CN105568178A - 汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺 - Google Patents

汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺 Download PDF

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CN105568178A CN201510872137.0A CN201510872137A CN105568178A CN 105568178 A CN105568178 A CN 105568178A CN 201510872137 A CN201510872137 A CN 201510872137A CN 105568178 A CN105568178 A CN 105568178A
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马群
冯桂萍
李涛
李刚
刘金鑫
王志才
郭晓俊
顾文涛
巴俊波
贾翰
丁克阵
康恬
魏文涛
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Abstract

本发明公开一种汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，解决6档变速器用钢QS？4321？S0(20CrNiMoS6-4H)的纯净度、晶粒度、淬透性及带状偏析问题。本发明采用如下技术方案：通过原始配料和优化冶炼工艺，保证钢液纯净度；通过控制化学成分和锭型优化、浇注工艺的控制保证钢材淬透性合格；采用钢锭高温扩散工艺保证钢材带状合格；通过采用控制轧制及控制冷却保证钢材晶粒度；工艺路线：电炉炼钢→LF？+VD炉外精炼→模铸锭型为2.1t→850轧机初轧开坯→24架连轧机连轧成材→冷却/热处理→矫直→探伤→修磨。本发明的有益处在于：保证钢材氧含量在20×10-6以下,满足钢材渗碳晶粒度5级～8级要求,保证钢材的淬透性合格,满足带状组织要求。

Description

汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺
技术领域
本发明属于金属材料制造领域，涉及一种汽车6档变速器用关键零件渗碳淬火齿轴用钢的制造方法，主要用于Φ30mm～Φ100mm渗碳齿轴类零件钢QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)的生产。
背景技术
随着我国汽车工业的高速发展，对汽车用钢的纯净度、淬透性带宽、带状等质量水平也提出了更高的要求。而决定汽车变速器质量及稳定性的关键在于齿轴类零件用钢的质量，因此要求渗碳齿轴类零件钢QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)的质量指标很高，低气体含量：氢含量不大于2×10-6，氧含量不大于20×10-6;高纯净度：钒含量不大于0.02%，钛含量不大于0.02%,砷含量不大于0.05%,铌含量不大于0.02%,硼含量不大于0.0008%，钙含量不大于0.0020%，夹杂物：B细不大于1.5级、B粗不大于1.0级；冶金质量的均匀一致性：低倍：中心疏松不大于2.0级、一般疏松不大于2.0级、锭型偏析不大于2.0级，渗碳晶粒度5级～8级，带状在2.5级以下；窄淬透性（HRC）：J5mm:43～48、J9mm:40～47、J15mm:35～44。目前，国内、外使用Cr-Ni-Mo系齿轮钢都存在成分和组织偏析问题，致使零件热处理后变形大，零件之间啮合不良，噪音增加的同时，也严重影响零件的使用寿命；未见国内、外文献有相关研究的报道。
发明内容
发明公开一种汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，解决6档变速器用钢QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)的的纯净度、晶粒度、淬透性及带状偏析问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：通过原始配料和优化冶炼工艺，保证钢液纯净度；通过控制化学成分和锭型优化、浇注工艺的控制保证钢材淬透性合格；采用钢锭高温扩散工艺保证钢材带状合格；通过采用控制轧制及控制冷却保证钢材晶粒度在5～8级。
1.工艺路线：炼钢（电炉）→炉外精炼（LF→VD）→模铸（锭型为2.1t）→初轧开190方坯（850轧机）→连轧成材（24架连轧机）→冷却/热处理→矫直→探伤→修磨。
2.具体工艺制度：
⑴化学成分
汽车变速器齿轴钢QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)化学成分应符合表1规定；
表120CrNiMoS6-4H化学成分
表1（续）
⑵炼钢工艺
①电炉工艺
总装炉量65t～68t，配料选用优质废钢、生铁，优质生铁配入量大于40%；电炉出钢加渣料采用优质白灰（氧化钙不小于90％，生烧率不大于10%）700kg～900kg，出钢前3min～5min降低用氧强度，增加喷碳粉用量，每炉约200kg～300kg；出钢不允许下氧化渣；出钢过程按1.0kg/t加铝;出钢温度不低于1630℃，出钢磷不大于0.010％；
②LF炉精炼工艺
全程采用碳粉和铝粒混合物扩散脱氧，首批脱氧剂全部用铝粒，加入量30kg～60kg（根据渣况可适当调整加入量）。渣白取样，取完样1后，采用铝粒和碳粉混合物脱氧保持白渣；依样1全铝结果（考虑炉中），按0.08%喂铝，根据渣况可适当调整喂铝量，白渣保持时间不小于30min；全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌；出钢温度：1670℃～1690℃；
③VD工艺
VD入罐前进行扒渣处理控制渣层厚度在40mm～80mm，考虑炉中按0.06％喂入铝线(可根据炉中进行适当调整喂入量)；VD真空度不大于100Pa,保持时间10min～20min，必须保持真空下大流量氩气搅拌；开盖后取样，根据成品样调硫、调铝，喂后软吹时间不小于15min；VD出钢温度1580℃～1600℃；
④浇注工艺
浇注2.1t锭型，锭模温度：30℃～80℃，低于此温度进行预热处理；浇注过程中采用氩气保护浇注；当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂。
⑶轧制工艺
①初轧开坯工艺
钢锭在加热炉中以表温1250℃±10℃保温8h～10h，然后将表温降温至1230℃，锭温为1210℃±10℃保温1h出炉.轧制成190方坯；轧后钢坯入坑缓冷55h；
②连轧加热工艺
钢坯采用步进式加热炉进行加热（加热炉分预热段→加热Ⅰ段→加热Ⅱ段→均热段，计4段），从进炉到出炉时间要求大于120min,从加热Ⅰ段（升温段）到出炉总时间大于75min，第一炉钢坯到达炉门（即在均热段）需要保温30min～40min后出炉轧制，钢坯在均热段加热温度1150℃±30℃。
⑷热处理工艺
钢材以热轧或退火状态交付，退火工艺为670℃±10℃保温9h～12h，出炉空冷；热轧态交货材轧后堆冷。
⑸探伤
钢材100%按照GB/T4162进行超声波探伤检测，A级合格（按φ2mm平底孔标准）。
3.理化性能检验
⑴带状组织
从钢棒表面到1/2半径处取样，试样经950℃±10℃加热保温快冷，经600℃±10℃等温1h空冷后，100X下按照附录评级，应无明显带状，带状组织不得差于图4（Abb.4）；
⑵非金属夹杂物合格级别应符合表2规定；
表2非金属夹杂物合格级别
⑶晶粒度采用渗碳法，5级～8级合格；
⑷钢材淬透性应符合表3规定；
表3钢材淬透性要求
⑸热轧不退火交货硬度（HBW）不大于269；热轧退火交货硬度（HBW）
不大于255；
⑹低倍组织检验结果应符合表4规定；
表4低倍组织合格级别
⑺成品氢含量不大于2×10-6，氧含量不大于20×10-6。
本发明的创新点在于：
⑴炼钢工艺：
为提高QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)钢水纯净度，控制炼钢工艺的以下五个关键环节：
①材料：采用优质废钢、优质生铁（磷不大于0.15％、硫不大于
0.10％），同时保证每炉配入优质生铁不小于30t，炉出钢加渣料及精炼必须使用精白灰，要求白灰满足一级以上质量要求氧化钙不小于90％，生烧率不大于10%）；
②严格控制电炉出钢量（电炉留钢量不小于5t）和回炉速度，保证不
下氧化渣，保证VD钢包自由空间不小于800mm；
③LF白渣时间不小于30min，LF全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌，以保证夹杂物充分上浮；
④VD入罐前调铝，VD开盖后对铝再进行调整，加铝后软吹不小于
15min，以保证后加入铝溶解在钢液中形成的夹杂物能够有效上浮，软吹以钢液不漏液面为准，防止进气；
⑤浇注阶段，浇注时采用氩气保护浇注，防止钢液二次氧化及气体进
入钢液中；
⑵保证淬透性工艺
①通过软件计算及参考相似钢种，制定出合理的冶炼控制成分；根据生产规格选择浇注2.1t锭型，以减少锭型偏析；
⑶控制晶粒度工艺
①控制铝含量在0.025%～0.04%，以保证晶粒度；
②轧制采用控轧控冷工艺，要求钢材终轧温度不大于930℃；
⑷控制带状工艺
①钢锭在加热炉中以表温1250±10℃保温8h～10h进行高温扩散;
②钢坯从进炉到出炉时间要求大于120min,从加热Ⅰ段（升温段）到出炉总时间大于75min，第一炉钢坯到达炉门（即在均热段）需要保温30min～40min后出炉轧制。
本发明的有益处在于：通过精确控制化学成分保证钢材的淬透性合格；采用真空脱气工艺保证钢材氧含量在20×10-6以下；通过对钢锭进行高温扩散工艺来满足带状组织要求；采用控轧控冷工艺来满足钢材渗碳晶粒度5级～8级要求；解决了变速箱用齿轴钢零件带状、纯净度、晶粒度及淬透性问题。
附图说明
图1是圆钢带状标准图谱Abb.1；
图2是圆钢带状标准图谱Abb.2；
图3是圆钢带状标准图谱Abb.3；
图4是圆钢带状标准图谱Abb.4；
图5是炉号15203011768的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图；
图6是炉号15203011777的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图；
图7是炉号15203021585的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做详细说明。
实施1～3共同执行以下工艺：
①电炉工艺:配料选用优质废钢、生铁，优质生铁配入量大于40%;出钢磷为0.010％；出钢过程按1.0kg/t加铝；
②LF炉精炼工艺:全程采用碳粉+铝粒混合物扩散脱氧，首批脱氧剂全部用铝粒,加入量30kg;全程中等流量氩气搅拌，加入合金料时大流量氩气搅拌；
③VD工艺：VD入罐前进行扒渣处理，虑炉中按0.06%喂入铝线调整铝含量；开盖后取样，根据成品样进行调硫、调铝；
④浇注工艺：锭模温度35℃～40℃，浇注2.1t锭型，当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂；浇注过程中采用氩气保护浇注；
⑤初轧开坯工艺：钢锭在炉中以表温1250℃±10℃保温8h～10h，锭温为1210℃±10℃保温1h出炉轧制，轧后钢坯入坑缓冷55h；
⑥连轧加热工艺:钢坯从进炉到出炉时间要求大于120min,从加热Ⅰ段即升温Ⅰ段到出炉总时间大于75min，第一炉钢坯到达炉门（即在均热段）需要保温30min～40min后出炉轧制，均热段加热温度1150℃±30℃。
⑦冷却工艺：钢材轧后堆冷。
实施例1
炉号：15203011768，圆钢成品规格Φ80mm；
1.生产工艺
⑴炼钢工艺
①成品（熔检）化学成分见表5；
表5成品（熔检）化学成分
表5（续）
②电炉工艺
总装炉量66t，其中生铁配入35吨，占比53%；电炉出钢加渣料优质白灰800kg；出钢前5min向炉中喷入碳粉200kg；电炉出钢温度1659℃；
③LF炉精炼工艺
样1后喂入铝线30m,白渣时间40min；出钢温度1683℃；
④VD工艺
扒渣控制渣层厚度约60mm；VD真空度60Pa，保持时间15min，大流量氩气搅拌；软吹25min,VD出钢温度1591℃；
⑤初轧开坯工艺
钢锭加热8.5h；
⑥连轧加热工艺
钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为80min，第一支钢坯到达炉门时保温50min，钢坯在均热段加热温度：1140℃～1165℃；
2.生产检验结果
⑴非金属夹杂物检验结果见表6；
表6非金属夹杂物检验结果
⑵晶粒度采用渗碳法，检验结果为8级～6级；
⑶淬透性检验结果见表7；
表7淬透性检验结果
⑷交货硬度（HBW）：245、248、251；
⑸低倍组织检验结果见表8；
表8低倍组织检验结果
⑹成品氢含量：1×10－6，氧含量：10×10－6，氮含量122×10－6；
⑺带状组织符合Abb.2(见图5)。
实施例2
炉号：15203011777，圆钢成品规格Φ90mm；
1.生产工艺
⑴炼钢工艺
①成品（熔检）化学成分见表9；
表9成品（熔检）化学成分
表9（续）
②电炉工艺
总装炉量66t，其中生铁配入30吨，占比45%；电炉出钢加渣料优质白灰800kg，出钢前5min向炉中喷入碳粉200kg；电炉出钢温度1664℃；
③LF炉精炼工艺
样1后喂入铝线30m,白渣时间45min，出钢温度1688℃；
④VD工艺
扒渣控制渣层厚度约60mm，虑炉中按0.06%喂入160米铝线调整Al含量；VD真空度70Pa，保持时间20min，大流量氩气搅拌；软吹20min,VD出钢温度1590℃；
⑤轧开坯工艺
钢锭加热9h；
⑥连轧加热工艺
钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为75min，第一支钢坯到达炉门时保温50min,钢坯在均热段加热温度：1145℃～1168℃；
2.生产检验结果
⑴非金属夹杂物检验结果见表10；
表10非金属夹杂物检验结果
⑵粒度采用渗碳法，检验结果为8级～6级；
⑶淬透性检验结果见表11；
表11淬透性检验结果
⑷交货硬度（HBW）：248、247、250；
⑸低倍组织检验结果见表12；
表12低倍组织检验结果
⑹成品氢含量：1.0×10－6，氧含量：10×10－6，氮含量125×10－6；
⑺状组织符合Abb.2(见图6)。
实施例3
炉号：15203021585，圆钢成品规格Φ30mm；
1.生产工艺
⑴炼钢工艺
①成品（熔检）化学成分见表13；
表13成品（熔检）化学成分
表13（续）
②电炉工艺
总装炉量68t，其中生铁配入33吨，占比48.5%；电炉出钢加渣料优质白灰900kg，出钢前5min向炉中喷入碳粉300kg；电炉出钢温度1666℃；
③LF炉精炼工艺
样1后喂入铝线70m,白渣时间50min，出钢温度1690℃；
④VD工艺
扒渣控制渣层厚度约70mm，虑炉中按0.06%喂入180米铝线调整Al含量；VD真空度70Pa，保持时间15min，大流量氩气搅拌；软吹22min,VD出钢温度1590℃；
⑤轧开坯工艺
钢锭加热9h；
⑥连轧加热工艺
钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为75min，第一支钢坯到达炉门时保温50min，钢坯在均热段加热温度：1140℃～1165℃；
2.生产检验结果
⑴非金属夹杂物检验结果见表14；
表14非金属夹杂物检验结果
⑵粒度采用渗碳法，检验结果为8级～6级；
⑶淬透性检验结果见表15；
表15淬透性检验结果
⑷交货硬度（HBW）：249、250、253；
⑸低倍组织检验结果见表16；
表16低倍组织检验结果
⑹成品氢含量：1.0×10－6，氧含量11×10－6，氮含量120×10－6；
⑺状检验结果符合Abb.3图（见图7）。

Claims (4)

1.一种汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，其特征在于：所述新工艺包括炼钢工艺、轧制工艺、热处理工艺，所述炼钢工艺包括电炉工艺、LF炉精炼工艺、VD工艺、浇注工艺；所述轧制工艺包括初轧开坯工艺、连轧成材工艺；
所述电炉工艺：
总装炉量65t～68t，配料选用优质废钢、生铁，配入量不小于40%；电炉出钢加渣料采用优质白灰，氧化钙不小于90％，生烧率不大于10%，700kg～900kg，出钢前3min～5min降低用氧强度，增加喷碳粉用量，每炉约200kg～300kg；出钢不允许下氧化渣；出钢过程按1.0kg/t加铝;出钢温度不低于1630℃，出钢磷不大于0.010％；
所述LF炉精炼工艺：
全程采用碳粉和铝粒混合物扩散脱氧，首批脱氧剂全部用铝粒，加入量30kg～60kg，根据渣况可适当调整加入量；渣白取样，取完样1后，采用铝粒和碳粉混合物脱氧保持白渣；依样1全铝结果，按0.08%喂铝，根据渣况可适当调整喂铝量，白渣保持时间不小于30min；全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌；出钢温度：1670℃～1690℃；
所述VD工艺：
VD入罐前进行扒渣处理控制渣层厚度在40mm～80mm，考虑炉中按0.06％喂入铝线，可根据炉中进行适当调整喂入量；VD真空度不大于100Pa,保持时间10min～20min，必须保持真空下大流量氩气搅拌；开盖后取样，根据成品样调硫、调铝，喂后软吹时间不小于15min；VD出钢温度1580℃～1600℃；
所述浇注工艺：
浇注不大于2.1t锭型，锭模温度：30℃～80℃，低于此温度进行预热处理；浇注过程中采用氩气保护浇注；当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂；
所述轧制工艺：
初轧开坯工艺：
钢锭在加热炉中以表温1250℃±10℃保温8h～10h，然后将表温降温至1230℃，锭温为1210℃±10℃保温1h出炉.轧制成190方坯；轧后钢坯入坑缓冷55h；
连轧加热工艺：
钢坯采用步进式加热炉进行加热，加热炉分预热段→加热Ⅰ段→加热Ⅱ段→均热段，计4段，从进炉到出炉时间要求大于120min,从加热Ⅰ段即升温段，到出炉总时间大于75min，第一炉钢坯到达炉门即处于均热段需要保温30min～40min后出炉轧制，钢坯在均热段加热温度1150℃±30℃；
所述热处理工艺
钢材以热轧或退火状态交付，退火工艺为670℃±10℃、保温9h～12h，出炉空冷；热轧态交货材轧后堆冷。
2.根据权利要求1所述汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，其特征在于：
所述电炉工艺:总装炉量66t，其中生铁配入35吨，占比53%；电炉出钢加渣料优质白灰800kg；出钢前5min向炉中喷入碳粉200kg；电炉出钢温度1659℃;
所述LF炉精炼工艺:首批脱氧剂全部用铝粒,加入量30kg;样1后喂入铝线30m,白渣时间40min；出钢温度1683℃;
所述VD工艺：扒渣控制渣层厚度约60mm；VD真空度60Pa，保持时间15min，大流量氩气搅拌；软吹25min,VD出钢温度1591℃;
所述浇注工艺：锭模温度35℃～40℃，浇注2.1t锭型；
所述轧制工艺，初轧开坯工艺:钢锭加热8.5h,温度1250℃；在锭温1220℃时出炉轧制；
连轧加热工艺:钢坯从装炉到出炉时间为2h，钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为80min，第一支钢坯到达炉门时保温50min，钢坯在均热段加热温度：1140℃～1165℃。
3.根据权利要求1所述汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，其特征在于：
所述电炉工艺:总装炉量66t，其中生铁配入30吨，占比45%；电炉出钢加渣料优质白灰800kg，出钢前5min向炉中喷入碳粉200kg；电炉出钢温度1664℃;
所述LF炉精炼工艺:首批脱氧剂全部用铝粒,加入量30kg,样1后喂入铝线30m,白渣时间45min，出钢温度1688℃;
所述VD工艺：扒渣控制渣层厚度约60mm，虑炉中按0.06%喂入160米铝线调整Al含量；VD真空度70Pa，保持时间20min，大流量氩气搅拌；软吹20min,VD出钢温度1590℃;
所述浇注工艺：锭模温度35℃～40℃，浇注2.1t锭型；
所述轧制工艺，初轧开坯工艺：钢锭加热9h,温度1250℃；在锭温1220℃时出炉轧制；
连轧加热工艺:钢坯从装炉到出炉时间为2h，钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为75min，第一支钢坯到达炉门时保温50min,钢坯在均热段加热温度：1145℃～1168℃。
4.根据权利要求1所述汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺，其特征在于：
所述电炉工艺:总装炉量68t，其中生铁配入33吨，占比48.5%；电炉出钢加渣料优质白灰900kg，出钢前5min向炉中喷入碳粉300kg；电炉出钢温度1666℃;
所述LF炉精炼工艺:首批脱氧剂全部用铝粒,加入量30kg,样1后喂入铝线70m,白渣时间50min，出钢温度1690℃;
所述VD工艺：扒渣控制渣层厚度约70mm，虑炉中按0.06%喂入180米铝线调整Al含量；VD真空度70Pa，保持时间15min，大流量氩气搅拌；软吹22min,VD出钢温度1590℃;
所述浇注工艺：锭模温度35℃～40℃，浇注2.1t锭型；
所述轧制工艺，初轧开坯工艺：钢锭加热9h,温度1250℃；在锭温1220℃时出炉轧制；
连轧加热工艺:钢坯从装炉到出炉时间为2h，钢坯从加热Ⅰ段到出炉总时间为75min，第一支钢坯到达炉门时保温50min，钢坯在均热段加热温度：1140℃～1165℃。
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