0.17-0.37%，Mn：1.00-1.50%，Cr：1.50-2.00%，Mo：0.30-0.50%，Ni：1.00-1.20%，Al：0.030-0.040%，P：≤0.020%，S：≤0.020%，T.O：≤10ppm，[N]：0.0090-0.0120%，[H]≤1ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述高扭矩输出齿轮用钢成分还满足：0.01%≤Alf=Al-1.52×[N]≤0.030%，2.5≤Al/[N]≤5；
所述的高扭矩输出齿轮用钢的制造方法，包括精整成材；
所述精整成材包括加热、轧制和缓冷；
所述加热为：钢坯在加热炉的均热温度控制在1230-1250℃、预热、加热和均热总时间控制6.0h-10.0h；
所述轧制，控制开轧温度1180-1200℃、终轧温度860-880℃；
所述缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h；所述高扭矩输出齿轮用钢的渗碳处理方法，包括：先正火处理，然后在900-930℃进行渗碳处理，渗碳时间6-8h，渗碳后温度降低至840-880℃，保温30-40min后进行油冷淬火，再进行高温回火，650-680℃，回火时间2±0.5h，空冷后，再加热至830-860保温1-2h后油淬，淬火后进行低温回火；
所述高扭矩输出齿轮用钢经渗碳处理后旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa，扭转疲劳强度≥600MPa。
2.根据权利要求1所述的高扭矩输出齿轮用钢，其特征在于，所述高扭矩输出齿轮用钢，其末端淬透性J9：40-47，J15：40-45HRC，J25：39-44HRC。
3.一种权利要求1或2所述的高扭矩输出齿轮用钢的制造方法，其特征在于，所述精整成材包括加热、轧制和缓冷；所述加热为：钢坯在加热炉的均热温度控制在1230-1250℃、预热、加热和均热总时间控制6.0h-10.0h；所述轧制，控制开轧温度1180-1200℃、终轧温度860-880℃；所述缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h。
4.一种权利要求3所述制造方法制造的高扭矩输出齿轮用钢的渗碳处理方法，其特征在于，所述碳处理方法包括：先正火处理，然后在900-930℃进行渗碳处理，渗碳时间6-8h，渗碳后温度降低至840-880℃，保温30-40min后进行油冷淬火，再进行高温回火，空冷后，再加热保温后油淬，淬火后进行低温回火；所述高温回火650-680℃，回火时间2±0.5h；所述再加热保温后油淬是指加热至830-860保温1-2h后油淬。
5.根据权利要求4所述的渗碳处理方法，其特征在于，所述低温回火是指淬火后进行160-180℃低温回火，回火时间不小于2h。
6.一种权利要求1或2所述的高扭矩输出齿轮用钢的应用，其特征在于，所述高扭矩输出齿轮用钢用于制造高扭矩汽车变速输出齿轮。
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