高品質(zhì)變速箱齒輪用鋼xcs-23的研發(fā)

張學(xué)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(yè)的高速發(fā)展，汽車產(chǎn)量不斷增長，對高品質(zhì)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(dòng)部件，其品質(zhì)的好壞直接決定了整個(gè)變速箱的整體質(zhì)量。用于制作汽車變速箱的主要材料汽車齒輪鋼，其強(qiáng)韌性、純凈度、淬透性對齒輪的疲勞壽命起著至關(guān)重要的作用。xcs-23齒輪鋼是一種新型的高品質(zhì)變速箱齒輪用鋼。該齒輪鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、純凈度高等優(yōu)點(diǎn)。該鋼種的成功研發(fā)大幅提升了國產(chǎn)高檔變速箱齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性以及使用壽命。xcs-23齒輪鋼制造的國產(chǎn)品牌汽車變速器性能優(yōu)異，現(xiàn)已得到用戶的廣泛好評。

2 工藝流程與成分設(shè)計(jì)

工藝流程：優(yōu)質(zhì)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(jī)澆鑄→軋鋼分廠加熱→軋鋼分廠軋制→軋鋼分廠精整、探傷→檢驗(yàn)、包裝、入庫。

高品質(zhì)滲碳齒輪鋼xcs-23的化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 xcs-23鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 高品質(zhì)滲碳齒輪鋼xcs-23的生產(chǎn)工藝

3.1 煉鋼

電爐冶煉選用優(yōu)質(zhì)廢鋼與高爐鐵水進(jìn)行冶煉。經(jīng)過大量的實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)：高品質(zhì)滲碳齒輪鋼xcs-23鋼材純凈度與廢鋼的品質(zhì)優(yōu)劣存在密切的相關(guān)性，選擇高品質(zhì)的廢鋼有利于提升鋼材純凈度。xcs-23齒輪鋼純凈度指數(shù)與廢鋼的等級(jí)關(guān)系如圖1所示。鋼材純凈度指數(shù)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(shù)與廢鋼等級(jí)關(guān)系

3.2 連鑄

為降低xcs-23齒輪鋼氧含量，進(jìn)一步減少鋼中的非金屬夾雜物，連鑄需要采用保護(hù)澆鑄。大包、中間包的鋼水注流采用長水口與浸入式水口進(jìn)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(nèi)部質(zhì)量。另外，鋼水注流采取封閉措施，可減少鋼水熱量損失，穩(wěn)定鋼水的過程溫降，從而對穩(wěn)定連鑄過熱度起到一定的作用。通過實(shí)施連鑄保護(hù)澆鑄，xcs-23鋼材可以達(dá)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(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)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(chǎn)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(qiáng)度與韌性［2］；成品齒輪零件淬火后變形量也會(huì)增加，強(qiáng)度與韌性也會(huì)隨之下降，最終影響了成品齒輪的疲勞壽命。經(jīng)大量的實(shí)踐生產(chǎn)與研究發(fā)現(xiàn)［3］，適當(dāng)延長軋鋼加熱爐加熱時(shí)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(shí)間與xcs-23齒輪鋼熱軋材帶狀組織的關(guān)系見圖2。

圖2 連鑄坯加熱時(shí)間與熱軋材帶狀組織關(guān)系

4 關(guān)鍵理化性能研究

4.1 化學(xué)成分與淬透性

xcs-23齒輪鋼淬透性的穩(wěn)定是減少成品齒輪滲碳淬火變形量的關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)窄淬透性帶寬，煉鋼化學(xué)成分精確控制是關(guān)鍵。精煉爐通過自動(dòng)加料并計(jì)算的方式，控制C、Mn、Cr、Mo 4個(gè)主要元素含量穩(wěn)定在一個(gè)較窄的范圍之內(nèi)；連鑄過程采用結(jié)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(zhì)變速箱齒輪用鋼xcs-23熱軋材端淬實(shí)測值可以穩(wěn)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(dǎo)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(shí)的疲勞源，受力時(shí)容易發(fā)生解理開裂，導(dǎo)致齒輪早期失效。齒輪彎曲疲勞斷齒是齒輪最嚴(yán)重的失效形式之一［4］，它可以直接導(dǎo)致動(dòng)力傳輸系統(tǒng)失效，變速箱斷齒有可能釀成嚴(yán)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(shù)量可以顯著提高齒輪的疲勞壽命。經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析以及數(shù)據(jù)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(shù)量與齒輪的疲勞壽命的三者之間的關(guān)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(shù)量關(guān)系

奧氏體晶粒度是恒量齒輪鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)。細(xì)小均勻的奧氏體晶?？梢员ＷC齒輪滲碳淬火后的強(qiáng)度與韌性。xcs-23齒輪鋼通過控制鋼中AlN質(zhì)點(diǎn)形態(tài)與分布，達(dá)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(jīng)過930℃保溫6 h后，奧氏體晶粒度經(jīng)檢測全部穩(wěn)定在6.0～8.0級(jí)，奧氏體晶粒度7.0級(jí)以上的比例更是達(dá)到85%以上。xcs-23熱軋鋼材奧氏體晶粒度如圖4所示。

圖4 xcs-23熱軋圓鋼奧氏體晶粒度

5 結(jié)語

高品質(zhì)變速箱齒輪用鋼xcs-23具有較高的純凈度、穩(wěn)定的淬透性、細(xì)小均勻的奧氏體晶粒、良好的帶狀組織等優(yōu)點(diǎn)。使用該鋼種制造的變速箱齒輪具有裝配精度高、強(qiáng)度與韌性好、疲勞壽命長等優(yōu)勢。高品質(zhì)變速箱齒輪用鋼xcs-23的成功研發(fā)，可以更好地提升國產(chǎn)高檔變速箱的運(yùn)行穩(wěn)定性與疲勞壽命。