汽車齒輪用Ni系鋼的研制應用

張永  李福勇

（石家莊鋼鐵有限責任公司技術中心，河北石家莊，050031）

摘  要：針對汽車齒輪用Ni系鋼要求疲勞性能高、合金元素含量高成分穩定性控制難度大、熱處理易混晶等技術難點，石鋼采用“轉爐-LF-VD-CC”冶煉流程進行了鋼水純凈度控制、窄淬透性帶控制、細化晶粒等技術的研發，保證了汽車齒輪用Ni系鋼的穩定性、純凈化和均質化，獲得了高水平冶金實物質量，同時生產成本顯著降低。

關鍵詞：汽車齒輪；Ni系鋼；純凈度；淬透帶

Development and application of Ni series steel for auto gears

Zhang Yong，Li Fuyong

（Shijiazhuang iron and steel Company, Technology Center，Shijiazhuang 050031）

Abstract: In view of the technical difficulties such as high fatigue property, high content of alloy elements stability control and easy mixing of crystals in heat treatment of Ni-series steel for automobile gears, Shigang has developed technologies such as purity control of molten steel, narrow hardenability band control and grain refinement by using " Top and Bottom Combined Blown Converter-LF-VD-CC" smelting process, which ensures the stability, purity and homogenization of Ni-series steel for automobile gears. A high level of metallurgical quality has been obtained, while the production cost has been significantly reduced.

Key words: Auto gears；Ni series steel；Purity；Hardenability zone

1引言

大扭矩汽車齒輪承載較高的沖擊載荷，我國傳統CrMnTi、CrMo系列齒輪鋼性能不能滿足要求，容易早期疲勞失效，尤其中、重型汽車用齒輪還大量依賴進口鋼材進行生產。研究表明^[1]，能提高韌性的合金元素Ni可以提高材料的抗過載能力，能克服早期疲勞失效的問題。因此，較大模數、重負荷汽車齒輪需要選用含Ni的Cr-Ni、Cr-Ni- Mo系齒輪鋼。近年來重型汽車市場發展較快，2017年重卡銷量達110多萬輛創歷史新高，2018年環保限行下的國Ⅲ更新換代成為重卡需求的新驅動力，汽車齒輪用Ni系鋼存在潛在的需求前景，開發研制Ni系齒輪鋼對于搶占齒輪鋼市場迫切需要。

2 生產流程與技術要求

石鋼主要采用“轉爐-LF-VD-連鑄-連軋”流程生產高質量汽車變速器齒輪用Ni系鋼。

通過分析汽車齒輪使用技術特性與技術要求^[2]，確定齒輪鋼的性能指標要求如表1：

表1 Ni系齒輪鋼技術要求

3 研制過程以及研制結果

針對汽車齒輪用Ni系鋼疲勞性能要求高、合金元素含量高成分穩定性控制難度大、熱處理易混晶等技術難點，采用“轉爐+LF+VD+CC”冶煉流程，進行了鋼水脫氧和防止二次氧化以提高純凈度保證疲勞性能、快速成分分析+成分微調提高成分控制精準度保證窄淬透性帶、清潔氮微合金化細晶保證晶粒度等技術的研發。

3.1多品種化開發

由于我國從多個國家引進樣車和制造技術，其用鋼各大汽車制造公司都有各自的牌號，使齒輪用鋼的牌號繁雜，增大了國產化的困難。產品開發人員潛心研究各國齒輪鋼系列和技術特性，開發出適合不同車型差異化技術要求的汽車齒輪Ni系鋼品種，涵蓋德標、美標、國標含Ni的Cr-Ni鋼、Ni-Cr-Mo鋼系列，如表2，涉及幾十個牌號，具備了多國標準、多鋼種牌號的生產能力。

表2 石鋼Ni系齒輪鋼牌號

3.2 高純凈度冶煉保證疲勞性能

研究表明，鋼中夾雜A1₂0₃ 導致齒面接觸疲勞損傷和彎曲疲勞斷裂，影響汽車齒輪的使用壽命。通過降低齒輪鋼中氧含量，減少氧化物夾雜，提高鋼的純度，可使齒輪疲勞壽命大幅度提高。日本、歐美國家對齒輪鋼的氧含量均進行嚴格限制。

通過轉爐出鋼過程加預熔爐渣改質劑促進鋼包頂料快速成渣、精煉采用Al—Si復合脫氧、前期即具有較好的流動性，加快了鋼包頂渣與鋼水的反應；充分發揮爐渣脫氧、去夾雜作用。 控制連鑄保護澆注控制技術開澆中間包進行氬氣填充排空，實現中間包的保護；通過采用 “長水口+密封墊+氬氣保護+高檔中包整體侵入式水口”組合模式的保護澆注，改善了大包、中包到中包水口的全程保護的效果，有效抑制了鋼水在澆注過程二次氧化生成A1₂0₃夾雜。

通過精煉控制技術和連鑄組合模式保護澆鑄技術，實現了Ni系齒輪鋼T[O]全部≤0.0020%，97%爐次T[O]≤0.0015%，達到了日本、歐美國家對滲碳齒輪鋼的氧含量要求，有效控制了鋼中夾雜物級別，達到級別如表3。鋼的純凈度高，保證了Ni系齒輪鋼的疲勞性能。

表3 石鋼Ni系齒輪鋼達到的夾雜物水平（細系夾雜）

3.3 淬透性與窄淬透帶控制

為適應轉爐生產快節奏的特點，冶煉時利用快速成分分析傳輸系統進行成分測定及數據反饋共享，LF精煉崗位計算補加成分進行調整，在冶煉過程對成分及時進行微調，提高了成分控制的精準度，減小了爐次間成分波動，齒輪鋼窄成分控制能力達到水平如表4。使得Ni系齒輪鋼帶寬穩定控制≤6HRC，17CrNiMo6等部分牌號達到帶寬≤4HRC水平，如圖1。

表4  石鋼Ni系齒輪鋼窄成分控制水平

 圖1 端淬檢測淬透性帶

3.4 清潔氮微合金化保證細晶粒

晶粒大小是衡量汽車滲碳齒輪鋼的一項重要指標，細小均勻的奧氏體晶粒，可以減少齒輪熱處理后的變形量。通過控制鋼中合適氮含量與Al微合金化形成AIN釘扎晶界，來抑制齒輪滲碳熱處理時晶粒長大，經過930℃保溫4小時，晶粒度達7～8，晶粒細小不出現混晶。

傳統增氮工藝采用氮化錳線或氮化錳合金進行增氮，對鋼水造成二次污染，同時氮合金化成本也較高。針對此，探索開發了能提高鋼的質量、又顯著降低生產成本的提質降本新工藝技術——專利《一種鋼包底吹氮增氮的方法》。此創新工藝的先進性：1）改善純凈度：不使用氮化錳合金及氮化錳線加入鋼水，避免了對鋼水二次污染改善了純凈度。2）合金化成本顯著降低：經測算，此方法較原有工藝使冶煉成本降低15.32元/噸鋼。3）清潔生產：消除了加氮化錳產生大量煙氣的污染現象，踐行了生態友好型冶煉的發展模式。

采用該技術后，僅采用底吹氮工藝不需要添加含氮合金即可完成氮微合金化過程，成品氮含量能夠控制在0.0060%～0.0150%范圍（主要集中在0.0080%～0.0120%范圍）如圖2所示，完全可以滿足鋼中氮含量控制需要。

 圖2 檢測鋼中氮含量

3.5 鋼材表面質量控制

   鎳系鋼加熱后氧化鐵皮粘度大，清除困難，軋制中壓入鋼材表面，造成鋼材凹凸不光潔，將影響用戶使用。控制加熱段后期和均熱段相對較低的溫度,且加熱時間不過長, 這樣產生的低共熔體和富 Ni 的金屬粒子及網絲相對較少,因而氧化鐵皮的粘附性較弱,同時爐壓控制穩定，爐內氣氛保持還原性，加上鋼坯出爐后與冷空氣接觸,表面溫度一般都在1200℃以下,產生的液相已經凝固,在高壓水除鱗時,氧化鐵皮可全部剝離,從而保證了軋材表面質量滿足要求。

通過以上工藝技術的應用，保證了汽車齒輪用Ni系鋼的穩定性、純凈化和均質化，獲得了高水平冶金實物質量，檢測達到的技術指標如表5。

表5 Ni系齒輪鋼達到的技術指標

石鋼針對汽車齒輪用Ni系鋼特性，進行了高純凈度冶煉工藝、窄淬透性帶控制技術、清潔氮微合金化細晶技術等研發。實現了適合汽車齒輪用Ni系鋼的本土研制開發，產品已批量供給國內商用車變速器制造廠家、商用車生產龍頭企業和乘用車變速器歐洲品牌等涵蓋國際、國內一線變速箱制造企業，正在逐步替代進口鋼材，且部分出口至歐美市場，取得了可觀的經濟效益。

參考文獻

[1] 張繼魁，張愛軍等.汽車滲碳齒輪鋼在重型汽車上的應用[J].重型汽車, 2009.2

[2] 皇百紅.汽車用滲碳齒輪鋼[J].汽車工藝與材料,2004.9