汽车齿轮用Ni系钢的研制应用

汽车齿轮用Ni系钢的研制应用

张永  李福勇

（石家庄钢铁有限责任公司技术中心，河北石家庄，050031）

摘  要：针对汽车齿轮用Ni系钢要求疲劳性能高、合金元素含量高成分稳定性控制难度大、热处理易混晶等技术难点，石钢采用“转炉-LF-VD-CC”冶炼流程进行了钢水纯净度控制、窄淬透性带控制、细化晶粒等技术的研发，保证了汽车齿轮用Ni系钢的稳定性、纯净化和均质化，获得了高水平冶金实物质量，同时生产成本显著降低。

关键词：汽车齿轮；Ni系钢；纯净度；淬透带

Development and application of Ni series steel for auto gears

Zhang Yong，Li Fuyong

（Shijiazhuang iron and steel Company, Technology Center，Shijiazhuang 050031）

Abstract: In view of the technical difficulties such as high fatigue property, high content of alloy elements stability control and easy mixing of crystals in heat treatment of Ni-series steel for automobile gears, Shigang has developed technologies such as purity control of molten steel, narrow hardenability band control and grain refinement by using " Top and Bottom Combined Blown Converter-LF-VD-CC" smelting process, which ensures the stability, purity and homogenization of Ni-series steel for automobile gears. A high level of metallurgical quality has been obtained, while the production cost has been significantly reduced.

Key words: Auto gears；Ni series steel；Purity；Hardenability zone

1引言

大扭矩汽车齿轮承载较高的冲击载荷，我国传统CrMnTi、CrMo系列齿轮钢性能不能满足要求，容易早期疲劳失效，尤其中、重型汽车用齿轮还大量依赖进口钢材进行生产。研究表明^[1]，能提高韧性的合金元素Ni可以提高材料的抗过载能力，能克服早期疲劳失效的问题。因此，较大模数、重负荷汽车齿轮需要选用含Ni的Cr-Ni、Cr-Ni- Mo系齿轮钢。近年来重型汽车市场发展较快，2017年重卡销量达110多万辆创历史新高，2018年环保限行下的国Ⅲ更新换代成为重卡需求的新驱动力，汽车齿轮用Ni系钢存在潜在的需求前景，开发研制Ni系齿轮钢对于抢占齿轮钢市场迫切需要。

2 生产流程与技术要求

石钢主要采用“转炉-LF-VD-连铸-连轧”流程生产高质量汽车变速器齿轮用Ni系钢。

通过分析汽车齿轮使用技术特性与技术要求^[2]，确定齿轮钢的性能指标要求如表1：

表1 Ni系齿轮钢技术要求

3 研制过程以及研制结果

针对汽车齿轮用Ni系钢疲劳性能要求高、合金元素含量高成分稳定性控制难度大、热处理易混晶等技术难点，采用“转炉+LF+VD+CC”冶炼流程，进行了钢水脱氧和防止二次氧化以提高纯净度保证疲劳性能、快速成分分析+成分微调提高成分控制精准度保证窄淬透性带、清洁氮微合金化细晶保证晶粒度等技术的研发。

3.1多品种化开发

由于我国从多个国家引进样车和制造技术，其用钢各大汽车制造公司都有各自的牌号，使齿轮用钢的牌号繁杂，增大了国产化的困难。产品开发人员潜心研究各国齿轮钢系列和技术特性，开发出适合不同车型差异化技术要求的汽车齿轮Ni系钢品种，涵盖德标、美标、国标含Ni的Cr-Ni钢、Ni-Cr-Mo钢系列，如表2，涉及几十个牌号，具备了多国标准、多钢种牌号的生产能力。

表2 石钢Ni系齿轮钢牌号

3.2 高纯净度冶炼保证疲劳性能

研究表明，钢中夹杂A1₂0₃ 导致齿面接触疲劳损伤和弯曲疲劳断裂，影响汽车齿轮的使用寿命。通过降低齿轮钢中氧含量，减少氧化物夹杂，提高钢的纯度，可使齿轮疲劳寿命大幅度提高。日本、欧美国家对齿轮钢的氧含量均进行严格限制。

通过转炉出钢过程加预熔炉渣改质剂促进钢包顶料快速成渣、精炼采用Al—Si复合脱氧、前期即具有较好的流动性，加快了钢包顶渣与钢水的反应；充分发挥炉渣脱氧、去夹杂作用。 控制连铸保护浇注控制技术开浇中间包进行氩气填充排空，实现中间包的保护；通过采用 “长水口+密封垫+氩气保护+高档中包整体侵入式水口”组合模式的保护浇注，改善了大包、中包到中包水口的全程保护的效果，有效抑制了钢水在浇注过程二次氧化生成A1₂0₃夹杂。

通过精炼控制技术和连铸组合模式保护浇铸技术，实现了Ni系齿轮钢T[O]全部≤0.0020%，97%炉次T[O]≤0.0015%，达到了日本、欧美国家对渗碳齿轮钢的氧含量要求，有效控制了钢中夹杂物级别，达到级别如表3。钢的纯净度高，保证了Ni系齿轮钢的疲劳性能。

表3 石钢Ni系齿轮钢达到的夹杂物水平（细系夹杂）

3.3 淬透性与窄淬透带控制

为适应转炉生产快节奏的特点，冶炼时利用快速成分分析传输系统进行成分测定及数据反馈共享，LF精炼岗位计算补加成分进行调整，在冶炼过程对成分及时进行微调，提高了成分控制的精准度，减小了炉次间成分波动，齿轮钢窄成分控制能力达到水平如表4。使得Ni系齿轮钢带宽稳定控制≤6HRC，17CrNiMo6等部分牌号达到带宽≤4HRC水平，如图1。

表4  石钢Ni系齿轮钢窄成分控制水平

 图1 端淬检测淬透性带

3.4 清洁氮微合金化保证细晶粒

晶粒大小是衡量汽车渗碳齿轮钢的一项重要指标，细小均匀的奥氏体晶粒，可以减少齿轮热处理后的变形量。通过控制钢中合适氮含量与Al微合金化形成AIN钉扎晶界，来抑制齿轮渗碳热处理时晶粒长大，经过930℃保温4小时，晶粒度达7～8，晶粒细小不出现混晶。

传统增氮工艺采用氮化锰线或氮化锰合金进行增氮，对钢水造成二次污染，同时氮合金化成本也较高。针对此，探索开发了能提高钢的质量、又显著降低生产成本的提质降本新工艺技术——专利《一种钢包底吹氮增氮的方法》。此创新工艺的先进性：1）改善纯净度：不使用氮化锰合金及氮化锰线加入钢水，避免了对钢水二次污染改善了纯净度。2）合金化成本显著降低：经测算，此方法较原有工艺使冶炼成本降低15.32元/吨钢。3）清洁生产：消除了加氮化锰产生大量烟气的污染现象，践行了生态友好型冶炼的发展模式。

采用该技术后，仅采用底吹氮工艺不需要添加含氮合金即可完成氮微合金化过程，成品氮含量能够控制在0.0060%～0.0150%范围（主要集中在0.0080%～0.0120%范围）如图2所示，完全可以满足钢中氮含量控制需要。

 图2 检测钢中氮含量

3.5 钢材表面质量控制

   镍系钢加热后氧化铁皮粘度大，清除困难，轧制中压入钢材表面，造成钢材凹凸不光洁，将影响用户使用。控制加热段后期和均热段相对较低的温度,且加热时间不过长, 这样产生的低共熔体和富 Ni 的金属粒子及网丝相对较少,因而氧化铁皮的粘附性较弱,同时炉压控制稳定，炉内气氛保持还原性，加上钢坯出炉后与冷空气接触,表面温度一般都在1200℃以下,产生的液相已经凝固,在高压水除鳞时,氧化铁皮可全部剥离,从而保证了轧材表面质量满足要求。

通过以上工艺技术的应用，保证了汽车齿轮用Ni系钢的稳定性、纯净化和均质化，获得了高水平冶金实物质量，检测达到的技术指标如表5。

表5 Ni系齿轮钢达到的技术指标

石钢针对汽车齿轮用Ni系钢特性，进行了高纯净度冶炼工艺、窄淬透性带控制技术、清洁氮微合金化细晶技术等研发。实现了适合汽车齿轮用Ni系钢的本土研制开发，产品已批量供给国内商用车变速器制造厂家、商用车生产龙头企业和乘用车变速器欧洲品牌等涵盖国际、国内一线变速箱制造企业，正在逐步替代进口钢材，且部分出口至欧美市场，取得了可观的经济效益。

参考文献

[1] 张继魁，张爱军等.汽车渗碳齿轮钢在重型汽车上的应用[J].重型汽车, 2009.2

[2] 皇百红.汽车用渗碳齿轮钢[J].汽车工艺与材料,2004.9