汽车齿轮用Ni系钢的研制应用
张永李福勇
（，河北石家庄，）
摘要：汽车齿轮用 Ni 系钢存在疲劳性能要求高、合金元素含量高导致成分稳定性控制难度大以及热处理易混晶等技术难题。石钢运用“转炉 -LF-VD-CC”冶炼流程，开展了钢水纯净度控制、窄淬透性带控制以及细化晶粒等技术的研发工作。通过这些研发，保证了汽车齿轮用 Ni 系钢的稳定性、纯净化和均质化，取得了高水平的冶金实物质量，并且生产成本也显著降低了。
关键词：汽车齿轮；Ni系钢；纯净度；淬透带
用于汽车齿轮的镍钢以及其相关情况
Zhang Yong，Li
（ iron and steel , ， ）
由于镍钢用于齿轮时存在诸如高温脆性、合金元素高偏析以及热加工过程中易开裂等问题，通过采用“顶底复吹 -LF-VD-CC”工艺，改善了镍钢用于齿轮的性能，如降低了钢的脆性、细化了带状组织和晶粒。在提高镍钢用于齿轮的性能的同时，降低了成本。
1引言
大扭矩汽车齿轮需要承载较高的冲击载荷。我国传统的 CrMo 系列齿轮钢，其性能无法满足要求，容易出现早期疲劳失效的情况。尤其是中、重型汽车用的齿轮，还大量依赖进口钢材来进行生产。研究表明[1]，合金元素 Ni 能够提高材料的韧性，进而可以提高材料的抗过载能力，能够克服早期疲劳失效的问题。较大模数的汽车齿轮需要选用含 Ni 的齿轮钢，且这种齿轮钢为 Cr-Ni 系或 Cr-Ni-Mo 系。重负荷的汽车齿轮也需要选用含 Ni 的齿轮钢，同样为 Cr-Ni 系或 Cr-Ni-Mo 系。近年来重型汽车市场发展态势良好。2017 年重卡销量超过 110 万辆，创下历史新高。2018 年，在环保限行的背景下，国Ⅲ的更新换代成为重卡需求的新动力。汽车齿轮用 Ni 系钢有着潜在的需求前景。开发研制 Ni 系齿轮钢对于抢占齿轮钢市场而言是迫切需要的。
2生产流程与技术要求
通过这些流程来生产高质量汽车变速器齿轮用 Ni 系钢。
分析汽车齿轮的使用技术特性以及技术要求[2]之后，明确了齿轮钢的性能指标要求，具体情况如表 1：
表1Ni系齿轮钢技术要求
项目
要求
洁净度
欧美规定齿轮钢中的氧含量需不超过 20ppm，日本则规定不超过 15ppm。对于非金属夹杂物，通常要求其级别为 A 不大于 2.5，B 不大于 2.5，C 不大于 2.0，D 不大于 2.5。
末端淬透性
目前对淬透性带的控制情况如下：国际先进水平能达到 4 至 6 HRC；国际领先水平则不超过 4HRC；国内钢厂所达到的水平为 6 至 8HRC。
晶粒度
这个要求是不粗于 5 级。
表面质量
钢材表面不允许存在裂纹、麻点、结疤等缺陷。
3研制过程以及研制结果
针对汽车齿轮用 Ni 系钢的技术难点美标钢材牌号，包括疲劳性能要求高、合金元素含量高导致成分稳定性控制难度大以及热处理易混晶等。采用了“转炉 + LF + VD + CC”的冶炼流程，开展了多项技术的研发。一是进行钢水脱氧和防止二次氧化，以提高纯净度从而保证疲劳性能；二是通过快速成分分析加上成分微调，提高成分控制的精准度，保证窄淬透性带；三是进行清洁氮微合金化细晶处理，保证晶粒度。
3.1多品种化开发
我国从多个国家引进了样车和制造技术，这些引进的样车和制造技术所用的钢都有各自不同的牌号，这导致齿轮用钢的牌号变得十分繁杂，进而增大了国产化的困难。产品开发人员深入研究了各国的齿轮钢系列以及技术特性。他们开发出了能够适合不同车型差异化技术要求的汽车齿轮 Ni 系钢品种。这些品种涵盖了德标、美标、国标含 Ni 的 Cr-Ni 钢以及 Ni-Cr-Mo 钢系列，就像表 2 所展示的那样，涉及到几十个牌号。因此，他们具备了多国标准以及多钢种牌号的生产能力。
表2石钢Ni系齿轮钢牌号
标准
代表牌号
美标
/8620H/、(S)、、、、//等
德标
、、、-6、、、等
国标
、、、等
3.2高纯净度冶炼保证疲劳性能
研究表明，钢里面夹杂的 A1203 会致使齿面出现接触疲劳损伤以及弯曲疲劳断裂的情况，这对汽车齿轮的使用寿命产生了影响。要是降低齿轮钢当中的氧含量，减少氧化物夹杂，提升钢的纯度，那么齿轮的疲劳寿命就能够大幅度提升。日本以及欧美国家都对齿轮钢的氧含量进行了严格的限制。
转炉出钢过程加预熔炉渣改质剂，能促进钢包顶料快速成渣；精炼时采用 Al—Si 复合脱氧，前期就具有较好的流动性；这些措施加快了钢包顶渣与钢水的反应；同时也能充分发挥炉渣脱氧、去夹杂的作用。控制连铸保护浇注技术，在开浇中间包时进行氩气填充排空，以此实现中间包的保护；采用“长水口+密封垫+氩气保护+高档中包整体侵入式水口”的组合模式进行保护浇注，改善了大包、中包到中包水口全程的保护效果，能有效抑制钢水在浇注过程中二次氧化生成 A1203 夹杂。
精炼控制技术和连铸组合模式保护浇铸技术得以应用，使得 Ni 系齿轮钢的 T[O]全部能控制在≤0.0020%，其中 97%的炉次 T[O]可≤0.0015%，这达到了日本以及欧美国家对渗碳齿轮钢的氧含量要求，同时也有效控制了钢中的夹杂物级别，其级别情况如表 3 所示。由于钢的纯净度高，所以 Ni 系齿轮钢的疲劳性能得到了保证。
表3石钢Ni系齿轮钢达到的夹杂物水平（细系夹杂）
类别
A类
B类
C类
D类
检测
0.5～2
0.5～1.5
0～1.0
要求
≤2.5
≤2.5
≤2.0
≤2.5
3.3淬透性与窄淬透带控制
这样提高了成分控制的精准度，减小了炉次间成分波动美标钢材牌号，齿轮钢窄成分控制能力达到如表 4 所示的水平。使得 Ni 系齿轮钢的带宽稳定控制在≤6HRC 这个范围内，并且部分牌号能够达到带宽≤4HRC 的水平，就像图 1 所展示的那样。
表4 石钢Ni系齿轮钢窄成分控制水平
元素
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
范围
±0.01%
±0.02%
±0.02%
±0.005%
±0.02%
±0.02%
±0.02%
图1端淬检测淬透性带
3.4清洁氮微合金化保证细晶粒
晶粒大小对于衡量汽车渗碳齿轮钢很重要。细小且均匀的奥氏体晶粒，能够降低齿轮热处理后的变形量。通过控制钢中的合适氮含量，并利用 Al 进行微合金化，形成 AIN 来钉扎晶界，以此抑制齿轮渗碳热处理时晶粒的长大。在 930℃下保温 4 小时后，晶粒度能达到 7～8，晶粒细小且不会出现混晶现象。
传统增氮工艺通过使用氮化锰线或者氮化锰合金来实现增氮，这会给钢水带来二次污染，并且氮合金化的成本也比较高。针对这种情况，进行了探索并开发出了一种新的工艺技术，这种技术既能提升钢的质量，又能大幅降低生产成本，即专利《一种钢包底吹氮增氮的方法》。3. 做到了清洁生产，消除了加氮化锰时产生大量烟气的污染现象，践行了生态友好型冶炼的发展模式。
采用该技术后，仅使用底吹氮工艺，无需添加含氮合金，就能完成氮微合金化过程。成品氮含量可控制在 0.0060%～0.0150%的范围，主要集中在 0.0080%～0.0120%的范围，如图 2 所示，完全能够满足钢中氮含量的控制需求。
图2检测钢中氮含量
3.5钢材表面质量控制
镍系钢加热后，其氧化铁皮的粘度较大，清除起来较为困难。在轧制过程中，这种氧化铁皮会被压入钢材表面，从而导致钢材表面凹凸不平，不够光洁。这种情况将会影响到用户的使用。控制加热段后期和均热段的温度相对较低，同时加热时间不过长。这样一来，产生的低共熔体以及富 Ni 的金属粒子和网丝就会相对较少。因为如此，氧化铁皮的粘附性就会较弱。并且炉压控制稳定，炉内气氛保持还原性。再加上钢坯出炉后与冷空气接触，其表面温度一般在 1200℃以下，此时产生的液相已经凝固。在进行高压水除鳞时，氧化铁皮能够全部剥离。从而保证了轧材表面质量满足要求。
以上工艺技术得到应用，从而保证了汽车齿轮用 Ni 系钢具备稳定性、纯净化以及均质化的特点，也获得了高水平的冶金实物质量，其检测所达到的技术指标详见表 5。
表5 Ni系齿轮钢达到的技术指标
项目
达到水平
洁净度
统计炉次，其中全部炉次的 T[O]≤0.0020%，并且有 97%的炉次 T[O]≤0.0015%。同时，非金属夹杂物的级别为 A≤2.0，B≤1.5，C≤1.0，D≤1.0。
末端淬透性
总体带宽稳定控制≤6HRC，部分牌号带宽≤4HRC。
晶粒度
奥氏体晶粒度达7～8，无混晶现象。
表面质量
钢材表面探伤合格，无裂纹、麻点、结疤缺陷。
4结语
石钢针对汽车齿轮用 Ni 系钢的特性，开展了多项研发工作。其一，进行了高纯净度的冶炼工艺研发；其二，进行了窄淬透性带控制技术的研发；其三，进行了清洁氮微合金化细晶技术的研发。本土研制开发出了适合汽车齿轮用的 Ni 系钢。产品已经批量供给商用车生产龙头企业，也供给了乘用车变速器欧洲品牌等涵盖国际、国内一线变速箱制造企业。这些产品正在逐步替代进口钢材，并且有部分出口至欧美市场，取得了可观的经济效益。
参考文献
张继魁和张爱军等人的研究表明，汽车渗碳齿轮钢在重型汽车上得到了应用。该研究成果发表在 2009 年第 2 期的《重型汽车》杂志上。
皇百红发表于《汽车工艺与材料》2004 年 9 期的是汽车用渗碳齿轮钢
