汽车变速器渗碳淬火齿轴用热轧棒材制造新工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料制造领域，涉及一种汽车6档变速器用关键零件渗碳淬火齿 轴用钢的制造方法，主要用于〇30mm~Φ 100mm渗碳齿轴类零件钢QS 4321 S0 (2〇CrNiMoS6_4H)的生产。
【背景技术】
[0002] 随着我国汽车工业的高速发展，对汽车用钢的纯净度、淬透性带宽、带状等质量水 平也提出了更高的要求。而决定汽车变速器质量及稳定性的关键在于齿轴类零件用钢的质 量，因此要求渗碳齿轴类零件钢QS 4321 S0(20CrNiM〇S6-4H)的质量指标很高，低气体含 量:氢含量不大于2 X 10-6，氧含量不大于20 X 10-6;高纯净度:钒含量不大于0.02%，钛含量 不大于0.02%，砷含量不大于0.05%，铌含量不大于0.02%，硼含量不大于0.0008%，钙含量 不大于0.0020%，夹杂物:Β细不大于1.5级、Β粗不大于1.0级;冶金质量的均匀一致性:低倍： 中心疏松不大于2.0级、一般疏松不大于2.0级、锭型偏析不大于2.0级，渗碳晶粒度5级~8 级，带状在2.5级以下 ；窄淬透性(冊〇:邗1皿:43~48、几111111:40~47、115111111 :35~44。目前，国 内、外使用Cr-Ni-Mo系齿轮钢都存在成分和组织偏析问题，致使零件热处理后变形大，零件 之间啮合不良，噪音增加的同时，也严重影响零件的使用寿命;未见国内、外文献有相关研 究的报道。
【发明内容】
[0003] 发明公开一种汽车变速器渗碳淬火齿轴用热乳棒材制造新工艺，解决6档变速器 用钢QS 4321 SO (20CrNiM〇S6-4H)的的纯净度、晶粒度、淬透性及带状偏析问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:通过原始配料和优化冶炼工艺，保证 钢液纯净度;通过控制化学成分和锭型优化、浇注工艺的控制保证钢材淬透性合格;采用钢 锭高温扩散工艺保证钢材带状合格;通过采用控制乳制及控制冷却保证钢材晶粒度在5~8 级。
[0005] 1.工艺路线：炼钢（电炉)-炉外精炼(LF -VD)-模铸(锭型为2. It)-初乳开 190方坯(850乳机)-连乳成材(24架连乳机)-冷却/热处理-矫直-探伤-修磨。
[0006] 2.具体工艺制度： ⑴化学成分 汽车变速器齿轴钢QS 4321 SO (20CrNiM〇S6-4H)化学成分应符合表1规定； 表1 20CrNiMoS6-4H化学成分
表1 (续） ⑵炼钢工艺 ① 电炉工艺 总装炉量65t~68t，配料选用优质废钢、生铁，优质生铁配入量大于40%;电炉出钢加渣 料采用优质白灰（氧化钙不小于90%，生烧率不大于10%)700kg~900 kg，出钢前3min~ 5min降低用氧强度，增加喷碳粉用量，每炉约200kg~300kg;出钢不允许下氧化渣；出钢过 程按1. Okg/t加铝；出钢温度不低于1630°C，出钢磷不大于0.010% ; ② LF炉精炼工艺 全程采用碳粉和铝粒混合物扩散脱氧，首批脱氧剂全部用铝粒，加入量30kg~60kg(根 据渣况可适当调整加入量）。渣白取样，取完样1后，采用铝粒和碳粉混合物脱氧保持白渣； 依样1全铝结果(考虑炉中），按0.08%喂铝，根据渣况可适当调整喂铝量，白渣保持时间不小 于30min;全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌；出钢温度：1670°C~1690°C; ③ VD工艺 VD入罐前进行扒渣处理控制渣层厚度在40mm~80mm，考虑炉中按0.06 %喂入错线（可 根据炉中进行适当调整喂入量）；VD真空度不大于lOOPa，保持时间lOmin~20min，必须保持 真空下大流量氩气搅拌;开盖后取样，根据成品样调硫、调铝，喂后软吹时间不小于15min; VD出钢温度1580°C~1600°C; ④ 浇注工艺 浇注2.11锭型，锭模温度:30°C~80°C，低于此温度进行预热处理;浇注过程中采用氩 气保护浇注;当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂。
[0007] ⑶乳制工艺 ① 初乳开坯工艺 钢锭在加热炉中以表温1250°C±10°C保温8h~10h，然后将表温降温至1230°C，锭温为 1210°C ± 10°C保温1 h出炉.乳制成190方坯;乳后钢坯入坑缓冷55h; ② 连乳加热工艺 钢坯采用步进式加热炉进行加热(加热炉分预热段-加热I段-加热Π 段-均热段，计 4段），从进炉到出炉时间要求大于120min，从加热I段(升温段)到出炉总时间大于75min，第 一炉钢坯到达炉门（即在均热段)需要保温30min~40min后出炉乳制，钢坯在均热段加热温 度 1150°C±30°C。
[0008] ⑷热处理工艺 钢材以热乳或退火状态交付，退火工艺为670°C±10°C保温9h~12h，出炉空冷;热乳态 交货材乳后堆冷。
[0009] (5)探伤 钢材100%按照GB/T 4162进行超声波探伤检测，A级合格(按Φ 2mm平底孔标准）。
[0010] 3.理化性能检验 ⑴带状组织 从钢棒表面到1/2半径处取样，试样经950°C ± 10°C加热保温快冷，经600°C ± 10°C等温 lh空冷后，100X下按照附录评级，应无明显带状，带状组织不得差于图4(Abb.4); ⑵非金属夹杂物合格级别应符合表2规定； 丟2韭仝Μ本杂物会槐怨則
(3)晶粒度米用渗碳法，5级~8级合格； ⑷钢材淬透性应符合表3规定； 表3钢材淬透性要求
(5) 热乳不退火交货硬度(HBW)不大于269;热乳退火交货硬度(HBW) 不大于255; (6) 低倍组织检验结果应符合表4规定； 表4低倍组织合格级别
⑵成品氢含量不大于2 X 10'氧含量不大于20 X ΚΓ6。
[0011] 本发明的创新点在于： ⑴炼钢工艺： 为提高QS 4321 SO (20CrNiMoS6-4H)钢水纯净度，控制炼钢工艺的以下五个关键环 T ： ① 材料:采用优质废钢、优质生铁(磷不大于0.15%、硫不大于 0.10%)，同时保证每炉配入优质生铁不小于30t，炉出钢加渣料及精炼必须使用精白 灰，要求白灰满足一级以上质量要求氧化钙不小于90%，生烧率不大于10%); ② 严格控制电炉出钢量（电炉留钢量不小于5t)和回炉速度，保证不 下氧化渣，保证VD钢包自由空间不小于800mm; ③ LF白渣时间不小于30min，LF全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌，以 保证夹杂物充分上浮； ④ VD入罐前调铝，VD开盖后对铝再进行调整，加铝后软吹不小于 15min，以保证后加入铝溶解在钢液中形成的夹杂物能够有效上浮，软吹以钢液不漏液 面为准，防止进气； ⑤ 浇注阶段，浇注时采用氩气保护浇注，防止钢液二次氧化及气体进 入钢液中； ⑵保证淬透性工艺 ①通过软件计算及参考相似钢种，制定出合理的冶炼控制成分;根据生产规格选择浇 注2. It锭型，以减少锭型偏析； (3)控制晶粒度工艺 ① 控制铝含量在〇. 025%~0.04%，以保证晶粒度； ② 乳制采用控乳控冷工艺，要求钢材终乳温度不大于930°C; ⑷控制带状工艺 ① 钢锭在加热炉中以表温1250 ± 10°C保温8h~10h进行高温扩散； ② 钢坯从进炉到出炉时间要求大于120min，从加热I段(升温段）到出炉总时间大于 75min，第一炉钢坯到达炉门（即在均热段)需要保温30min~40min后出炉乳制。
[0012] 本发明的有益处在于:通过精确控制化学成分保证钢材的淬透性合格;采用真空 脱气工艺保证钢材氧含量在20 Χ10-6以下;通过对钢锭进行高温扩散工艺来满足带状组织 要求;采用控乳控冷工艺来满足钢材渗碳晶粒度5级~8级要求;解决了变速箱用齿轴钢零 件带状、纯净度、晶粒度及淬透性问题。
【附图说明】
[0013] 图1是圆钢带状标准图谱Abb. 1; 图2是圆钢带状标准图谱Abb. 2; 图3是圆钢带状标准图谱Abb. 3; 图4是圆钢带状标准图谱Abb.4; 图5是炉号 15203 011768的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图； 图6是炉号 15203 011777的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图； 图7是炉号 15203 021585的QS4321S0(20CrNiMoS6-4H)圆钢带状图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明做详细说明。
[0015] 实施1~3共同执行以下工艺： ① 电炉工艺:配料选用优质废钢、生铁，优质生铁配入量大于40%;出钢磷为0.010%;出 钢过程按l.〇kg/t加铝； ② LF炉精炼工艺:全程采用碳粉+铝粒混合物扩散脱氧，首批脱氧剂全部用铝粒，加入 量30kg;全程中等流量氩气搅拌，加入合金料时大流量氩气搅拌； ③ VD工艺:VD入罐前进行扒渣处理，虑炉中按0.06%喂入铝线调整铝含量;开盖后取样， 根据成品样进行调硫、调铝； ④ 浇注工艺:锭模温度35°C~40°C，浇注2. It锭型，当钢液上升至帽口线2/3处时，加 入发热剂;浇注过程中采用氩气保护浇注； ⑤ 初乳开坯工艺:钢锭在炉中以表温1250°c ± 10°C保温8h~1 Oh，锭温为1210°C ± 10°C 保温1 h出炉乳制，乳后钢还入坑缓冷55h; ⑥ 连乳加热工艺：钢坯从进炉到出炉时间要求大于120min，从加热I段即升温I段到出 炉总时间大于75min，第一炉钢坯到达炉门（即在均热段）需要保温30min~40min后出炉乳 制，均热段加热温度1150°C ± 30°C。 ⑦ 冷却工艺:钢材乳后堆冷。
[0016] 实施例1 炉号：15203 011768，圆钢成品规格Φ 80mm; 1. 生产工艺 ⑴炼钢工艺 ① 成品(恪检)化学成分见表5; 表5成品(恪检)化学成分
② 电炉工艺 总装炉量66t，其中生铁配入35吨，占比53%;电炉出钢加渣料优质白灰800 kg;出钢前 5min向炉中喷入碳粉200kg;电炉出钢温度1659°C; ③ LF炉精炼工艺 样1后喂入铝线30m，白渣时间40min;出钢温度1683°C; ④ VD工艺 扒渣控制渣层厚度约60mm;VD真空度60Pa，保持时间15min，大流量氩气搅拌；软吹 2511^11，￥0出钢温度1591°(3; ⑤ 初乳开坯工艺 钢锭加热8.5h; ⑥ 连乳加热工艺 钢坯从加热I段到出炉总时间为80min，第一支钢坯到达炉门时保温50 min，钢坯在均 热段加热温度：1140°C~1165°C; 2. 生产检验结果 ⑴非金属夹杂物检验结果见表6; 表6非金属夹杂物检验结果
⑵晶粒度采用渗碳法，检验结果为8级~6级； (3)淬透性检验结果见表7; 表7淬透性检验结果
⑷交货硬度(HBW) :245、248、251; (5) 低倍组织检验结果见表8; fs