高品質變速箱齒輪用鋼xcs-23的研發

2020-07-03 07:05:00張學誠

山東冶金 2020年3期

張學誠

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰214429）

1 前言

近年來，隨著我國汽車工業的高速發展，汽車產量不斷增長，對高品質齒輪鋼的需求也在增加。汽車齒輪是汽車變速箱中重要的傳動部件，其品質的好壞直接決定了整個變速箱的整體質量。用于制作汽車變速箱的主要材料汽車齒輪鋼，其強韌性、純凈度、淬透性對齒輪的疲勞壽命起著至關重要的作用。xcs-23齒輪鋼是一種新型的高品質變速箱齒輪用鋼。該齒輪鋼具有強度高、韌性好、純凈度高等優點。該鋼種的成功研發大幅提升了國產高檔變速箱齒輪運行的穩定性以及使用壽命。xcs-23齒輪鋼制造的國產品牌汽車變速器性能優異，現已得到用戶的廣泛好評。

2 工藝流程與成分設計

工藝流程：優質廢鋼＋鐵水→100 t電弧爐初煉→100 t精煉爐精煉→VD真空脫氣處理→弧形連鑄機澆鑄→軋鋼分廠加熱→軋鋼分廠軋制→軋鋼分廠精整、探傷→檢驗、包裝、入庫。

高品質滲碳齒輪鋼xcs-23的化學成分要求如表1所示。

表1 xcs-23鋼化學成分（質量分數） %

3 高品質滲碳齒輪鋼xcs-23的生產工藝

3.1 煉鋼

電爐冶煉選用優質廢鋼與高爐鐵水進行冶煉。經過大量的實踐與研究發現：高品質滲碳齒輪鋼xcs-23鋼材純凈度與廢鋼的品質優劣存在密切的相關性，選擇高品質的廢鋼有利于提升鋼材純凈度。xcs-23齒輪鋼純凈度指數與廢鋼的等級關系如圖1所示。鋼材純凈度指數越高代表鋼材非金屬夾雜物含量越少。

圖1 xcs-23齒輪鋼純凈度指數與廢鋼等級關系

3.2 連鑄

為降低xcs-23齒輪鋼氧含量，進一步減少鋼中的非金屬夾雜物，連鑄需要采用保護澆鑄。大包、中間包的鋼水注流采用長水口與浸入式水口進行封閉，可以有效地隔絕鋼水與大氣的接觸，減少高溫鋼水的吸氧，有利于降低鋼中氧含量以及非金屬夾雜物的含量，提高鑄坯的內部質量。另外，鋼水注流采取封閉措施，可減少鋼水熱量損失，穩定鋼水的過程溫降，從而對穩定連鑄過熱度起到一定的作用。通過實施連鑄保護澆鑄，xcs-23鋼材可以達到極低的成品氧含量，氧化物夾雜含量也明顯下降［1］。

3.3 軋鋼

xcs-23齒輪鋼因含有Cr、Mn、Mo、Si等多種合金元素，鑄坯在澆鑄過程中不可避免的會產生較為嚴重的枝晶偏析，在軋制過程中將形成沿鋼材軋制方向的先共析鐵素體條帶與珠光體條帶，它們相互堆疊最終產生帶狀組織。帶狀組織造成了鋼材的各向異性，降低熱軋鋼材的強度與韌性［2］；成品齒輪零件淬火后變形量也會增加，強度與韌性也會隨之下降，最終影響了成品齒輪的疲勞壽命。經大量的實踐生產與研究發現［3］，適當延長軋鋼加熱爐加熱時間可以有效地改善連鑄坯的枝晶偏析，從而減輕xcs-23齒輪鋼帶狀組織。具體連鑄坯加熱時間與xcs-23齒輪鋼熱軋材帶狀組織的關系見圖2。

圖2 連鑄坯加熱時間與熱軋材帶狀組織關系

4 關鍵理化性能研究

4.1 化學成分與淬透性

xcs-23齒輪鋼淬透性的穩定是減少成品齒輪滲碳淬火變形量的關鍵因素。要實現窄淬透性帶寬，煉鋼化學成分精確控制是關鍵。精煉爐通過自動加料并計算的方式，控制C、Mn、Cr、Mo 4個主要元素含量穩定在一個較窄的范圍之內；連鑄過程采用結晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌，以改善連鑄坯的偏析情況。高品質變速箱齒輪用鋼xcs-23熱軋材端淬實測值可以穩定控制在≤3 HRC。

4.2 純凈度

鋼中的氧主要以氧化物夾雜的形式存在，氧化物夾雜物是導致齒輪疲勞失效的主要原因。大尺寸氧化物夾雜（≥20 um）是齒輪疲勞失效時的疲勞源，受力時容易發生解理開裂，導致齒輪早期失效。齒輪彎曲疲勞斷齒是齒輪最嚴重的失效形式之一［4］，它可以直接導致動力傳輸系統失效，變速箱斷齒有可能釀成嚴重的交通事故。通常情況降低鋼中的氧含量與大尺寸氧化物夾雜的數量可以顯著提高齒輪的疲勞壽命。經過大量的試驗分析以及數據采集［5］，最終得出xcs-23齒輪鋼氧含量、20 um/cm3以上氧化物夾雜數量與齒輪的疲勞壽命的三者之間的關系如圖3所示。

4.3 奧氏體晶粒度

圖3 齒輪疲勞壽命與氧含量、氧化物數量關系

奧氏體晶粒度是恒量齒輪鋼質量的重要指標。細小均勻的奧氏體晶粒可以保證齒輪滲碳淬火后的強度與韌性。xcs-23齒輪鋼通過控制鋼中AlN質點形態與分布，達到高溫下有效釘扎晶界的效果，從而起到阻止高溫下晶粒長大的作用。xcs-23熱軋圓鋼經過930℃保溫6 h后，奧氏體晶粒度經檢測全部穩定在6.0～8.0級，奧氏體晶粒度7.0級以上的比例更是達到85%以上。xcs-23熱軋鋼材奧氏體晶粒度如圖4所示。