CN116555662B

CN116555662B - 一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢及制造方法

Info

Publication number: CN116555662B
Application number: CN202310248757.1A
Authority: CN
Inventors: 曹红福; 吴小林; 白云; 孙鸿平; 卢明霞; 杨高成; 惠世杰; 顾铁; 朱志龙; 顾秋豪; 刘学文
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2023-03-15
Filing date: 2023-03-15
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2043-03-15
Also published as: CN116555662A

Abstract

本发明涉及一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢，化学成分重量百分比为C：0.25～0.31％，Si≤0.10％，Mn：0.80～1.10％，Cr：0.90～1.20％，Mo：0.15～0.25％，Ni:0.30～0.40％，S：0.020～0.040％，P≤0.025％，Cu≤0.20％，Al:0.015‑0.050％，Ti≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明钢经热处理后的试样力学性能满足：抗拉强度≥1600MPa，屈服强度≥1500MPa，伸长率≥8，冲击功AKu≥50J，淬透性J9＝45‑52HRC、J15＝37‑45HRC，在950℃×4小时下具有细于6级的晶粒度。钢材等温退火后的组织为F+P，带状组织≤3级，交货硬度150‑190HBW，适用于齿轮/或齿轮轴用冷挤压等温退火钢材的制造方法。

Description

一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢及制造方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢及制造方法。

背景技术

汽车变速器齿轮用钢牌号较多，国内主要以20CrMnTi钢种为主。随着中国汽车工业的迅速发展，引进当时国外汽车产线的同时，也引进了国外汽车品牌变速器齿轮用钢，如德国的MnCr5系列、美国的CrNiMo系列、日本的Cr系列及CrMo系列钢种等。这些钢种的引进对丰富我国渗碳齿轮钢种起到了重要作用，同时我国自主品牌汽车及钢铁生产企业的研发能力也在不断提升，期间根据各公司的生产装备及工艺研发了大量的新型齿轮钢种，对提升企业的竞争力及效益取得了较好效果。

近年来，由于环保及成本因素，冷挤压工艺在国内发展迅速。冷锻工艺制造的齿轮具有使金属强化而零件的强度提高，冷锻件表面质量好，尺寸精度高，代替一些切削加工等优点。由于国内钢铁生产企业不能提供以等温退火或球化退火状态交货的钢材，齿轮冷锻企业只能采用钢材先锯切成小料段再等温退火或球化退火处理后进行冷锻，致使齿轮生产企业的效率低、成本较高，已不能满足齿轮冷锻企业发展的需求。

公开号为CN111424219B的发明专利公开了一种可直接冷锻加工的齿轴钢的制造方法，包括钢水组分为C：0.15～0.45％，Si：≤0.35％，Mn：0.60～1.40％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：0.60～1.40％％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；通过控制轧制，得到铁素体和珠光体的微观结构。该过程对控轧控冷的装备及技术要求高，控制不当会造硬度及组织通条性差，难以大量应用。

公开号为CN111518996A的发明专利公开了一种18CrNiMo7-6钢材的热处理方法。该方法为对由18CrNiMo7-6钢锭锻造成的圆棒进行退火处理；所述退火处理中，先将所述圆棒升温至第一保温温度并在该第一保温温度下保温，然后风冷至第二保温温度并在该第二保温温度下保温，最后冷却，其中，所述第一保温温度为≥800℃，所述第二保温温度为620-650℃。通过热处理后得到具有铁素体+片状珠光体组织的，并使该钢材具有适中硬度，便于机加工，便于下料和锯切，不会产生粘刀现象。但热处理的钢材能否用于零件的冷挤压没有给出答案。

与目前大扭矩齿轮箱齿轮轴普遍采用20CrNi2Mo、18CrNiMo7-6等钢相比，本发明钢在CrMo的基础上通过提高C含量、加Ni微合金化，在降低生产成本的同时，其力学性能指标、淬透性能够满足大扭矩变速箱齿轮轴用钢的要求。齿轮/或齿轮轴的生产采用冷加工成型也是近年来工艺及装备上的突破，因此本发明在保证强韧性的同时，通过在连续炉内钢材的等温退火处理，满足了冷加工对原材料的极高的组织、硬度均匀性要求。

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大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢及制造方法，在保证强韧性的同时，通过在连续炉内钢材的等温退火处理，满足了冷加工对原材料的极高的组织、硬度均匀性要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢，所述退火钢的化学成分按重量百分比为C：0.25～0.31％，Si≤0.10％，Mn：0.80～1.10％，Cr：0.90～1.20％，Mo：0.15～0.25％，Ni:0.30～0.40％，S：0.020～0.040％，P≤0.025％，Cu≤0.20％，Al:0.015-0.050％，Ti≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。

所述退火钢具有抗拉强度≥1600MPa，屈服强度≥1500MPa，伸长率≥8，冲击功AKu≥50J，淬透性J9＝45-52HRC、J15＝37-45HRC，在950℃×4小时下具有细于6级的晶粒度。钢材等温退火后的组织为F+P，带状组织≤3级，交货硬度150-190HB。

本发明制造上述退火钢所采用的方法是通过对铸坯表面火焰清理及KOCKS精轧，使得轧材脱碳层小、尺寸精度高。再经过对钢材进行连续等温退火后钢材连续化生产的产能高，轧材通条组织、硬度均匀性好。

本发明中所含有所有关键组分的作用及其含量选择理由具体说明如下：

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。为保证该钢生产的齿轮零件经淬火回火后具有较高的硬度，同时齿根心部还应有良好的的强韧性，确定了本发明钢碳含量范围在0.25-0.31％。

Si在钢中不但能作为脱氧元素，同时在钢中有较强的固溶强化作用，能够显著地提高铁素体强度，能提高钢的淬回火表面硬度，提高齿轮耐磨性，但钢中[Si]较市里会造成采用普通渗碳炉渗碳时增加内氧化风险。硅是一种相对廉价的合金元素，有利于降低材料生产成本。但Si高对冷挤压性能会变差，所以本发明中设计Si≤0.10％。

Mn对钢起固溶强化作用，利用Mn强烈提高钢的淬透性并具有成本低的特点确定本发明钢含量范围。此外Mn和钢中的S结合形成塑性良好的硫化物，提高切削性能，降低刀具损耗。

Cr对钢起固溶强化作用，有利于提高齿轮心部淬透性，并提高抗蚀能力。有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。利用Cr与Mo配合使用提高钢的淬透性及考虑成本原则，确定本发明钢Cr含量范围。

Mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性。Mo在925℃时对提高渗层硬化性能特别有利，Mo钢适合于渗碳后直接淬火。

Ni在该发明钢材中提高强度及冲击韧性的作用。考虑到Ni属于贵重合金，为了控制生产成本，在保证韧性的同时控制添加量。本发明中的钢材Ni含量设定范围为0.30～0.40％。

一般来说，P为杂质元素和有害元素，对钢的力学性能和热加工性能均有害，易形成偏析、夹杂等缺陷，引起塑性、冲击韧性显著降低；应尽量减少其含量。本发明控制P≤0.025％。

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Mn/S控制要求降低危害的原则，控制钢中S:0.020～0.040％。

Al是脱氧非常有效的元素，同时Al可与钢中N在钢中析出形成AlN起到阻止氏体晶粒的粗大。Al控制0.015-0.050％的原因是Al含量过高，会在钢中形成大量的脆性夹杂物(例如Al₂O₃等)污染钢水，导致强韧性降低。

Ti会与钢中的氮元素结合，形成带棱角的夹杂物TiN,从而降低钢材的强度与韧性，Ti≤0.005％。

本发明的另一目的在于提供上述一种大扭矩变速箱冷挤压齿轮轴用钢的制造方法，主要包括如下具体流程：冶炼、连铸、铸坯再加热、轧制圆钢、钢材再经过连续等温退火处理。

本发明钢的具体生产流程为：100t转炉-炉外精炼-RH真空脱气-200mm*200mm连铸坯-铸坯再加热轧制成材-轧材在连续等温退火炉内等温退火处理-检验、包装、入库。

冶炼阶段为保证轧材的力学性能及淬透性，除严格控制化学成分符合内控要求外，还需加强过程控制保证钢水纯净度。

连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统等装备。浇注时过热度控制在10～30℃。

连铸钢坯在步进式加热炉加热，预热段温度控制在500～750℃，加热段温度控制在1150～1250℃，均热段温度控制在1200～1260℃，总加热时间3.5小时及以上。

铸坯经高压水除鳞后进行轧制：钢材后续须等温退火处理，所以对钢材表面脱碳及尺寸精度要求高。轧制前先经火焰清理，利用高压氧气流火焰清理坯料表层金属，深度为0.5～3mm，去除坯料表面脱碳、裂纹等缺陷；开轧温度为1050～1100℃，然后采用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制保证轧材的尺寸精度控制在±0.15mm；为保证轧材的奥氏体晶粒度，控制终轧温度950℃以上。

轧材等温退火处理是该发明钢控制的关键工序：4-9m长钢材单层平铺装入总长133m的三段式连续式等温退火炉，一区奥氏体化温度控制在900-950℃；二区为风冷区，通过调节风量，以50-60℃/min的速度降至转变温度；三区为等温转变温度区，控制该钢的等温温度在660-680℃；退火炉采用的烧嘴为自身预热式，火焰内管外套辐射管结构。辐射管分别安装在炉辊的上面和下面，确保炉膛截面炉温均匀性；退火过程中为避免钢材的表面脱碳，炉内保护气氛为纯氮气，炉膛内气氛压力保持微正压使炉气向外扩散。根据发明钢等温转变曲线，等温区总时间控制不小于6小时。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过全新成分设计钢材具有良好的强韧性及淬透性能，经过控制冶炼、轧制、等温退火，钢材通条获得均匀的铁素体+珠光体组织及硬度。成品钢材脱碳层小、尺寸精度高，用户下料后可直接进行加工成齿轮/齿轮轴。由于等温退火钢材具有以上优点且能大量节约能源，冷加工的齿轮轴金属流线连续，零件不需要再切削加工，使用寿命高，也是国内外锻造行业的发展方向，因此具有较高的市场竞争力和推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例1全截面最严重视场带状组织1.5级的评级结果示意图。

图2为本发明实施例2全截面最严重视场带状组织2.0级的评级结果示意图。

图3为本发明实施例3全截面最严重视场带状组织2.5级的评级结果示意图。

具体实施方式

结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

以下结合实施例1～3对本发明做进一步说明。

冶炼：100转炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，除严格控制化学成分符合内控要求外，还需加强过程控制保证钢水纯净度。

连铸：连铸成200mm×200mm的方坯。连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统等装备，以期获得铸坯良好的表面质量，内部的均质化，及较高的纯净度。浇注过热度控制在15～25℃。连铸坯温送至加热炉或在650℃以上及时下保温坑缓冷24小时以上。成品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)

钢种	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Ti	Al	Cu
												实施例1	0.27	0.08	1.06	0.015	0.030	1.11	0.20	0.37	0.003	0.028	0.02
实施例2	0.30	0.05	0.98	0.022	0.025	1.08	0.18	0.35	0.004	0.034	0.01
												实施例3	0.29	0.07	1.02	0.016	0.035	1.15	0.18	0.36	0.002	0.036	0.02

铸坯加热：在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度500～750℃，加热段温度1190～1250℃，均热段温度1210～1260℃，总加热时间为4.0-4.5小时。

轧制:铸坯经高压水除鳞、轧制前火焰清理坯料表层金属深度1.0～2.5mm，开轧温度1050～1080℃。使用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制，轧材的尺寸精度

±0.15mm；轧制过程不穿水，终轧温度960-985℃以上。轧材下冷床后堆冷。

上述实施例1～3热轧材的力学性能如表2所示。

上述实施例1～3热轧钢材奥氏体晶粒度检验结果如表3所示。

钢种	轧材规格,mm	晶粒度，级	热处理制度，℃
				实施例1	φ32	7.0	950×4h,水淬
实施例2	φ47	7.0	950×4h,水淬
				实施例3	φ56	7.5	950×4h,水淬

轧材等温退火：轧材定尺长度为7m,在连续式等温退火炉内完成。一区奥氏体化温度915-930℃，保温时间1.5-2小时；二区以50-60℃/min的速度降至转变温度；三区控制等温温度665-680℃。等温区辊速8-10m/小时，总时间为6～7小时，温度降至500℃左右出炉空冷。

上述实施例等温退火材的组织及硬度检验结果如表4所示。

钢种	钢材规格,mm	全截面带状组织，级	组织	1/2半径同心园上硬度，HB
					实施例1	φ32	0.5～1.5	均匀F+P	160-175
实施例2	φ47	0.5-2.0	均匀F+P	158-166
					实施例3	φ56	0.5-2.5	均匀F+P	162-178

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

1.一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于该钢的化学成分重量百分比为C：0.25～0.31%，Si≤0.10%，Mn：0.80～1.10%，Cr：0.90～1.20%，Mo：0.15～0.25%，Ni:0.30～0.40%，S：0.020～0.040%，P≤0.025%，Cu≤0.20%，Al:0.015～0.050%，Ti≤0.005%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述退火钢经热处理后的试样力学性能满足：抗拉强度≥1600MPa，屈服强度≥1500MPa，伸长率≥8，冲击功AKu≥50J，淬透性J9=45-52HRC、J15=37-45HRC，在950℃×4小时下具有细于6级的晶粒度；钢材等温退火后的组织为F+P，带状组织≤3级，硬度150-190HB；

所述方法的工艺步骤为：冶炼、连铸、铸坯再加热、轧制圆钢、钢材再经过连续等温退火处理，

主要步骤为：

1）冶炼：冶炼阶段严格控制化学成分符合内控要求以保证轧材的力学性能及淬透性，保证钢水纯净度；连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统进行；

2）连铸坯在步进式加热炉中加热，预热段温度控制在500～750℃，加热段温度1150～1250℃，均热段温度1200～1260℃，总加热时间3.5小时及以上；

3）铸坯经高压水除鳞后进行轧制，开轧温度为1050～1100℃，终轧温度950℃以上；

4）轧材等温退火：钢材单层平铺装入三段式连续式等温退火炉，一区奥氏体化温度控制在900-950℃；二区通过调节风量，以50-60℃/min的速度降至转变温度；三区控制该钢的等温温度在660-680℃，等温区辊速控制在8-10m/小时，等温区总时间控制不小于6小时。

2.根据权利要求1所述的一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢，其特征在于所述退火钢通条为均匀的铁素体+珠光体组织。

3.根据权利要求1所述一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于连铸过程控制过热度在10～30℃。

4.根据权利要求1所述一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于轧制过程中为保证轧材表面脱碳尺寸精度高要求，开轧前先经火焰清理，深度为0.5～3mm。

5.根据权利要求1所述一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于轧制过程的精轧段使用KOCKS三辊轧机轧制保证轧材的尺寸精度控制在±0.15mm，轧制过程不穿水。

6.根据权利要求1所述一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于连续式等温退火炉采用的烧嘴为自身预热式，火焰内管外套辐射管结构，辐射管分别安装在炉辊的上面和下面，确保炉膛截面炉温均匀性。

7.根据权利要求1所述一种大扭矩变速箱齿轮轴用冷挤压等温退火钢的制造方法，其特征在于退火过程中为避免钢材的表面脱碳，炉内保护气氛为纯氮气，炉膛内气氛压力保持微正压使炉气向外扩散。