一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢及其生产方法和热处理工艺与流程

本发明属于汽车用齿轮钢领域，具体涉及一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢及其生产方法和热处理工艺。

背景技术：

1、随着环保理念逐渐被重视，传统燃油车的增量给能源及环保带来了巨大的挑战。同时，新能源汽车迎来快速发展，新能源汽车的销售量及市占率均创历史新高。齿轮作为传动系统中传递动力的核心零部件，对其组织、强度和疲劳性能有着相当严苛的技术要求。

2、相对于传统燃油车，新能源汽车启动加速度大，对齿轮零件的抗冲击性能、接触疲劳性能要求更高。还有，新能源汽车续航里程不足一直是国际性难题，为提高新能源汽车的续航里程，要求车身更小、重量更轻，以便留有足够的空间对电池加装，同时，节省电量。

3、综上所述，新能源汽车齿轮要耐用、结构更小、强度更高，所以开发新能源汽车用高接触疲劳性能以及热处理工艺意义重大。

4、为解决上述问题，2021年8月20日公开的公开号为cn 113278882a的专利，公开了中国专利一种nb微合金化高接触疲劳性能渗碳齿轮钢及其研制方法，该钢的化学成分为c：0.18％～0.22％，si：0.20％～0.30％，mn：0.80％～0.90％，cr：0.50％～0.70％，mo：0.15％～0.25％，nb：0.025％～0.060％，ni：0.40％～0.55％，al：0.020％～0.040％，p：≤0.010％，s：0.005％～0.035％，t.o≤20ppm，[h]：≤2.0ppm，[n]：80～120ppm，其余为fe和不可避免的杂质元素，制得的齿轮钢在930℃渗碳工艺后，渗碳层晶粒度≥8.0级，心部晶粒度≥9.0级，在压应力为4.0gpa条件下，额定疲劳寿命l10≥1.0×107，中值疲劳寿命l50≥3.5×107。该专利添加了s元素，高al和高s钢在浇铸过程中极易对水口造成堵塞，降低连浇炉数，利用nb微合金化细化组织，其额定接触疲劳也仅为1.0×107左右，不能满足新能源汽车用齿轮钢的需求。

5、为提高工件表面硬度，进行渗氮或碳氮共渗是一种可行的工艺。2022年2月1日公开的公开号为cn 114000095 a的专利，公开了一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，淬火后表面硬度可达59～63hrc。但渗氮或碳氮共渗时，由于加入了氮的气氛使热处理受到一定限制，该处理必须在具备渗氮的装备中进行，而普通的渗碳炉不具备基本条件，很难完成处理。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢及其生产方法和热处理工艺，通过化学成分的设计，以及生产工艺的优化，同时利用现有的渗碳炉设备，通过特定渗碳工艺设置以及后续热处理条件设置，可以生产制造出适用于新能源汽车用高接触疲劳性能齿轮。

2、本发明具体技术方案如下：

3、一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢，包括以下质量百分比成分：

4、c：0.20-0.25％，si：0.20-0.40％，mn：1.10-1.30％，p≤0.010％，s：≤0.010％，cr：1.10-1.25％，mo：0.50-0.70％，nb：0.030-0.050％，al：0.020-0.040％，ti:0.03-0.05％，ni：0.4-0.6％，cu≤0.2％，[n]：30-50ppm，t.o≤10ppm，

5、[h]≤1.0ppm，其余为fe和不可避免的杂质元素。

6、所述新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢的成分还满足：a值＝(0.32×c％)×(1.2+1.12×mn％)×(2+0.8×si％)×(1+0.37×ni％)×(1+1.4×cr％)×

7、(6+2.7×mo％)×(1+1.1×nb％)×(2+ti％+2.2×n％)，15.0≤a值≤28.0。

8、由于对于新能源汽车用齿轮钢，要求淬透性在一定的范围内，过高容易引起变形，过低容易引起淬透性不足带来的淬不透问题，合金元素对淬透性的影响最为重要，根据大量的化学成分对淬透性的影响，引入参数a值，15.0≤a值≤28.0，所述a值＝(0.32×c％)×(1.2+1.12×mn％)×(2+0.8×si％)×(1+0.37×ni％)×(1+1.4×cr％)×(6+2.7×mo％)×(1+1.1×nb％)×(2+ti％+2.2×n％)，此时淬透性能够满足j5：42～48，j9：38～45，j15：37～43hrc，j25：32～38hrc的淬透性需求；

9、所述新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢的成分还满足：0.2≤y值≤0.3；

10、y＝(0.8+3.2×al％+2.9×ti％)/(1000×n％)，满足该配比的情况下，可在不析出一次tin的同时，保证第二相析出钉扎晶界细化晶粒。

11、以上公式计算时，各元素符号表示其质量百分比含量×100，代入公式计算，单位为ppm的元素，换算为质量百分比含量后，再×100计算。

12、本发明提供的一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢的生产方法，包括以下工艺流程：

13、电弧炉冶炼-lf精炼-rh真空处理-连铸-轧制成材；

14、所述lf精炼，在精炼过程中充分脱氧，保证较低的氧含量，氧含量＜10ppm，并在真空处理后期加入铝线进行调al，这样既可以保证铝的含量，也能防止钢中夹杂物过多。

15、所述rh真空脱气：n在rh过程中需要软吹控制，软吹时间不得低于30min，不高于60min，保证不能液析tin。

16、所述轧制成材，包括加热、轧制和缓冷；

17、所述加热：钢坯在加热炉的均热温度控制在1230～1250℃、预热、加热和均热总时间控制8.0h～12.0h；

18、所述轧制：开轧温度1120～1200℃、终轧温度700～750℃；

19、所述缓冷：轧后经过冷床冷却至600～650℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h，出坑后进行修磨扒皮，确保表面无脱碳、零缺陷；根据需要精整成材。

20、本发明提供的新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢，其末端淬透性可以满足j5：42～48，j9：38～45，j15：37～43hrc，j25：32～38hrc。

21、本发明提供的一种新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢的热处理工艺，包括：等温正火预处理工艺，再经过渗碳气淬，最后低温回火。

22、所述等温正火预处理工艺，包括：正火高温段保温时间t1为(t1-800)/120≤t1≤(t1-800)/80，t1为正火高温段加热温度，单位为℃，为950～1050℃；t1为高温段保温时间，单位是h；

23、所述等温正火预处理工艺，包括：正火保温段保温时间t2为t2/160≤t2≤t2/100，t2为正火保温段加热温度，单位为℃，为650～720℃；t2为保温段保温时间，单位是h；

24、齿轮钢在加工过程中需要经过等温正火预处理，避免带状组织恶化，所以进行高温扩散等温正火，同时将mo充分均匀的固溶在基体中在后续渗碳时，能够起到稳定残余奥氏体的作用。

25、所述渗碳气淬，具体为：在渗碳炉中进行升温，升温至960±15℃后保温5±0.5h，降温至860℃保温2h后利用氮气迅速降至室温。

26、所述低温回火，具体为：180～220℃回火5-6h。

27、新能源汽车用高接触疲劳用齿轮钢渗碳后渗层晶粒≥10.0级，表面硬度≥750hv，残余奥氏体含量＜20％，接触疲劳性能额定寿命l10≥2.0×107，中值疲劳寿命l50≥5.5×107，夹杂物ds≤1.0级。

28、齿轮钢接触疲劳失效主要是表面缺陷以及次表面裂纹萌生，对渗碳层的组织、硬度以及材料的夹杂物要求更高。利用以上成分和工艺制造的新能源汽车齿轮钢，具有优异的均匀性组织和高接触疲劳性能。

29、本发明设计思路如下：

30、c：c是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素，并且成本较低，为了保证齿轮钢有足够的强度和足够的淬透性，要含有一定量的碳含量，本发明采用低碳含量，同时为保证心部具有足够的强韧性，控制碳含量在0.20-0.25％。

31、si：si是脱氧剂，同时通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提高齿轮钢的淬透性，本发明中的si主要起到固溶强化的作用，但si容易造成渗碳层易氧化，控制碳含量在0.20-0.40％。

32、mn：mn可以扩大奥氏体相区，并且稳定奥氏体组织，提高钢的淬透性，但是过高的mn可溶于铁素体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。本发明中的mn主要用来降低珠光体和铁素体相变区，提高贝氏体相变区，同时提高淬透性，但过量的mn会降低钢的塑性，钢在热轧时韧性变坏。mn含量控制在1.10-1.30％。

33、cr：cr可提高钢的淬透性及强度，cr在钢种和碳结合，形成碳化物，由于齿轮钢淬火后低温回火，并无大块的碳化物析出，均以细小的碳化物析出，析出的碳化物在马氏体板条间富集，抑制板条在应力下移动，马氏体中的位错可以缠结，提高强度和抗疲劳性能，但与此同时，过高的cr会形成碳化物膜影响渗碳效果，降低渗碳层性能。cr含量控制在cr：1.10-1.25％。

34、mo：mo能明显提高钢的淬透性，防止回火脆性及过热倾向。此外，本发明中mo元素与cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，并且mo能细化晶粒。同时mo在渗碳层中起到强化残余奥氏体的作用，mo原子在渗碳层中稳定奥氏体不易相变，提高渗碳层硬度；而mo含量过低则上述作用有限，mo含量过高，促进晶界铁素体薄膜的形成，不利于钢的热塑性，增加钢的再热裂纹倾向，且成本较高。因此，控制mo含量为0.50-0.70％。

35、nb：nb元素和碳、氧有极强的亲和力，能够细化晶粒和组织，同时能够产生固溶强化，经过热处理后提高钢的强度和热敏感性，过高的nb含量其细晶作用及强度增量不明显，但增加了额外的成本。故控制nb含量为0.030～0.050％。

36、ni：镍元素能够显著提高渗碳层韧性，同时ni元素主要起到固溶强化的作用，经过气淬后，ni元素固溶在渗碳层中提高表面硬度的同时，增加渗碳层韧性，显著提高齿轮钢的接触疲劳性能，但ni元素价格昂贵，过高的ni元素降低了经济适用性，所以ni含量控制为0.4-0.6％。

37、cu：铜元素有细化晶粒的作用，但过高的cu元素会脆化晶界，引起铜脆，所以铜含量控制为≤0.2％。

38、ti：ti元素和碳、氧有极强的亲和力，能够细化晶粒和组织，同时能够产生固溶强化，经过热处理后提高钢的强度和热敏感性，过高的ti含量其细晶作用及强度增量不明显，但增加了额外的成本。故控制ti含量为0.030-0.050％。

39、al：al是有效的脱氧剂，且能形成aln细化晶粒，al含量低于0.030％时，作用不明显，高于0.040％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。本发明中的al元素另一个作用是降低因为加入b而导致的奥氏体粗化温度降低，因此需要特殊在炼钢过程中al的加入时机加以调整，保证al含量应控制在0.020-0.040％。

40、p和s：硫容易在钢中与锰形成mns夹杂，使钢产生热脆；p是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制p≤0.010％，s：≤0.010％。

41、t.o和[h]：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤10ppm；[h]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[h]≤1.0ppm。

42、[n]：能与nb、b和al等形成化合物，细化晶粒，合理的al/[n]对晶粒细化明显作用，而过高的[n]会形成气泡等连铸缺陷，但是由于添加的ti元素，为避免形成tin，降低疲劳性能，因此，[n]含量应控制在30-50ppm。

43、钢的淬透性主要取决于过冷奥氏体稳定性的大小，过冷奥氏体愈稳定，钢的临界冷却速度越小，其淬透性就越大。影响过冷奥氏体稳定性的因素主要有钢的化学成分、奥氏体均匀性、奥氏体晶粒大小、及奥氏体化状态等。研究发现，cr、mn、mo等合金元素可增加材料的淬透性、p、sn等脆化晶界的残余元素的含量降低，和反复淬火以使结晶晶粒细化也有助于提高材料的淬透性。但是由于资源稀缺且价格昂贵，希望避免使用cr、mo等合金元素。一般添加al可以作为脱氧剂，aln同时有晶界钉扎效果，也可添加防止晶粒粗化。之前也有研究表明在奥氏体中自由的al可以延迟奥氏体向铁素体的转变，其原因认为和al在铁素体、奥氏体转变界面附近分布有关。采用高si含量，固溶强化的同时，增加淬透性，促进贝氏体相变，降低表面残余奥氏体含量。本发明专利，控制n元素含量，避免形成tin,同时要满足本发明专利对化学成分配比的要求，才能制造出高接触疲劳强度的齿轮钢。

44、与现有技术相比，本发明通过化学成分的设计，按gb/t 225进行末端淬透性性能检验，j5：42～48，j9：38～45，j15：37～43hrc，j25：32～38hrc。同时，利用al、ti和nb的钉扎晶界作用细化晶粒，按gb/t 6394检验，渗碳后渗层晶粒≥10.0级同时，由于控制较低的n含量，使得固溶的ti含量增加，固溶ti含量在齿轮钢中起到稳定淬透性的作用，同时利用高mo和ni元素在表面硬度较高的情况下，增加渗碳层韧性，在接触应力作用下，起到回弹的作用。通过生产工艺的优化，生产的齿轮钢经过预备热处理，进一步提高了固溶元素的作用。同时利用现有的渗碳炉设备，通过特定渗碳工艺设置以及后续热处理条件设置，可以生产制造出适用于新能源汽车用高接触疲劳性能齿轮。表面渗碳层硬度≥750hv，同时接触疲劳性能额定寿命l10≥2.0×107，l50≥5.5×107。本发明的不仅从根本上解决了新能源汽车对高接触疲劳性能的需求，同时在相同渗碳层深度的情况下，渗碳时间缩短了一倍以上，提高了生产效率。