CN101275204A - 一种Cr-Mn-Ti齿轮钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型Cr－Mn－Ti齿轮钢的生产方法，其特征是采用电炉或转炉初炼-LF精炼-真空炉对精炼钢液处理-全保护连铸-轧制成材的生产工艺流程；初炼炉进行初炼钢液的熔化，在1620℃～1670℃范围内出钢并添加合成渣；在钢包精炼炉进行钢液的精炼，控制温度在1520℃～1630℃、冶炼时间在30～50min出钢；然后在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，钢包底部吹入氩气；最后在全保护状态下进行连续浇铸。本发明从保证CrMnTi齿轮钢的强度和疲劳极限的角度考虑，将CrMnTi齿轮钢中的Ti含量控制在0.01％～0.038％，这样即能达到控制CrMnTi齿轮钢在渗碳温度下晶粒不长大，减少夹杂，提高钢质的目的，同时有利于提高齿轮的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，属于合金钢类。涉及一种制造齿轮的新型Cr-Mn-Ti齿轮钢。
背景技术：
CrMnTi齿轮钢作为我国齿轮钢传统老产品，50年代由前苏联推荐使用，靠Ti元素细化晶粒，在冶金、齿轮加工和热处理等方面国内生产工艺成熟、稳定。CrMnTi齿轮钢极易形成钛的夹杂物，由于该钢的粘度较大，钢锭凝固时出现的TiN上浮困难，于是常以夹杂物的形式存在于钢中；粒子粗大的TiN会导致钢锭在锻轧过程中产生纵裂，在以后加工及使用时也易造成淬火裂纹，降低钢的疲劳寿命；同时钢中加入Ti后极易与C形成高熔点的TiC，而在钢淬火加热时，TiC非常稳定，不易熔解到奥氏体中，阻止奥氏体晶粒粗化。另一方面TiN和TiC数量愈多，固溶体中的碳量减少愈多，在引起钢的强度降低的同时，由于这些碳、氮化物颗粒可作为奥氏体分解时新相晶核，从而加速奥氏体的转变，增加钢的临界冷却速度，部分地抵消了元素Mn、Cr提高淬透性的作用，导致CrMnTi齿轮钢在一定奥氏体化温度下淬透性降低。之所以在CrMnTi钢中用Ti合金化，主要是为了渗碳时奥氏体晶粒不易长大，以保持材料的韧性，同时也避免钢的脆性转变温度升高。因此，在满足对淬透性的标准要求时，保证CrMnTi齿轮钢在渗碳温度下晶粒不长大的最低含钛量是一个值得研究的问题。
CN1046353公开了齿轮钢热处理工艺方法，属于金属材料热处理工艺技术领域。该发明改变了齿轮钢，主要是20CrMnTi钢的碳氮共渗温度和时间。
CN1554791公开了一种提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是在电炉冶炼过程中，控制钢水中的P含量，电炉出钢时，钢水中的P≤0.017％，在钢包精炼炉精炼过程中加入磷铁合金调整钢水中P的含量，使成品钢中P的含量在0.018-0.026％，在钢包精炼炉精炼的齿轮钢成品钢中，合金元素的含量为齿轮钢标准的中下限。提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法有效地提高了齿轮钢的淬透性，离开淬火端9mm处的HRC可提高1-10；有效地提高了齿轮钢的热加工性能，把齿轮钢在锻造、热处理、热加工过程中的开裂比例减少20-40％。
目前，GB/T5216-200420CrMnTiH的化学成分(质量分数)/％标准：
| 牌号 | C | Si | Mn | Cr | S | P | Ti |
| 20CrMnTiH | 0.17～0.23 | 0.17～0.37 | 0.8～1.15 | 1.0～1.35 | ≤0.035 | ≤0.035 | 0.04～0.10 |
注：残余元素S、P、Ni、Cu含量按GB/T5216-2004标准中优质合金结构钢要求。
目前国内20CrMnTiH主要存在的问题是：
由于过量Ti的存在，导致钢液浇注困难、钢锭表面缺陷增多，在液态时形成的大颗粒TiN夹杂物，使齿轮在使用过程中出现小的麻坑，或是在它的棱角处或它与基体的界面处萌生疲劳裂纹而促使工件过早失效。20CrMnTi钢中均匀分布有一定数量的大颗粒的金黄色氮化钛夹杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种Cr-Mn-Ti齿轮钢的制备方法。
本发明钢的化学成分(质量分数)/％为：C 0.17～0.23，Si 0.17～0.37，Mn 0.8～1.15，Cr 1.0～1.35，S、P≤0.035，Ti 0.01～0.038，[O]≤20PPM，30PPM≤[N]≤120PPM，余量为Fe和其它杂质。
钢种成分的确定：20CTMnTi是亚共析合金结构钢，C是影响淬透性和淬硬性的最有效元素，随着C含量提高，J9、J15提高；Mn、Cr能提高珠光体的形核功和转变激活能，降低珠光体的形核率和长大速度，两种元素及其碳化物溶于奥氏体中，使奥氏体等温转变曲线右移，增大过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体转变，提高淬透性；Ti往往和C结合形成高熔点的细小TiC质点存在于钢中，TiC难溶于奥氏体中，未溶碳化物不但降低奥氏体中有效碳含量，而且淬火时促使奥氏体分解，TiC未溶质点为珠光体形核提供核心，降低过冷奥氏体稳定性，但是能改善钢的机械性能；Si是强化铁素体的元素，一定程度提高淬透性。
20CrMnTi随着钢中钛含量的增多，极易形成钛的夹杂物。由于该钢的粘度较大，钢液凝固时出现的TiN上浮困难，于是常以夹杂物的形式存在于钢中。粒子粗大的TiN会导致钢锭在锻轧过程中产生纵裂，在以后加工及使用时也易造成淬火裂纹，降低钢的疲劳寿命；同时钢中加Ti后极易与C形成高熔点的TiC，阻止奥氏体晶粒粗化。另一方面TiN和TiC数量愈多，固溶体中的碳量减少愈多，在引起钢的强度降低的同时，由于这些碳、氮化物颗粒可作为奥氏体分解时新相晶核，从而加速奥氏体的转变，增加钢的临界冷却速度，部分地抵消了元素Mn、Cr提高淬透性的作用，导致20CrMnTi钢在一定奥氏体化温度下淬透性降低。之所以在20CrMnTi钢中用Ti合金化，主要是为了渗碳时奥氏体晶粒不易长大，以保持材料的韧性，同时也避免钢的脆性转变温度升高。因此，在满足对淬透性的标准要求时，应保证20CrMnTi钢在渗碳温度下晶粒不长大的最低含钛量。
本发明还提供低Ti齿轮钢的生产方法，包括：
一种新型Cr-Mn-Ti齿轮钢的生产方法，其特征是采用电炉或转炉初炼—LF精炼—真空炉对精炼钢液处理—全保护连铸—轧制成材的生产工艺流程；其特征在于：初炼炉进行初炼钢液的熔化，在1620℃～1670℃范围内出钢并添加合成渣；在钢包精炼炉进行钢液的精炼，降低钢液中[O]、[S]、夹杂物含量，控制温度在1520℃～1630℃、冶炼时间在30～50min以出钢；然后在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，真空度小于140Pa，真空时间为15～30min，钢包底部吹入氩气；最后在全保护状态下进行连续浇铸；钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1250℃，加热和高温扩散时间为1.5～3.5h，开轧温度1150～1220℃，终轧温度≥850℃。
进一步优选的，新型Cr-Mn-Ti齿轮钢的制备方法可考虑以下工艺条件进行操作：
1)初炼：初炼炉进行初炼钢液的熔化，初炼炉采用电炉或转炉；初炼炉得温度控制在1655～1700℃；在1600℃～1650℃范围内出钢并添加合成渣；
2)LF精炼：在钢包精炼炉进行钢液的精炼，降低钢液中[O]、[S]、夹杂物含量，控制[O]≤15PPm、[S]≤0.030％、夹杂物≤3.0；控制温度在1520℃～1620℃、冶炼时间在30～50min出钢；
3)真空炉对精炼钢液处理：在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，真空度小于140Pa，真空时间为15～30min，钢包底部吹入氩气；
4)全保护连铸：钢包至中间包长水口保护浇注；中间包液面的覆盖剂保护；中间包至结晶器注流的浸入式水口保护浇注；结晶器液面的保护渣。
5)轧制成材：钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1250℃，加热和高温扩散时间为1.5～3.5h，开轧温度1150～1220℃，终轧温度≥850℃。
本发明技术方案的优点在于：
低Ti的成分设计依然可以保证在渗碳过程中得到细晶粒组织，同时降低20CrMnTi钢的液析氮化钛，提高齿轮的疲劳寿命。本发明从保证CrMnTi齿轮钢的强度和疲劳极限的角度考虑，将CrMnTi齿轮钢中的Ti含量控制在0.01％～0.038％，这样即能达到控制CrMnTi齿轮钢在渗碳温度下晶粒不长大，减少夹杂，提高钢质的目的，同时有利于提高齿轮的疲劳寿命。
具体实施方式：
实施例1：新型Cr-Mn-Ti齿轮钢的生产；
1)初炼：初炼炉进行初炼钢液的熔化，初炼炉采用电炉或转炉；初炼炉得温度控制在1620～1670℃；在1600℃～1650℃范围内出钢并添加合成渣；
2)LF精炼：在钢包精炼炉进行钢液的精炼，降低钢液中[O]、[S]、夹杂物含量，控制[O]≤15PPm、[S]≤0.030％、夹杂物≤3.0；控制温度在1520℃～1620℃、冶炼时间在30～50min出钢；
3)真空炉对精炼钢液处理：在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，真空度小于140Pa，真空时间为15～30min，钢包底部吹入氩气；
4)全保护连铸：钢包至中间包长水口保护浇注；中间包液面的覆盖剂保护；中间包至结晶器注流的浸入式水口保护浇注；结晶器液面的保护渣。
5)轧制成材：钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1250℃，加热和高温扩散时间为1.5～3.5h，开轧温度1150～1220℃，终轧温度≥850℃。
具体参数见表1和表2。
表1齿轮钢实施例化学成分(重量，％)
| 试样编号 | C | Si | Mn | Cr | S | P | Ti |
| 1 | 0.20 | 0.21 | 0.86 | 1.03 | 0.007 | 0.011 | 0.030 |
| 2 | 0.21 | 0.23 | 0.88 | 1.05 | 0.008 | 0.009 | 0.035 |
| 3 | 0.20 | 0.27 | 0.90 | 1.09 | 0.005 | 0.014 | 0.033 |
| 20CrMnTiH | 0.20 | 0.26 | 0.92 | 1.09 | 0.008 | 0.013 | 0.062 |
表2新型Cr-Mn-Ti齿轮钢的生产得工艺参数
| 试样编号 | 初炼温度，℃ | 精炼温度，℃ | 精炼时间，min | 真空度，Pa | 真空时间，min | 开轧温度，℃ | 终轧温度，℃ |
| 1 | 1645 | 1575 | 33 | 140 | 20 | 1220 | 900 |
| 2 | 1630 | 1560 | 35 | 140 | 20 | 1200 | 896 |
| 3 | 1650 | 1665 | 30 | 140 | 20 | 1205 | 890 |
实施例2：钢的物理特性
对实施例1的齿轮钢的物理特性进行检验。根据GB/T225方法测定Cr-Mn-Ti齿轮钢的淬透和机械性能，根据GB/T 13299方法进行Cr-Mn-Ti齿轮钢的高倍检验；测定结果见表3。
表3钢的物理特性
Claims (3)
1、一种Cr-Mn-Ti齿轮钢，其特征是：钢的化学成分(质量分数)/％为：C 0.17～0.23，Si 0.17～0.37，Mn 0.8～1.15，Cr 1.0～1.35，S、P≤0.035，Ti 0.01～0.038，[O]≤20PPM，30PPM≤[N]≤120PPM，余量为Fe和其它杂质。
2、一种Cr-Mn-Ti齿轮钢的生产方法，其特征是采用电炉或转炉初炼—LF精炼—真空炉对精炼钢液处理—全保护连铸—轧制成材的生产工艺流程；其特征在于：初炼炉进行初炼钢液的熔化，在1620℃～1670℃范围内出钢并添加合成渣；在钢包精炼炉进行钢液的精炼，降低钢液中[O]、[S]、夹杂物含量，控制温度在1520℃～1630℃、冶炼时间在30～50min以出钢；然后在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，真空度小于140Pa，真空时间为15～30min，钢包底部吹入氩气；最后在全保护状态下进行连续浇铸；钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1250℃，加热和高温扩散时间为1.5～3.5h，开轧温度1150～1220℃，终轧温度≥850℃。
3、一种如权利要求2所述的Cr-Mn-Ti齿轮钢的生产方法，包括下列步骤：
1)初炼：初炼炉进行初炼钢液的熔化，初炼炉采用电炉或转炉；初炼炉得温度控制在1620～1670℃；在1600℃～1650℃范围内出钢并添加合成渣；
2)LF精炼：在钢包精炼炉进行钢液的精炼，降低钢液中[O]、[S]、夹杂物含量，控制[O]≤15PPm、[S]≤0.030％、夹杂物≤3.0；控制温度在1520℃～1620℃、冶炼时间在30～50min出钢；
3)真空炉对精炼钢液处理：在真空炉上对精炼钢液进行真空处理，真空度小于140Pa，真空时间为15～30min，钢包底部吹入氩气；
4)全保护连铸：钢包至中间包长水口保护浇注；中间包液面的覆盖剂保护；中间包至结晶器注流的浸入式水口保护浇注；结晶器液面的保护渣。
5)轧制成材：钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1250℃，加热和高温扩散时间为1.5～3.5h，开轧温度1150～1220℃，终轧温度≥850℃。
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