一种新能源汽车齿轮箱轴承钢材料及其制造方法

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齿轮箱轴承钢材料及其制造方法。

背景技术

随着汽车市场不断发展提升，环境保护问题逐渐被全球关注，拥有低耗能和低污染优势的新能源汽车行业迅速崛起。为满足人们对汽车性能日益提升的需求，从而与传统汽车相比，对新能源汽车各项性能提出了更高的要求。所以在设计新能源汽车关键部位零部件时，就必须综合考虑其动力性、操作性、舒适性、安全性和排放性等重要指标，因而对材料提出更高的要求。

汽车齿轮箱作为新能源汽车关键部件，齿轮箱轴承作为齿轮箱变速系统的重要部件。当新能源汽车电驱高速运转时，汽车通过齿轮箱将电驱输入的高速转换为适当速度输出给其他相关部件。此时的齿轮箱轴承承受着强大的多种交变负荷和冲击，为确保齿轮箱轴承的高效、稳定、可靠的运转，从而对新能源汽车齿轮箱轴承用钢提出了更高的要求。因此要求新能源汽车齿轮箱轴承用钢应具备：高耐磨性、高纯净度、高淬透性、高寿命等性能。目前国内外新能源汽车齿轮箱轴承用钢主要为GCr15、GCr15SiMn等高碳钢产品，其产品主要以模铸工艺生产，由于模铸工艺存在生产效率低、能耗和生产成本高等明显的劣势，现难于满足新能源汽车日益增长市场的需求，因此，产品须更经济、性能更优的汽车齿轮箱轴承用钢的开发迫在眉睫。

根据新能源汽车齿轮箱轴承的使用条件，为此，我公司采用高效经济的真空脱气连铸连轧工艺，通过减少非金属夹杂物、提高钢的纯净度、降低氧含量和残余有害元素的含量，改善钢材组织均匀性等关键质量指标，研制和生产具有高效经济、高淬透性、高可靠性、高寿命的新能源汽车齿轮箱轴承用钢——微合金化中碳轴承钢，从而推进新能源汽车经济可持续的快速发展。

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齿轮箱轴承钢材料及其制造方法，通过对钢材化学成分进行合理设计，利用真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，满足新能源汽车齿轮箱轴承用钢材的强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性要求。

本发明为了满足新能源汽车齿轮箱轴承用钢高耐磨性、高纯净度、高淬透性及高寿命等性能，在冶炼生产过程中对微观夹杂物、宏观夹杂物及淬透性都做了严格把控。钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据轴承的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，如沿轧制方向排列成串状或点链状的B类夹杂，不变形的点状或球状的D类夹杂，由于B类和D类夹杂其不具有塑性，在钢中是硬的质点，在轴承运转时产生各种应力集中，同时在钢的变形过程中易与基体分离产生裂纹，更加剧了应力集中易引起开裂，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。夹杂物颗粒越大、长度越长其危害越大。为提高最终产品轴承的使用寿命，钢材的纯净度非常重要，必须尽可能降低钢中非金属夹杂物，特别是不变形的硬脆性夹杂物尺寸和数量。

本发明非金属夹杂物根据GB/T 10561A法检验，各类夹杂物最大值不超过表1要求。

表1

本发明的宏观缺陷按SEP 1927(锻轧钢棒纯净度水浸超声测定方法)水浸高频探伤方法检验，采用5级灵敏度检测，检测总体积≥5dm

钢材低倍组织的均匀性和致密度对轴承的寿命有影响，本发明要求低倍组织采用ASTM E381对钢材低倍组织评级，要求S≤2、R≤2、C≤2，并且不允许出现缩孔、裂纹及皮下气泡。

为保证钢材的强度和韧性，本发明对晶粒度提出要求，按照ASTM E112进行评级，要求晶粒度≥5级；为保证适用于新能源汽车齿轮箱轴承的使用要求，本发明钢材对淬透性能提出要求，对淬透性的要求见下表2。

表2

本发明要求的钢材检验中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10％，远远低于现有中心碳偏析量。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种新能源汽车齿轮箱轴承用钢，化学成分按质量百分比计为C：0.38～0.45％，Si：0.32～0.48％，Mn：1.10～1.30％，Cr：1.20～1.30％，Nb：0.003～0.006％，P≤0.020％，S≤0.008％，Mo≤0.1％，Ni≤0.25％，Al≤0.05％，Cu≤0.2％，Ca≤0.001％，Ti≤0.003％，O≤0.001％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明新能源汽车齿轮箱轴承用钢的化学成分设计依据入如下：

1)C含量的确定

C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本发明C含量的范围确定为0.38～0.45％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；

2)Si含量的确定

硅是钢中脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。它降低碳元素在铁素体中的扩散速度使回火时析出的碳化物不易聚集，增加钢的回火稳定性。钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明Si含量的范围确定为0.32～0.48％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生产，因此钢中含有少量锰，能提高钢的纯净度和性能。但钢中Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，而且Mn有促进晶粒长大的作用，因此会导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强。本发明Mn含量的范围确定为1.10～1.30％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降，而且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用。综上考虑，本发明Cr含量的范围确定为1.20～1.30％。

5)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al

6)Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中大尺寸点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

7)Ti含量的确定

钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒。但Ti在钢中易形成氮化钛，碳氮化钛夹杂物。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，含Ti夹杂物不仅降低轴承的疲劳寿命，而且影响轴承的粗糙度。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003％。

8)O含量的确定

氧元素在钢中以氧化物夹杂的形式存在，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高轴承疲劳寿命显著有利。本发明O含量的范围确定为≤0.001％。

9)Nb含量的确定

Nb在钢中形成NbC或NbN等间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错的钉扎及抑制晶粒长大等作用，大大提高了奥氏体再结晶温度，从而使晶粒更加细小。但Nb含量过高，易在晶界处形成网状渗碳体组织，在后续使用中易产生晶界裂纹。本发明Nb含量的范围确定为0.003～0.006％。

10)P、S含量的确定

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.020％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，形成的硫化物还破坏了钢的连续性。本发明S含量的范围确定为≤0.008％。

11)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在轴承钢中的存在，引起轴承零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

上述新能源汽车齿轮箱轴承用钢的制造流程为铁水预处理——转炉——LF炉外精炼——RH真空脱气——连铸——连轧——锯切——堆冷——精整——表面及内部探伤——包装。

主要生产步骤如下：

(1)钢水冶炼：

铁水预处理、转炉：生产过程中选用优质铁水、废钢及原辅料，经过铁水预处理，采用机械搅拌处理设备，机械搅拌旋转过程中与流体相互作用，把搅拌产生的机械能转换为流体动能，有效的去除铁水中有害元素P、S等；在转炉顶部吹入氧气，加入各种原辅料，通过动力学原理，使钢水中各类元素与氧进行反应，并通过造高碱度泡沫渣进一步去除有害元素P、S等，且在转炉底部吹入氩气，让钢水在无死角环境中充分反应，最大的发挥出转炉初炼去除有害元素的效果，最终控制出钢终点C≥0.12％，出钢温度≥1610℃，出钢终点P≤0.015％；

精炼炉：在LF精炼炉选用优质脱氧剂及复合高性能精炼合成渣进行脱氧及去除各类有害夹杂物。在冶炼过程中，钢水通电300KWh～400KWh后，停电，往钢水中加入200Kg～300Kg复合高性能合成渣及50Kg～60Kg的Al粒进行脱氧及造渣去除各类有害夹杂，再次通电进行冶炼，后续每间隔20min停电，取样分析并调整合金成分至合格为止，整个冶炼时间≥45min，确保钢水得到充分反应及非金属夹杂物得到充分上浮；

真空脱气：在RH真空脱气时，整个过程真空炉内最高真空度≤1.33mbar，保持钢水真空循环处理时间≥25min，通过真空炉与外界压力差，不断将钢水中的有害气体排出，使钢水更加洁净；真空处理结束后，在钢包底部吹入氩气进行软吹，控制氩气流量在15L/min～20L/min，钢水软吹时间≥15min。最终进一步均匀钢水成分及温度；

(2)连铸：全程做好保护浇注，有效的防止钢水二次污染氧化；采用中间包感应加热(5℃/min～7℃/min)、轻压下(压下量13mm～15mm)、M-EMS(300A～400A)和F-EMS(100A～150A)双联电磁搅拌，有效阻止柱状晶区的长大，增大中心等轴晶区，使组织晶粒更加细小；连铸采用低过热度浇注(过热度△T≤30℃)，有效改善组织的偏析及均匀度；特别是在增加凝固末端电磁搅拌后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高,晶粒得到细化,从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析；

(3)连轧：连铸坯热送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成圆棒材。具体的轧制工艺为：连铸坯料通过输送辊道进入步进式加热炉，钢材在加热炉预热段温度控制在800-950℃，加热段温度控制在1050-1200℃，均热段温度控制在1200-1250℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在4小时以上。出炉后坯料经高压水除磷后，去除钢材表面缺陷，为后道更好的控制表面质量做预处理，轧制开轧温度控制在950℃-1100℃，通过往复式两辊轧机将连铸坯实施5道次大压下粗轧制，第1道次对竖立面压下量40～50mm，第2道次压下量80～90mm，将坯料翻转90°，第3道次压下量70～80mm，第4道次压下量30～40mm，再将坯料翻转90°，第5道次压下量30～40mm；粗轧坯料经20架精轧机组轧制成规格φ20-60mm的棒材，终轧温度控制在850℃以上，轧制完成后锯切堆冷；

(4)精整：包括矫直、倒角等精整工序，确保尺寸在±0.2mm范围，弯曲度≤2mm/m；

(5)表面及内部采用100％无损检测，检验合格才能成为合格品。

主要生产工艺特点如下：

1、钢水冶炼须通过选用优质铁水，铁水进行搅拌预处理减少有害元素P、S等；转炉无死角搅拌造高碱度泡沫渣去除有害元素P、S等，冶炼终点精确控制技术、低钛低氧控制技术、出钢挡渣控制等工艺技术，解决现有技术有害元素Ti、As、Sn、Pb、Sb含量偏高的问题；

2、采用LF精炼炉高性能合成渣造渣脱氧技术、钢包软吹技术及RH真空循环脱气技术，将钢中的非金属夹杂物及O、H含量降低至极低水平，夹杂物数量和尺寸达到世界领先水平；

3、连铸采用低过热度浇注，全程保护浇注，保护钢水不被二次氧化污染；并采用中间包感应加热、轻压下和M-EMS和F-EMS双联电磁搅拌，有效改善铸坯偏析和材料组织；

4、轧钢采用总加热时间≥4h，使钢材内部组织充分得到转变，充分让钢种的偏析组织充分弥散，减少集中聚集产生的内部应力；

5、在精整中，对钢材尺寸进行精确控制，确保尺寸满足产品要求；

6、表面及内部采用100％无损检测，确保产品为合格品。

7、从产品制造上讲，采用真空脱气加连铸工艺生产的中碳钢材，相比模铸工艺生产的高碳钢材，大大降低了制造成本，缩减了生产周期，提高了生产效率，并有利于实现规模化生产；

8、本发明生产的新能源汽车齿轮箱轴承用钢满足如下指标要求：

微观夹杂物根据GB/T10561A法检验，非金属夹杂物满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.0；B类粗系≤0.5；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；DS类≤1.0。宏观缺陷按SEP1927水浸高频探伤方法检验，采用5级灵敏度检测，检测总体积≥5dm

具体实施方式

下面结合实例对本发明内容作进一步说明。

本发明各实施例新能源汽车齿轮箱轴承用钢的化学成分(wt％)见表3、表4。

表3

表4

表5各实施例钢材的夹杂物

表6各实施例钢材的低倍数据

表7各实例钢材的晶粒度数据

表8各实施例钢材的水浸高频探伤数据

表9各实施例钢材的末端淬透性数据

本发明实施例的新能源汽车齿轮箱轴承用钢的制造流程为铁水预处理—转炉—LF炉外精炼—RH真空脱气—连铸—加热—连轧—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装。

具体地，冶炼时选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C在0.15％～0.18％，终点P控制在≤0.015％，出钢温度控制在1620℃～1650℃；在精炼炉进行脱氧及去除夹杂过程中，三个实施例复合高性能合成渣使用量控制在230Kg～250Kg，Al粒使用量控制在53Kg～56Kg，整个冶炼时间控制在50min～55min；在真空脱气中，三个实施例钢水真空循环处理时间≥25min，钢水软吹时间≥15min，钢水软吹氩气流量控制在17L/min～19L/min；连铸过热度控制在25℃～28℃，中间包感应加热控制在5℃/min～7℃/min，轻压下压下量控制在13mm～15mm，M-EMS控制在300A～400A和F-EMS控制在100A～150A；预热段温度控制在815℃～825℃，加热段温度控制在1155℃～1170℃，均热段温度控制在1240℃～1242℃，加热总时间≥4h，出炉后坯料经高压水除磷后，去除钢材表面缺陷，为后道更好的控制表面质量做预处理，轧制开轧温度控制在1040℃～1050℃，通过往复式两辊轧机将连铸坯实施5道次大压下粗轧制，第1道次对竖立面压下量40～50mm，第2道次压下量80～90mm，将坯料翻转90°，第3道次压下量70～80mm，第4道次压下量30～40mm，再将坯料翻转90°，第5道次压下量30～40mm；粗轧坯料经20架精轧机组轧制成规格φ20-60mm的棒材，终轧温度控制在850℃以上，轧制完成后锯切堆冷，圆棒材锯切端部，下线进行堆冷，堆冷至温度≤200℃；轧钢加热、轧制及冷却工艺如下表10所示。再随后将棒材经后续矫直、倒角、表面及内部探伤，制得目标棒材成品。

表10轧钢加热、轧制及冷却工艺

由表3、4、5、6、7、8、9可知，本发明各实施例中的新能源汽车齿轮箱轴承用钢，有害元素如磷、氧、钛以及非金属夹杂物控制水平达到国际先进水平，从低倍检验、末端淬透性及组织晶粒度结果看，本发明的低倍质量、淬透性、组织均匀性、致密度均满足新能源汽车齿轮箱轴承的要求。

同时，各实施例按SEP 1927法进行水浸高频探伤检验，采用5级灵敏度检测，检测总体积≥5dm

综上，本发明采用真空脱气连铸工艺生产的新能源汽车齿轮箱轴承用钢及其生产方法，在纯净度方面，采取铁水预处理、精炼、真空脱气各工序有效的去除有害非金属夹杂，在组织均匀性和致密度方面，通过对连铸、轧制的关键参数进行优化，得到一套最优生产工艺，最终获得高纯净度、高组织均匀性和高致密度的钢材，产生一种高效率、低成本、高质量的生产模式，从而替代模铸工艺生产的高碳钢材。

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。