CN116555680A - 一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢及其制造方法。该齿轮用钢的化学成分质量百分数为C:0.13～0.18％，Si:≤0.15％，Mn:1.10～1.35％，Cr:1.20～1.45％，P:≤0.012％，S:≤0.003％，Ni:0.15～0.35％，Mo:0.05‑0.20％，Al:0.015‑0.050％，Nb:0.015‑0.050％,N：0.0085‑0.0225％，B:0.0015‑0.0035％,余量为Fe及不可避免的杂质。经过初炼‑精炼‑真空脱气‑连铸‑热送‑轧制‑等温热处理等工艺步骤，制造的一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，钢材带状组织≤1.5级，钢材的硬度≤160HBW，钢材的奥氏体晶粒度≥8级，钢材表面无裂纹缺陷，钢材870℃油淬+200℃回火后的抗拉强度≥1180MPa。
Description
技术领域
本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢及其制造方法。
背景技术
新能源汽车减速器齿轮在传动过程转速非常高，有些高品质的新能源减速器齿轮转速甚至可以达到10000r/min以上，齿轮在高速运转过程中不断地承受着较大的外力。新能源汽车减速器齿轮必须拥有较高的强度、较好的组织均匀性、良好的装配精度以保证新能源汽车减速器拥有较长的疲劳寿命。相对应的钢材必须拥有优异的带状组织，较低的硬度、表面无裂纹缺陷以便于钢材冷锻成型，细小的奥氏体晶粒以及较高的强度。
专利号CN112981271A公开了一种电动汽车减速器齿轮用钢的制造方法，属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种齿轮用钢。涉及元素成分设计：按质量百分比为C：0.20～0.35％，Si：0.05～0.35％，Mn：1.20～1.60％，Cr：1.10～1.50％，Mo：0.20～0.50％，S：≤0.035％，P：≤0.015％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Al：0.010～0.080％,N：0.0060～0.0260％，Al/N:1.5～3.9,余量为Fe及不可避免的杂质。冶炼工艺流程：预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸方坯→连铸方坯抛丸→步进式加热炉加热→高压水除鳞→连铸坯轧制→热轧圆钢表面探伤+内部超声波探伤-质检-入库。元素成分配合冶炼工艺，满足了电动汽车减速器用钢高强度与高疲劳寿命的要求，同时在淬透性和晶粒均一性方面获得了显著的优势。
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新能源汽车高强度减速器齿轮用钢及其制造方法，以确保钢材拥有细小的奥氏体晶粒以及较高的抗拉强度。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，所述齿轮用钢的化学成分按重量百分比为C:0.13～0.18％，Si:≤0.15％，Mn:1.10～1.35％，Cr:1.20～1.45％，P:≤0.012％，S:≤0.003％，Ni:0.15～0.35％，Mo:0.05-0.20％，Al:0.015-0.050％，Nb:0.015-0.050％,N：0.0085-0.0225％，B:0.0015-0.0035％,余量为Fe及不可避免的杂质。
所述钢材带状组织≤1.5级，钢材的硬度≤160HBW，钢材的奥氏体晶粒度≥8级，钢材表面无裂纹缺陷，钢材870℃油淬+200℃回火后的抗拉强度≥1180MPa。
本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：
C:碳是影响钢材强度的最主要的元素。含碳量越高，钢的抗拉强度也越高；钢材硬度也会随之提高。为保证本发明钢材拥有较低的硬度，本发明采用低碳设计，碳含量选择范围为0.13～0.18％。
Si:本发明钢种用于冷锻，为防止冷锻过程中产生冷作硬化现象，需要严格控制钢中的硅含量。本发明硅含量的选择范围为Si≤0.15％。
Mn:锰是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中会降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体强度的作用。本发明中的Mn含量选择范围为1.10～1.35％。
Cr:铬能增加钢的淬透性与强度，但是钢的硬度也会随之提升。本发明中的Cr含量选择范围为1.20～1.45％。
P:本发明属于冷锻用钢，磷能使钢的抗拉强度明显下降，特别的在低温下更为严重。本发明磷含量的选择范围为P≤0.012％。
S:硫以硫化铁(FeS)的形态存在于本发明钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。连铸拉矫过程与轧制过程由于FeS化合物的过早熔化会导产生钢材表面开裂。本发明S含量的选择范围为S≤0.003％。
Ni:镍元素可以提升钢材的抗拉强度。但是，镍属于贵金属。本发明Ni含量的选择范围为0.15～0.35％。
Mo:钼可以有效地提升钢材的抗拉强度。但是，钼属于贵金属。本发明Mo含量的选择范围为0.05-0.20％。
Al、N、Nb:铝与钢中的氧结合起到脱氧的作用，铝与氮结合形成的AlN可以起到细化钢材晶粒度的作用，铌与氮结合形成的NbN同样起到细化钢材晶粒度的作用。本发明Al含量的选择范围为0.015-0.050％，N含量的选择范围为0.0085-0.0225％，Nb含量的选择范围为0.015-0.050％。
B:硼在本发明中主要作用是增加钢的淬透性，提升钢材的抗拉强度，从而节约其它较贵重的金属。本发明B含量的选择范围为B:0.0015-0.0035％。
上述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢及其制造方法包含如下工艺步骤：
采用初炼-精炼-真空脱气工艺方式冶炼的钢水，吊装至连铸平台进行浇铸，连铸结晶器冷却采用强冷的方式，使铸坯表面形成厚度10mm以上的高强度激冷层，激冷层由不同取向的细小等轴晶带组成，强度较高的细小等轴晶带确保了后续拉矫过程中，连铸坯不会产生表面裂纹缺陷。为防止连铸坯表面在冷却过程中产生过大的应力，连铸坯采用热送工艺，热送温度≥600℃。
表面无裂纹缺陷且应力较低的连铸坯热送入加热炉加热至1180-1280℃。加热后的连铸坯需要经过粗轧、中轧以及精轧的这三阶段轧制变形，这三阶段的轧制变形过程温度均应在相对高的塑性温度下进行，确定高塑性温度的方法：连铸坯加热到不同的温度(加热温度区间为750-1100℃)，然后使用相同的力对连铸坯进行锻造，连铸坯锻造后可实现大变形的即为高塑性温度。轧材表面较低的应力确保了铸坯加热过程表面不会发生开裂；高塑性温度下的轧制变形则保障了轧制过程中材料表面不产生裂纹缺陷。
轧制后的钢材送入等温炉进行等温热处理，等温热处理共分为三个阶段，第一阶段为等温正火处理，该阶段的目的是在最短的时间内让轧材中还未完全析出的NbC、AlN质点全部充分地析出，确定最佳正火保温温度的方法为使用扫描电镜观测高温轧材在850-950℃区间内，不同温度下轧材内部的NbC、AlN质点析出的速率，当NbC、AlN质点拥有最高的析出速率时，此温度即为最佳的正火温度；第二阶段为急速冷却，钢材的温降速度≥10℃/s,钢材急速冷却至Ar1温度(本发明的Ar1温度为705℃)以下20℃，此阶段的目的是减少钢材在共析相变之前先析出条带状的先共析铁素体；第三阶段为等温退火处理，该阶段的目的是在Ar1温度以下20℃保温一段时间，让奥氏体组织全部转变为细小并且均匀分布的铁素体与珠光体组织，从而减轻钢材的带状。最后空冷，钢材的硬度降低至160HBW以下。
本发明针对新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，成分设计低碳，添加适量的镍、钼元素，并且加入微量的铝、氮、铌元素，通过后续的热处理工艺，通过后续的热处理工艺使得AlN、NbN质量全部充分地析出，以保证钢材拥有细小的奥氏体晶粒以及较高的抗拉强度。本发明连铸过程铸坯在结晶器内采用强冷工艺，促使铸坯表面形成10mm以上的高强度激冷层；连铸坯采用热送工艺，以减小铸坯表面的应力；连铸坯在高塑性温度下进行粗轧、中轧以及精轧，确保生产的钢材表面无裂纹缺陷。轧制结束后的钢材进行三阶段的等温热处理，作用为①NbC、AlN质点以最快的速率全部充分地析出；②减少钢材在共析相变之前先析出条带状的先共析铁素体；③让奥氏体组织全部转变为细小并且均匀分布的铁素体与珠光体组织，从而减轻钢材的带状，并且降低钢材的硬度至160HBW以下。最终生产出的新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，其特征在于：钢材带状组织≤1.5级，钢材的硬度≤160HBW，钢材的奥氏体晶粒度≥8级，钢材表面无裂纹缺陷，钢材870℃油淬+200℃回火后的抗拉强度≥1180MPa。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明针对新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，成分上采用低碳设计，添加适量的镍、钼元素，并且加入微量的铝、氮、铌元素，通过后续的热处理工艺使得AlN、NbN质量全部充分地析出，以保证钢材拥有细小的奥氏体晶粒以及较高的抗拉强度。连铸过程高温的铸坯出结晶器后立即采用强冷工艺，促使铸坯表面形成10mm以上的高强度激冷层；连铸坯采用热送工艺，以减小铸坯表面的应力；连铸坯在高塑性温度下进行粗轧、中轧以及精轧，确保生产的钢材表面无裂纹缺陷。轧制结束后的钢材进行三阶段的等温热处理，各阶段的作用为①NbC、AlN质点以最快的速率全部充分地析出②形成细小并且均匀分布的铁素体组织，减轻铁素体带状组织。③降低钢材的硬度至160HBW以下。通过合理的炼钢、轧钢、等温热处理工艺成功制造了一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，填补了国内空白。
附图说明
图1为本发明实施例1纵向带状组织(X100倍)，带状组织等级为0.5级。
图2为本发明实施例2纵向带状组织(X100倍)，带状组织等级为0.5级。
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。
实施例1与实施例2：
两实施例所涉及的一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢制造方法：100t电炉初炼→100t精炼炉精炼→VD炉真空脱气→连铸方坯(300mmX340mm)→连铸坯热送→连铸坯加热→粗轧→中轧→精轧→等温炉等温热处理。制造两个批次的新能源汽车高强度减速器齿轮用钢。
炼钢采用电炉-精炼-真空脱气工艺方式冶炼的钢水，吊装至连铸平台进行浇铸，铸坯出结晶器后采用强冷的方式，表面激冷层厚度为15mm(实施例1)、17mm(实施例2)；连铸坯热送温度为633℃(实施例1)、626℃(实施例2)。
连铸坯热送至加热炉加热至1180-1280℃。加热后的连铸坯需要经过粗轧、中轧以及精轧的这三阶段轧制变形成Φ52mm(实施例1)、Φ95mm(实施例2)，粗轧温度为1050℃、中轧温度为1000℃、精轧温度为975℃。
轧制后的钢材送入等温炉进行等温热处理，第一阶段等温正火处理，等温温度为925℃，等温时间为52min(实施例1)、95min(实施例2)；第二阶段钢材采用强风冷却，温降速度为12℃/s(实施例1)、11℃/s(实施例2)，急速冷却至685℃，保温208min(实施例1)、380min(实施例2)，最后出炉空冷。
实施例1和2制得的钢材化学成分见表1；
表1(wt％)
实施例1和2的制得的钢材表面无任何的裂纹缺陷，钢材的带状组织等级、硬度、奥氏体晶粒度等级具体见表2；
表2
| 规格 | 带状组织(级) | 钢材硬度 | 奥氏体晶粒度(级) | |
| 实施例1 | Φ52mm | 0.5 | 147HBW | 8.5 |
| 实施例2 | Φ95mm | 0.5 | 158HBW | 9.0 |
实施例1和2制得的钢材经870℃油淬，200℃回火，钢材的抗拉强度见表3；
表3
| 规格 | 抗拉强度 | |
| 实施例1 | Φ52mm | 1198MPa |
| 实施例2 | Φ95mm | 1287MPa |
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 (9)
1.一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，其特征在于该钢的化学成分重量百分比为C:0.13～0.18％，Si:≤0.15％，Mn:1.10～1.35％，Cr:1.20～1.45％，P:≤0.012％，S:≤0.003％，Ni:0.15～0.35％，Mo:0.05-0.20％，Al:0.015-0.050％，Nb:0.015-0.050％,N：0.0085-0.0225％，B:0.0015-0.0035％,余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢，其特征在于所述齿轮用钢的带状组织≤1.5级，钢材的硬度≤160HBW，钢材的奥氏体晶粒度≥8级，钢材表面无裂纹缺陷，钢材870℃油淬+200℃回火后的抗拉强度≥1180MPa。
3.一种如权利要求1所述的新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于所述方法的主要步骤为：
1)采用初炼-精炼-真空脱气工艺方式冶炼的钢水，吊装至连铸平台进行浇铸；
2)表面无裂纹缺陷且应力较低的连铸坯热送入加热炉加热至1180-1280℃，加热后的连铸坯需要经过粗轧、中轧以及精轧的这三阶段轧制变形；
3)轧制后的钢材送入等温炉进行等温热处理，等温热处理共分为三个阶段，第一阶段为等温正火处理，该阶段的目的是在最短的时间内让轧材中还未完全析出的NbC、AlN质点全部充分地析出；第二阶段为急速冷却，此阶段的目的是减少钢材在共析相变之前先析出条带状的先共析铁素体；第三阶段为等温退火处理，该阶段的目的是在Ar1温度以下20℃保温一段时间，让奥氏体组织全部转变为细小并且均匀分布的铁素体与珠光体组织，从而减轻钢材的带状，最后空冷，钢材的硬度降低至160HBW以下。
4.根据权利要求3所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于连铸结晶器冷却采用强冷的方式，使铸坯表面形成厚度10mm以上的高强度激冷层，激冷层由不同取向的细小等轴晶带组成，强度较高的细小等轴晶带确保了后续拉矫过程中，连铸坯不会产生表面裂纹缺陷。
5.根据权利要求4所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于为防止连铸坯表面在冷却过程中产生过大的应力，连铸坯采用热送工艺，热送温度≥600℃。
6.根据权利要求3所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于三阶段的轧制变形过程温度均在相对高的塑性温度下进行，确定高塑性温度的方法：连铸坯加热到不同的温度，然后使用相同的力对连铸坯进行锻造，连铸坯锻造后可实现大变形的即为高塑性温度。
7.根据权利要求6所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于连铸坯加热的温度为为750-1100℃。
8.根据权利要求3所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于等温正火处理时确定最佳正火保温温度的方法为使用扫描电镜观测高温轧材在850-950℃区间内，不同温度下轧材内部的NbC、AlN质点析出的速率，当NbC、AlN质点拥有最高的析出速率时，此温度即为最佳的正火温度。
9.根据权利要求3所述一种新能源汽车高强度减速器齿轮用钢的制造方法，其特征在于急速冷却阶段钢材的温降速度≥10℃/s,钢材急速冷却至Ar1温度以下20℃，Ar1温度为705℃。
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