高品质变速箱齿轮用钢xcs-23的研发

2020-07-03张学诚

山东冶金 2020年3期

张学诚

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214429）

1 前言

近年来，随着我国汽车工业的高速发展，汽车产量不断增长，对高品质齿轮钢的需求也在增加。汽车齿轮是汽车变速箱中重要的传动部件，其品质的好坏直接决定了整个变速箱的整体质量。用于制作汽车变速箱的主要材料汽车齿轮钢，其强韧性、纯净度、淬透性对齿轮的疲劳寿命起着至关重要的作用。xcs-23齿轮钢是一种新型的高品质变速箱齿轮用钢。该齿轮钢具有强度高、韧性好、纯净度高等优点。该钢种的成功研发大幅提升了国产高档变速箱齿轮运行的稳定性以及使用寿命。xcs-23齿轮钢制造的国产品牌汽车变速器性能优异，现已得到用户的广泛好评。

2 工艺流程与成分设计

工艺流程：优质废钢＋铁水→100 t电弧炉初炼→100 t精炼炉精炼→VD真空脱气处理→弧形连铸机浇铸→轧钢分厂加热→轧钢分厂轧制→轧钢分厂精整、探伤→检验、包装、入库。

高品质渗碳齿轮钢xcs-23的化学成分要求如表1所示。

表1 xcs-23钢化学成分（质量分数） %

3 高品质渗碳齿轮钢xcs-23的生产工艺

3.1 炼钢

电炉冶炼选用优质废钢与高炉铁水进行冶炼。经过大量的实践与研究发现：高品质渗碳齿轮钢xcs-23钢材纯净度与废钢的品质优劣存在密切的相关性，选择高品质的废钢有利于提升钢材纯净度。xcs-23齿轮钢纯净度指数与废钢的等级关系如图1所示。钢材纯净度指数越高代表钢材非金属夹杂物含量越少。

图1 xcs-23齿轮钢纯净度指数与废钢等级关系

3.2 连铸

为降低xcs-23齿轮钢氧含量，进一步减少钢中的非金属夹杂物，连铸需要采用保护浇铸。大包、中间包的钢水注流采用长水口与浸入式水口进行封闭，可以有效地隔绝钢水与大气的接触，减少高温钢水的吸氧，有利于降低钢中氧含量以及非金属夹杂物的含量，提高铸坯的内部质量。另外，钢水注流采取封闭措施，可减少钢水热量损失，稳定钢水的过程温降，从而对稳定连铸过热度起到一定的作用。通过实施连铸保护浇铸，xcs-23钢材可以达到极低的成品氧含量，氧化物夹杂含量也明显下降［1］。

3.3 轧钢

xcs-23齿轮钢因含有Cr、Mn、Mo、Si等多种合金元素，铸坯在浇铸过程中不可避免的会产生较为严重的枝晶偏析，在轧制过程中将形成沿钢材轧制方向的先共析铁素体条带与珠光体条带，它们相互堆叠最终产生带状组织。带状组织造成了钢材的各向异性，降低热轧钢材的强度与韧性［2］；成品齿轮零件淬火后变形量也会增加，强度与韧性也会随之下降，最终影响了成品齿轮的疲劳寿命。经大量的实践生产与研究发现［3］，适当延长轧钢加热炉加热时间可以有效地改善连铸坯的枝晶偏析，从而减轻xcs-23齿轮钢带状组织。具体连铸坯加热时间与xcs-23齿轮钢热轧材带状组织的关系见图2。

图2 连铸坯加热时间与热轧材带状组织关系

4 关键理化性能研究

4.1 化学成分与淬透性

xcs-23齿轮钢淬透性的稳定是减少成品齿轮渗碳淬火变形量的关键因素。要实现窄淬透性带宽，炼钢化学成分精确控制是关键。精炼炉通过自动加料并计算的方式，控制C、Mn、Cr、Mo 4个主要元素含量稳定在一个较窄的范围之内；连铸过程采用结晶器电磁搅拌与末端电磁搅拌，以改善连铸坯的偏析情况。高品质变速箱齿轮用钢xcs-23热轧材端淬实测值可以稳定控制在≤3 HRC。

4.2 纯净度

钢中的氧主要以氧化物夹杂的形式存在，氧化物夹杂物是导致齿轮疲劳失效的主要原因。大尺寸氧化物夹杂（≥20 um）是齿轮疲劳失效时的疲劳源，受力时容易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。齿轮弯曲疲劳断齿是齿轮最严重的失效形式之一［4］，它可以直接导致动力传输系统失效，变速箱断齿有可能酿成严重的交通事故。通常情况降低钢中的氧含量与大尺寸氧化物夹杂的数量可以显著提高齿轮的疲劳寿命。经过大量的试验分析以及数据采集［5］，最终得出xcs-23齿轮钢氧含量、20 um/cm3以上氧化物夹杂数量与齿轮的疲劳寿命的三者之间的关系如图3所示。

4.3 奥氏体晶粒度

图3 齿轮疲劳寿命与氧含量、氧化物数量关系

奥氏体晶粒度是恒量齿轮钢质量的重要指标。细小均匀的奥氏体晶粒可以保证齿轮渗碳淬火后的强度与韧性。xcs-23齿轮钢通过控制钢中AlN质点形态与分布，达到高温下有效钉扎晶界的效果，从而起到阻止高温下晶粒长大的作用。xcs-23热轧圆钢经过930℃保温6 h后，奥氏体晶粒度经检测全部稳定在6.0～8.0级，奥氏体晶粒度7.0级以上的比例更是达到85%以上。xcs-23热轧钢材奥氏体晶粒度如图4所示。