汽车齿轮用 Ni 系钢的研制应用及关键技术研究

汽车齿轮用镍基钢的开发及应用

张勇李福永

（石家庄钢铁有限公司技术中心，河北石家庄050031）

摘要：针对汽车齿轮用镍系钢疲劳性能高、合金元素含量高、成分稳定性难控制、热处理易混晶等技术难点，石钢采用“转炉-LF-VD-CC”冶炼工艺，研发了钢水纯净度控制、窄淬硬带控制、晶粒细化等技术，保证了汽车齿轮用镍系钢的稳定性、纯净度和均匀性，达到了高水平的冶金物理质量，并大幅降低了生产成本。

关键词：汽车齿轮；镍基钢；纯度；淬硬区

汽车齿轮用镍系钢的开发及应用

张勇、李福永

（石家庄钢铁公司技术中心，石家庄050031）

摘要：针对汽车齿轮用镍系钢疲劳性能高、合金元素含量稳定性控制高、热处理易混晶等技术难点，石钢采用“顶底复吹转炉-LF-VD-CC”冶炼工艺，研发了钢水纯净度控制、窄淬透性带控制、晶粒细化等技术，保证了汽车齿轮用镍系钢的稳定性、纯净度和均匀性，在获得较高冶金质量的同时，大幅降低了生产成本。

关键词：汽车齿轮；镍系钢；纯度；淬硬区

1 简介

高扭矩汽车齿轮承受较高的冲击载荷，我国传统的CrMnTi、CrMo系列齿轮钢性能不能满足要求，易发生早期疲劳失效，特别是中、重载汽车齿轮仍严重依赖进口钢生产。研究表明[1]，能提高韧性的合金元素Ni，能提高材料抗过载能力，克服早期疲劳失效问题。因此，大模数、重载汽车齿轮需采用含Ni的Cr-Ni、Cr-Ni-Mo系列齿轮钢。近年来，重型汽车市场发展迅速，2017年重卡销量创下110多万辆的历史新高，2018年环保限行下的国三换代成为重卡需求的新动力，汽车齿轮用镍基钢存在潜在的需求前景。 为抢占齿轮钢市场，亟待开发研究镍基齿轮钢。

2.生产工艺及技术要求

石钢主要采用“转炉—LF—VD—连铸—连轧”工艺流程，生产优质汽车变速箱齿轮用镍基钢。

通过分析汽车齿轮的技术特点和技术要求[2]，确定齿轮钢的性能指标要求如表1所示：

表1 Ni系齿轮钢技术要求

项目

要求

清洁度

欧美要求齿轮钢中氧含量不得超过20ppm，日本则要求不得超过15ppm，非金属夹杂物一般要求为A≤2.5、B≤2.5、C≤2.0、D≤2.5级。

端部淬硬性

目前，国际上对淬硬带控制的先进水平为4-6HRC，国际领先水平不超过4HRC，国内钢厂达到的水平为6-8HRC。

晶粒大小

奥氏体晶粒大小是齿轮钢质量要求的另一重要指标，目前我国对齿轮钢奥氏体晶粒大小要求不大于5级。

表面质量

钢材表面不允许有裂纹、凹坑、疤痕等缺陷。

3 开发过程与成果

针对汽车齿轮用镍基钢疲劳性能要求高、合金元素含量高、成分稳定性控制困难、热处理时易混晶等技术难点，采用“转炉+LF+VD+CC”冶炼工艺，对钢水进行脱氧、防止二次氧化，提高纯净度保证疲劳性能；采用快速成分分析+成分微调，提高成分控制精度保证淬透性带窄；采用洁净氮微合金化，细化晶体保证晶粒尺寸。

3.1 多品种发展

由于我国从多个国家引进样机和制造技术，各大汽车制造公司所用钢材都有自己牌号，这使齿轮钢牌号复杂化，增加了国产化的难度。产品开发人员潜心研究各国齿轮钢系列和技术特点，开发出适合不同车型差异化技术要求的汽车齿轮用镍基钢品种，覆盖德国、美国及国家标准的含Ni的Cr-Ni钢和Ni-Cr-Mo钢系列，如表2所示，涉及几十个牌号，并具备多国标准、多钢号的生产能力。

表2 石家庄镍系齿轮钢牌号

标准

代表品牌

美国标准

SAE8620H/8620H/8620RH、SAE8620H(S)、SAE8627RH、SAE8637H、SAE8640、AISI4330/AISI4340/AISI8740H 等

德国标准

17Cr2Ni2H、17CrNiMo6、18CrNi8、18CrNiMo7-6、18NiCrMo5、19CrNi5H、27CrNiMo6等。

国家标准

20CrNi3H、20CrNiMoH、20CrNiMo、20Ni2MoA等。

3.2 高纯度冶炼保证疲劳性能

研究表明，钢中夹杂A1203会导致齿面产生接触疲劳损伤和弯曲疲劳断口，影响汽车齿轮的使用寿命。通过降低齿轮钢中的氧含量，减少氧化物夹杂，提高钢的纯净度，可以大幅度提高齿轮的疲劳寿命。日本、欧美等国家均对齿轮钢的氧含量进行了严格的限制。

转炉炼钢过程中加入预熔型渣改质剂，促使包顶材料快速成渣，精炼采用Al-Si复合脱氧，前期流动性好，加速包顶渣与钢水的反应；充分发挥炉渣的脱氧、去除夹杂物作用。连铸保护浇注控制技术，控制打开中间包充氩、放空，实现中间包的保护；采用“长水口+密封垫+氩气保护+高档中间包整体侵入式水口”组合模式的保护浇注，提高从大包到中包水口的全过程保护效果，有效抑制浇注过程中钢水二次氧化生成A1203夹杂物。

通过精炼控制技术和连铸组合模式保护铸造技术，Ni系齿轮钢T[O]≤0.0020%，97%炉次T[O]≤0.0015%，满足日本及欧美对渗碳齿轮钢氧含量要求，同时有效控制钢中夹杂物水平，达到表3所示水平。钢的高纯净度保证了Ni系齿轮钢的疲劳性能。

表3 石钢镍基齿轮钢夹杂物含量（细小夹杂物）

类别

A 类

B类

C类

D类

检测

0.5～2

0.5～1.5

0～1.0

要求

≤2.5

≤2.5

≤2.0

≤2.5

3.3 淬硬性和窄硬化带控制

为适应转炉生产快节奏特点，采用快速成分分析传输系统进行冶炼过程中成分测定及数据反馈共享，LF精炼站计算并添加成分进行调整。冶炼过程中及时进行成分微调，提高了成分控制的准确性，减少了炉间成分波动。齿轮钢窄成分控制能力达到表4所示水平。镍基齿轮钢带宽稳定控制到≤6HRC，部分牌号如17CrNiMo6达到带宽≤4HRC水平，如图1所示。

表4 石家庄镍系齿轮钢窄成分控制水平

元素

硅

锰

肌酐

你

莫

范围

±0.01%

±0.02%

±0.02%

±0.005%

±0.02%

±0.02%

±0.02%

图1 端部淬火试验淬硬性区

3.4 清洁氮微合金化保证细小晶粒

晶粒大小是衡量汽车渗碳齿轮钢的重要指标，细小均匀的奥氏体晶粒可以减少热处理后齿轮的变形。通过控制钢中适当的氮含量以及Al微合金化形成AIN钉扎晶界，可以抑制齿轮渗碳热处理过程中晶粒的长大。经930℃保温4h后，晶粒尺寸达到7-8级，且晶粒细小，无混晶出现。

传统加氮工艺采用氮化锰丝或氮化锰合金加氮，对钢水造成二次污染，而且氮合金化成本较高。针对此，我们探索开发了一项既能提高钢水质量，又能大幅降低生产成本的提质降本新工艺技术——专利“一种钢包底吹氮加氮方法”。该创新工艺的先进性：1）提高纯度：不采用氮化锰合金或氮化锰丝向钢水加氮，避免了对钢水的二次污染，提高了纯度。2）大幅降低合金化成本：经测算，该方法比原工艺降低冶炼成本15.32元/吨钢。3）清洁生产：消除了加氮化锰产生大量烟气带来的污染，践行了生态友好的冶炼发展模式。

采用该技术后，不需添加含氮合金，仅采用底部吹氮工艺即可完成氮微合金化过程，成品氮含量可控制在0.0060%～0.0150%范围内（主要集中在0.0080%～0.0120%范围内），如图2所示，完全可以满足控制钢中氮含量的需要。

图2 钢中氮含量检测

3.5 钢材表面质量控制

镍基钢加热后氧化铁皮黏度大，不易清除，在轧制过程中压入钢材表面，造成钢材不平整，影响用户的使用。加热后期及均热阶段温度控制相对较低，加热时间不宜过长，这样产生的低共晶及富Ni金属颗粒及网丝较少，因此氧化铁皮的黏附力较弱。同时控制炉压稳定，炉内气氛保持还原，钢坯出炉后与冷风接触时表面温度一般在1200℃以下，产生的液相已凝固，用高压水除鳞时，氧化铁皮可全部剥离，从而保证轧材表面质量符合要求。

通过以上工艺技术的应用，保证了汽车齿轮用镍基钢的稳定性、纯净度、均匀性，达到了较高的冶金质量水平，试验达到的技术指标如表5所示。

表5 镍基齿轮钢所达到的技术指标

项目

达到等级

清洁度

经统计，所有炉次T[O]≤0.0020%，97%炉次T[O]≤0.0015%，非金属夹杂物级别为A≤2.0、B≤1.5、C≤1.0、D≤1.0。

端部淬硬性

整体带宽稳定控制在≤6HRC，部分品牌带宽≤4HRC。

晶粒大小

奥氏体晶粒尺寸达到7～8级，且无混晶现象。

表面质量

钢材表面经探伤检测，不得有裂纹、凹坑、疤痕等缺陷。

4。结论

针对汽车齿轮用镍基钢的特点，石钢进行了高纯净冶炼工艺、窄淬硬带控制技术、洁净氮微合金化细晶粒技术等研发，实现了适用于汽车齿轮的镍基钢的国产化研发，产品已批量供应国内商用车变速器生产企业、商用车龙头生产企业、欧洲乘用车变速器品牌企业，覆盖国际、国内一线变速器生产企业，并正在逐步替代进口钢材，部分产品出口欧美市场，取得了可观的经济效益。

参考

[1]张吉奎,张爱军,等.渗碳齿轮钢在重型汽车上的应用[J].重型汽车,2009.2

[2]黄百红.汽车用渗碳齿轮钢[J].汽车技术与材料,2004.9