一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢及制造方法与流程

1.本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢及制造方法。


背景技术：

2.汽车差速器齿轮用钢牌号较多，根据各地区的资源情况而异。国内外主要使用钢种有，国内20crni2mo钢种为主，德国采用18crnimo7-6、美国的sae8620h及其改进型、日本采用scm420h及sncn220h等。因国内引进车型较多，同时把各公司的设计钢种引入国内丰富了国内汽车用差速器钢种的多样性，要求较高的差速器用齿轮钢主要是进口钢材，随着中国钢铁生产企业的装备及研发能力的不断提升，大部分钢种已本土化供应，提升了企业的竞争力并取得了良好的效益。
3.差速器齿轮的设计是一种带凸沿的伞齿，一般需要采用冷挤压工艺成型，因此钢材需经球化退火或等温退火处理，以便降低冷加工变形抗力及成型性能。冷锻工艺制造的齿轮具有使金属强化而零件的强度提高，冷锻件表面质量好，尺寸精度高，代替一些切削加工及节能降耗等优点，因此冷加工齿轮是长期的发展方向。
4.专利公开号cn 112981233b涉及一种适于冷锻加工的低硅中碳齿轮钢及其制造方法，钢的元素成分按质量百分比计为c:0.35～0.45％，si：≤0.08％，mn：0.30～0.60％，cr：0.20～0.50％，p：≤0.020％，s：0.010～0.040％，cu：≤0.10％，ni：≤0.05％，mo：≤0.05％，al：≤0.050％，n：≥0.005％，b：0.0005～0.0035％，ti:≤0.010％，[o]：≤0.0020％，(cu+ni+mo)：≤0.15％，余量为fe及不可避免的杂质元素。成型规格为φ45mm～φ90mm的圆钢，尺寸精度≤
±
0.15mm。圆钢截面上外层为部分脱碳层，部分脱碳层的深度≤圆钢公称直径的0.5％d，心部为基体组织，基体组织为铁素体+球化珠光体，球化率达到90％以上。
[0005]
专利公开号cn113789480a涉及一种冷锻齿轮钢及其制备方法。所述齿轮钢的化学成分以质量分数计为：c：0.15％～0.25％，si：0.05％～0.40％，mn：0.30％～1.40％，p：0～0.03％，s：s：0～0.035％，cr：0.80％～1.50％，ti：0～0.05％，al：0～0.045％，cu：0～0.15％，n：0～0.0150％，余量为fe及不可避免杂质；所述齿轮钢的金相组织包括奥氏体，所述奥氏体的晶粒度为6级-7级。齿轮钢满足齿轮性能，热轧态具有较低的硬度，解决了常规齿轮钢冷态变形抗力大的问题；通过降低si、mn元素含量，降低齿轮钢坯料的冷态变形抗力，同时解决了局部粗晶的问题。
[0006]
专利公开号cn111424219b发明一种可直接冷锻加工的齿轴钢的制造方法，包括钢水组分为c：0.15～0.45％，si：≤0.35％，mn：0.60～1.40％，p：≤0.030％，s：≤0.030％，cr：0.60～1.40％％，余量为fe及不可避免的杂质元素；通过控制轧制，得到铁素体和珠光体的微观结构。
[0007]
专利号cn111518996a公开了一种18crnimo7-6钢材的热处理方法。该方法为对由18crnimo7-6钢锭锻造成的圆棒进行退火处理；所述退火处理中，先将所述圆棒升温至第一
保温温度并在该第一保温温度下保温，然后风冷至第二保温温度并在该第二保温温度下保温，最后冷却，其中，所述第一保温温度为≥800℃，所述第二保温温度为620-650℃。通过热处理后得到具有铁素体+片状珠光体组织的，并使该钢材具有适中硬度，便于机加工，便于下料和锯切，不会产生粘刀现象。但热处理的钢材能否用于零件的冷挤压没有给出答案。
[0008]
以上所述专利的钢种及生产方法均为满足不同产品及工艺要求所设计，解决了生产过程中的关键难点，但因上述专利中对控制轧制及控制冷却过程的工艺及装备要求极高，控制不当会造硬度及组织通条性差，生产方法上操作难度极大，实际生产中难以大量推广应用。本发明是结合与目前电动汽车差速器齿轮普遍采用20crni2mo、18crnimo7-6等钢种成本高的问题，提出新的钢种设计方案及生产方法并付诸实施，其淬透性完全满足电动车差速器齿轮用钢的要求。同时采用连续式球化退火炉对交货钢材进行球化退火，不但为用户减少了采用小料段钢材球化退火的工序，节约了成本，通过轧材的生产过程控制完全满足冷加工对原材料的极高尺寸精度、球化退火组织、硬度均匀性要求。


技术实现要素：

[0009]
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电动汽车差速器齿轮用球化退火钢及制造方法，不但为用户减少了采用小料段钢材球化退火的工序，节约了成本，通过轧材的生产过程控制完全满足冷加工对原材料的极高尺寸精度、球化退火组织、硬度均匀性要求。
[0010]
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢，该钢的化学成分按照重量百分比为c：0.14～0.19％，si：0.40～0.80％，mn：0.30～0.50％，cr：0.85～1.20％，mo：0.25～0.35％，ni:1.30～1.50％，s：≤0.010％，p≤0.015％，cu≤0.15％，al:0.020-0.050％，ti≤0.005％，余量为fe及不可避免的杂质。
[0011]
本发明所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢，是通过对冷装铸坯表面喷涂一层特殊的防氧化涂层及kocks精轧，使得轧材脱碳层小、尺寸精度高。轧材经过控制冷却获得均匀的铁素体用珠光体组织，再经过对钢材进行连续球化退火后，钢材通条球化率高，组织、硬度均匀性好。
[0012]
本发明钢化学成分各元素对应的主要作用及设计依据是：
[0013]
c是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。为保证该钢生产的齿轮零件经淬火回火后具有较高的强度，同时齿根心部还具应有良好的的韧性，确定了本发明钢碳含量范围在0.14-0.19％。
[0014]
si在钢中不但能作为脱氧元素，同时在钢中有较强的固溶强化作用，能够显著地提高铁素体强度，能提高钢的淬回火表面硬度，提高齿轮耐磨性。硅是一种相对廉价的合金元素，有利于降低材料生产成本。本发明中设计si：0.40～0.80％。
[0015]
mn对钢起固溶强化作用，锰在钢中会降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，利用mn强烈提高钢的淬透性并具有成本低的特点确定本发明钢含量范围。
[0016]
cr对钢起固溶强化作用，有利于提高齿轮心部淬透性，并提高抗蚀能力。有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。是促进碳化物稳定的元素，可以减少或防止齿轮表面渗碳后石墨相的出现，同时具有一定的提高钢材抗高温氧化的能力，另外cr降低c的活度，能减小钢的过热倾向和表面脱碳
速度，但是钢的硬度也会随之提升，确定本发明钢cr含量范围。
[0017]
mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性。mo在925℃时对提高渗层硬化性能特别有利，mo钢适合于渗碳后直接淬火。
[0018]
ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑形和韧性，不溶于碳化物而全部进去奥氏体，可以形成无限固溶体，它提高淬透性的作用得以充分发挥。细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑形和韧性。差速器齿轮具有冲击性大的特点，所以本发明中的钢材ni含量设定范围为1.30～1.50％。
[0019]
一般来说，p、s为杂质元素和有害元素，对钢的力学性能和热加工性能均有害，易形成偏析、夹杂等缺陷，引起塑性、冲击韧性显著降低；钢中加入一定的s虽然对易切削性能有利，但对采用冷挤压方法生产的差速器齿轮因精度高且其形状不易于切削加工，所以应尽量减少其含量。
[0020]
al是脱氧非常有效的元素，同时al可与钢中n在钢中析出形成aln起到阻止氏体晶粒的粗大。al控制0.020-0.050％，若al过低在钢中形成的aln质点少，不能起到细化晶粒的作用，al含量过高，会在钢中形成大量的脆性夹杂物(例如al2o3等)污染钢水，导致强韧性降低。
[0021]
ti会与钢中的氮元素结合，形成带棱角的夹杂物tin,从而降低钢材的强度与韧性，ti≤0.005％。
[0022]
本发明的另一目的在于提供上述一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的制造方法，主要包括如下具体流程：冶炼、连铸、铸坯再加热、轧制圆钢、钢材再经过连续球化退火处理。
[0023]
进一步，本发明钢的具体生产流程为：100t转炉-炉外精炼-rh真空脱气-240mmx240mm连铸坯-铸坯再加热轧制成材-轧材在连续球化退火炉内球化退火处理-检验、包装、入库。
[0024]
冶炼阶段为保证轧材的力学性能及淬透性，除严格控制化学成分符合内控要求外，还需加强过程控制保证钢水纯净度。
[0025]
连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统等装备。浇注时过热度控制在10～30℃。
[0026]
为保证球化退火后的轧材脱碳量，需从连铸坯在加热炉中的防脱碳开始，为此铸坯进加热炉之前采用自动设备在铸坯表面四周均匀喷涂一层一种特殊的防氧化涂料，防氧化涂料中al2o3、sio2的重量比为6:4。
[0027]
连铸钢坯在步进式加热炉加热，预热段温度控制在500～850℃，加热段温度控制在1150～1220℃，均热段温度1160～1230℃，总加热时间不小于3.5小时。
[0028]
铸坯经高压水除鳞后进行轧制：钢材后续须球化退火处理，除防止表面脱碳，还要求钢材尺寸精度高，以满足冷挤压零件的要求。开轧温度为1020～1100℃，然后采用12架二辊轧机+5架kocks三辊轧机轧制保证轧材的尺寸精度控制在
±
0.15mm；终轧温度900℃以上，终轧后钢材通过二段冷却水箱进行控冷，对钢材进行强制冷却快速降至700～760℃上冷床并加保温罩，控制钢材的冷却速度≤12℃/min，待钢材温度≤500℃出保温罩后下冷床堆冷。通过控制冷却轧材能获得均匀的铁素体及珠光体组织，利于后序的球化退火，轧材采用控制冷却技术是为后序球化退火工艺获得良好的球化组织的前提，也是本发明的关键
点。
[0029]
进一步地，冷床上700～760℃下控制冷却的另一个目的是，在此温度范围内对钢中细小第二相质点如aln等的析出最为有利，为高温下的晶粒细化提供必要条件。
[0030]
轧材球化退火处理是该发明钢控制的关键工序：4-9m长钢材单层平铺装入连续式球化退火炉，钢材采用天然气辐热管加热，辐射管分别安装在炉辊的上面和下面，确保炉膛截面炉温均匀性，并通氮气保护避免钢材的表面脱碳。采用二段式球化退火，740～790℃保温3～8小时，随炉冷却至二段采用700～750℃保温7～10小时，然后炉冷至500℃以下出炉空冷。进一步一段控制温度在770
±
5℃，二段控制温度在720
±
5℃。
[0031]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0032]
本发明通过全新成分设计钢材具有良好的强韧性及耐磨性能，经过控制冶炼、轧制、球化退火，钢材通条获得均匀的铁素体、球化组织及硬度。成品钢材脱碳层小、尺寸精度高，用户下料后可直接进行加工成差速器伞齿。由于球化退火钢材具有以上优点且能大量节约能源，冷加工的齿轮轴金属流线连续，零件不需要再切削加工，使用寿命高，也是国内外锻造行业的发展方向，因此具有较高的市场竞争力和推广价值。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例1产品球化率90％的组织示意图；
[0034]
图2为本发明实施例1产品球化率95％的金相组织示意图；
[0035]
图3为本发明实施例3产品球化率92％的金相组织示意图。
具体实施方式
[0036]
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。
[0037]
以下结合实施例1～3对本发明做进一步说明。
[0038]
(1)冶炼：100转炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，除严格控制化学成分符合内控要求外，还需加强过程控制保证钢水纯净度。
[0039]
(2)连铸：连铸成240mm
×
240mm的方坯。连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统等装备。浇注过热度控制在15～25℃。连铸坯在650℃以上及时下保温坑缓冷24小时以上，以保证出坑后铸坯的温度低于200℃。成品铸坯化学成分百分比见下表1所示。
[0040]
表1(wt％,余量为fe及其他不可避免的杂质元素)
[0041]
钢种csimnpscrmonitialcu实施例10.150.600.460.0120.0051.180.301.420.0030.0320.02实施例20.170.520.420.0080.0021.130.271.360.0020.0340.02实施例30.180.650.350.0130.0041.020.281.380.0040.0300.02
[0042]
(3)铸坯进加热炉之前采用自动设备在铸坯表面四周均匀喷涂一层一种特殊的防氧化涂料。
[0043]
(4)铸坯加热：在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度500～850℃，加热段温度1180～1220℃，均热段温度1200～1230℃，总加热时间为3.5～4.0小时。
[0044]
(5)轧制:铸坯经高压水除鳞，开轧温度1030～1060℃。使用12架二辊轧机+5架
kocks三辊轧机轧制，轧材的尺寸精度
±
0.13mm；终轧温度920-965℃。终轧后，通过二段冷却水箱进行控冷，对钢材进行强制冷却快速降至720～745℃上冷床并加保温罩缓冷，现场测量钢材进保温罩及出保温罩的温度，控制冷却速度在12℃～15℃/min，钢材温度≤500℃出保温罩后下冷床堆冷。
[0045]
上述实施例1～3热轧材的组织、淬透性及晶粒度如表2所示。
[0046]
表2
[0047][0048]
(6)轧材球化退火：轧材定尺长度为9m,在连续式球化退火炉内完成。采用二段式球化退火，一段采用770℃保温5小时，随炉冷却至二段采用720℃保温8小时，然后炉冷至500℃以下出炉空冷。
[0049]
上述实施例球化退火材的组织及硬度检验结果如表3所示。
[0050]
表3
[0051]
钢种钢材规格,mm球化率，％全截面硬度范围，hb实施例1φ3590140-148实施例2φ4095141-146实施例3φ4592138-150
[0052]
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。

技术特征：
1.一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢，其特征在于：该钢的化学成分为：c：0.14～0.19％，si：0.40～0.80％，mn：0.30～0.50％，cr：0.85～1.20％，mo：0.25～0.35％，ni:1.30～1.50％，s：≤0.010％，p≤0.015％，cu≤0.15％，al:0.020-0.050％，ti≤0.005％，余量为fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢，其特征在于：所述钢的淬透性j3≤45hrc、j7＝36-42hrc，在950℃
×
4小时下具有细于6级的晶粒度。钢材球化退火后的球化率≥85％，硬度≤166hbw。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢，其特征在于：所述钢的球化退火率在90％以上。4.一种如权利要求1所述的电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于所述方法是通过对冷装铸坯表面喷涂一层防氧化涂料，再进行kocks精轧，使得轧材脱碳层小、尺寸精度高，轧材经过控制冷却获得均匀的铁素体用珠光体组织，再经过对钢材进行连续球化退火。5.根据权利要求4所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)冶炼：冶炼阶段严格控制化学成分以保证轧材的力学性能及淬透性，加强过程控制保证钢水纯净度；连铸采用结晶器+末端电磁搅拌及液面自动控制系统进行；(2)冷装铸坯进加热炉之前在铸坯表面四周均匀喷涂一层防氧化涂料；(3)连铸坯加热：预热段温度控制在600～850℃，加热段温度1150～1220℃，均热段温度1160～1230℃，总加热时间不小于3.5小时；(4)铸坯经高压水除鳞后进行轧制，开轧温度为1030～1100℃，终轧温度900℃以上；(5)轧材球化退火：轧材在连续式球化退火炉进行二段式球化退火，退火结束后炉冷至500℃以下出炉空冷。6.根据权利要求4所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于：所述防氧化涂料中al2o3、sio2的重量比为6:4。7.根据权利要求5所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于：轧制过程采用12架二辊轧机+5架kocks三辊轧机轧制保证轧材的尺寸精度控制在
±
0.15mm。8.根据权利要求5所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于：终轧后钢材通过二段冷却水箱进行控冷，对钢材进行强制冷却快速降至700～760℃上冷床并加保温罩，控制钢材的冷却速度≤12℃/min，待钢材温度≤500℃出保温罩后下冷床堆冷。9.根据权利要求5所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于：球化退火时将4-9m长钢材单层平铺装入连续式球化退火炉，钢材采用天然气辐热管加热，辐射管分别安装在炉辊的上面和下面，确保炉膛截面炉温均匀性，并通氮气保护避免钢材的表面脱碳。10.根据权利要求5所述的一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢的生产方法，其特征在于：所述二段式球化退火分为一段740～790℃保温3～8小时，二段700～750℃保温7～10小时。

技术总结
本发明涉及一种电动汽车差速器齿轮用球化退火钢及其制造方法，化学成分：C：0.14～0.19％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.30～0.50％，Cr：0.85～1.20％，Mo：0.25～0.35％，Ni:1.30～1.50％，S：≤0.010％，P≤0.015％，Cu≤0.15％，Al:0.020-0.050％，Ti≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述方法是通过对冷装铸坯表面喷涂一层特殊的防氧化涂层，再进行KOCKS精轧，使得轧材脱碳层小、尺寸精度高，轧材经过控制冷却获得均匀的铁素体用珠光体组织，再经过对钢材进行连续球化退火。本发明钢的淬透性J3≤45HRC、J7＝36-42HRC，在950℃


技术研发人员：曹红福 白云 吴小林 惠世杰 杨高成 张学诚 朱志龙 顾秋豪 刘学文
受保护的技术使用者：江阴兴澄特种钢铁有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12