CN102517521A - 一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法，其组成按质量百分数为：C：0.25-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.60-0.80％、Cr：0.80-1.10％、P：≤0.035％、S：0.020-0.050％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。采用电炉冶炼，终点[C]＝0.10-0.15％、[P]≤0.015％、[Si]≤0.05％，出钢温度1630-1680℃。LF精炼，采用碳粉调渣，喂入铝线、钙线、硫线。真空处理，软吹氩。连铸浇注铸坯，控制中间包温度1520-1540℃，根据不同坯型严格控制拉速。轧制过程严格控制均热温度、加热时间、开轧温度、终轧温度，制得热轧圆钢。

Description

一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造技术。

背景技术

渗碳齿轮钢作为汽车用主要结构钢之一，其材料技术的发展直接影响着我国汽车制造的整体技术水平，长期以来，中国的渗碳齿轮钢多用20CrMnTi，改革开放后，伴随着国外先进汽车产品和制造技术的引进，许多国外牌号的高强度渗碳齿轮钢也随之进入。MnCr齿轮钢是我国在引进德国轿车生产线的同时，引进的高标准轿车齿轮用钢，全部按德国大众企业标准生产，是目前引进钢号中技术要求最高，生产难度最大的一类齿轮钢系列，主要用于奥迪、捷达、桑塔那及富康轿车齿轮，依维柯中巴车及部分引进的重型卡车齿轮。

中国专利CN101250666A公开了一种风电用齿轮钢，其化学成分为：C：0.40-0.46％、Si：0.15-0.38％、Mn：0.60-1.00％、Cr：0.90-1.20％、Mo：0.15-0.35％、P：≤0.02％、S：≤0.02％、Nb：0.01-0.10％、[O]≤25ppm、[H]≤2.1ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。中国专利CN101096742A公开了一种高强度汽车用齿轮钢，其化学成分为：C：0.20-0.40％、Si：0.20-0.50％、Mn：0.50-1.00％、Cr：0.80-1.30％、Mo：0.15-0.55％、Nb：0.015-0.080％、V：0.030-0.090％、Al：0.015-0.050％，其余为Fe和不可避免的杂质。中国专利CN101603151A公开了一种NbTi复合微合金化易切削齿轮钢，其化学成分为：C：0.20-0.25％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.00-1.30％、Cr：1.10-1.40％、P：≤0.035％、S：0.01-0.035％、Nb：0.02-0.04％、Ti：0.02-0.05％、[O]≤20ppm，其余为Fe。

CN1664150公开了一种含硫易切削齿轮钢及其钢管的制造方法，其化学成分重量配比为C：0.20～0.25％，Si≤0.30％，Mn：0.60～0.85％，P＜0.035％，S：0.03～0.05％，Cr：0.8～1.10％，Al：0.02～0.055％，[O]≤20ppm，余量为Fe。按此成分进行冶炼，模注钢锭，钢锭开坯。管坯加热温度为1200～1250℃，热轧穿孔变形温度1100～1150℃，变形奥氏体在高温区发生动态再结晶。轧管变形温度1000～1050℃，变形奥氏体在未再结晶区发生加工硬化。补偿加热温度为980～1020℃，奥氏体发生静态再结晶。定、减径工序，变形温度为900～950℃，变形奥氏体发生累积加工硬化。切断后收集堆冷，冷却速度为0.5～1℃/s。

CN101319294公开了一种细晶粒渗碳齿轮用钢及其制造方法。该钢的化学成分(重量％)为：C0.15-0.25％，Si≤0.35％，Mn 0.60-0.90％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 0.80-1.20％，Mo 0.15-0.35％，Nb 0.02-0.08％，B 0.0005-0.0035％，Al 0.02-0.06％，Ti 0.01-0.04％，[N]≤0.015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。同时要求Ti≥2[N]，B≥([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001。并采用终轧温度低于900℃的轧制生产工艺。本发明钢与现有渗碳齿轮钢20CrMoH相比，渗碳淬火后晶粒度大于10级，弯曲疲劳强度(σ_-1)提高15％以上，接触疲劳寿命(L₁₀)提高30％以上。

CN102162069A公开了一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法，包含元素的质量百分比为：C0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni 2.50～3.50％；Mo 0.4～1.00％；Si 0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm；制造步骤为1)按质量百分配比进行冶炼，得到锻坯；2)锻造；3)正火热处理；4)滚齿；5)表面渗碳淬火热处理；6)磨齿加工。本发明提高了大齿轮的承载能力和可靠性，满足高碳、高合金钢种及规格提高的生产需要，因而具备良好的推广及应用前景。

目前现有专利大都采用Nb、V、Ti单一或复合微合金化来细化晶粒，有的甚至加入了Ni、Mo元素来改善钢材性能，随着原材料价格的日益增加，钢材的生产成本大幅度增加。

发明内容

针对用户高强度、高寿命、高性能稳定性的要求，本发明提供一种MnCr系渗碳齿轮钢及其制造方法，通过控制材料的化学成分和合理的生产工艺来细化晶粒、优化材料的组织和性能，提高材料的强度和疲劳寿命，使材料具有良好的综合性能，提高齿轮厂的生产效率。本专利通过合理的成分设计和生产工艺，用Al来细化晶粒，此外无需添加任何微合金元素，即可获得综合性能优良的渗碳齿轮钢。

本发明的技术方案如下：

一种MnCr系渗碳齿轮钢，其化学成分质量百分比为：C：0.25-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.60-0.80％、Cr：0.80-1.10％、P：≤0.035％、S：0.020-0.050％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。采用Mn、Cr合金化，低硅的成分设计，来提高材料的强度和疲劳寿命；窄成分设计以保证良好的质量稳定性；加入适量的S，改善材料的易切削性；以Al来细化晶粒，最终使材料获得良好的综合性能。

本发明的技术特点之一在于合理的成分设计，采用Mn、Cr合金化、低硅、适量Al和S的窄成分设计。

采用Mn、Cr搭配合金化，提高钢的淬透性，设计Mn：0.60-0.80％、Cr：0.80-1.10％；低硅的成分设计，为提高材料的疲劳强度和抗点蚀能力，Si≤0.12％；为细化晶粒，提高钢的综合性能，Al：0.020-0.055％；为提高钢的切削性能，S：0.020-0.050％；窄成分设计保证材料的质量稳定性。

在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，钢的组成按质量百分数为：C：0.26-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.70-0.80％、Cr：0.95-1.10％、P：≤0.020％、S：0.020-0.035％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的技术特点之二在于合理的生产工艺，提高钢的纯净度，保证钢的性能质量，使钢具有良好的综合性能。

本发明MnCr渗碳齿轮钢的制备方法，钢的化学成分设计要求如上所述，包括以下步骤：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]＝0.10-0.15％、[P]≤0.015％、[Si]≤0.05％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630-1680℃。钢包内预脱氧严禁加入硅质脱氧剂，加铝量1.5-2.5kg/t钢，出钢严禁加入含Si材料。LF精炼，采用碳粉调渣，喂入Al线2-4m/t钢。精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，喂入钙线2-4m/t钢、硫线1.5-2m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在0.035-0.055％。精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间12-18分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟。所述硅质脱氧剂为硅铁、碳化硅等。所述含Si材料为萤石等。

(2)浇注

采用连铸浇注铸坯，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520-1540℃，拉速260mm×300mm坯型按照0.60～0.85m/min，180mm×220mm坯型按照0.90～1.25m/min控制，以保证铸坯质量。

(3)轧制

控制加热炉均热温度1130-1200℃，加热时间2.5-3.5小时，开轧温度1080-1120℃，终轧温度850-1000℃。制得热轧圆钢。

优选的，MnCr渗碳齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]＝0.12-0.15％、[P]≤0.015％、[Si]＝0.03-0.04％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1650-1680℃，加铝量1.5-2.5kg/t钢。LF精炼，加铝线3-4m/t钢，精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，加入钙线2-3m/t钢，硫线1.5-2m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在0.035-0.055％；精炼后真空处理，真空度40-60Pa，保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间12-15分钟。

(2)浇注：采用连铸浇注，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520-1535℃，拉速260mm×300mm坯型按照0.60～0.70m/min，180mm×220mm坯型按照0.90～1.05m/min控制，铸坯质量良好。

(3)轧制：控制加热炉均热温度1150-1200℃，加热时间2.5-3小时，开轧温度1080-1120℃，终轧温度850-950℃。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：

1、本发明MnCr渗碳齿轮钢采用窄成分、低硅生产技术，提高钢的疲劳强度和点蚀抗力，以Al细化晶粒，获得了良好的综合性能。

2、本发明在生产工程中，通过制造工艺优化及对过程的严格控制，大大的提高了钢的纯净度和性能的稳定性。

3、通过增硫工艺及硫化物夹杂的控制，大大的提高了该钢的易切削性，提高齿轮生产厂的生产工效。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1-4：

一种MnCr渗碳齿轮钢。采用UHP超高功率电炉、LF精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例1-2是以Φ50mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。实施例3-4是以Φ80mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

钢的组成按质量百分数为：

C：0.25-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.60-0.80％、Cr：0.80-1.10％、P：≤0.035％、S：0.020-0.050％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

生产工艺如下：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]＝0.15-0.20％、[P]≤0.015％、[Si]＝0.03-0.04％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1650-1680℃，加铝量1.5-2.5kg/t钢。LF精炼，加铝线3-4m/t钢，精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，加入钙线2-3m/t钢，硫线1.5-2m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在0.035-0.055％；精炼后真空处理，真空度40-60Pa，保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间12-15分钟。

(2)浇注：采用连铸浇注，连铸中采用电磁搅拌。实施例1-2连铸坯规格180mm×220mm，拉速0.90-1.05m/min；实施例3-4连铸坯规格260mm×300mm，拉速0.60-0.70m/min。控制中间包温度1520-1535℃，铸坯质量良好。

(3)轧制：控制加热炉均热温度1150-1200℃，加热时间2.5-3小时，开轧温度1080-1120℃，终轧温度850-950℃。

具体的工艺参数见表1和表2所示。表1是1-4实施例MnCr渗碳齿轮钢的化学成分，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度。

表1MnCr渗碳齿轮钢实施例化学成分(重量，％)

实施例	C	Si	Mn	Cr	P	S	Al	O×10-4	Fe
										1	0.28	0.08	0.74	0.97	0.014	0.028	0.031	16.4	余量

2	0.27	0.10	0.75	1.00	0.015	0.034	0.034	16.4	余量
										3	0.28	0.09	0.75	0.96	0.013	0.026	0.031	15.9	余量
4	0.28	0.09	0.73	0.98	0.014	0.030	0.040	15.5	余量

表2连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度

实施例1-4每炉钢材成品的性能检验结果如表3、表4所示。

表3低倍、非金属夹杂物检验结果

表4晶粒度、带状组织、淬透性及氧、氮含量的检验结果

实施例	晶粒度	带状组织	淬透性J10	氧含量	氮含量
						1	7	3/3	28.3	15.5	61.4
2	7	2/1	29	16.4	66
						3	7	2/2	28	15.9	63.4
4	7	2/2	28	15.5	65.3

Claims (5)

1.一种MnCr渗碳齿轮钢，其组成按质量百分数为：

C：0.25-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.60-0.80％、Cr：0.80-1.10％、P：≤0.035％、S：0.020-0.050％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的渗碳齿轮钢，钢的组成按质量百分数为：

C：0.26-0.30％、Si：≤0.12％、Mn：0.70-0.80％、Cr：0.95-1.10％、P：≤0.020％、S：0.020-0.035％、Al：0.020-0.055、[O]≤20ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的渗碳齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]＝0.10-0.15％、[P]≤0.015％、[Si]≤0.05％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1630-1680℃；钢包内预脱氧严禁加入硅质脱氧剂，加铝量1.5-2.5kg/t钢，出钢严禁加入含Si材料；LF精炼，采用碳粉调渣，喂入Al线2-4m/t钢；精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，喂入钙线2-4m/t钢、硫线1.5-2m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在0.035-0.055％；精炼后真空处理，真空度小于67Pa，保持时间12-18分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟；

(2)浇注

采用连铸浇注铸坯，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520-1540℃，拉速260mm×300mm坯型按照0.60～0.85m/min，180mm×220mm坯型按照0.90～1.25m/min控制，以保证铸坯质量；

(3)轧制

控制加热炉均热温度1130-1200℃，加热时间2.5-3.5小时，开轧温度1080-1120℃，终轧温度850-1000℃；制得热轧圆钢。

4.如权利要求3所述的渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于，所述硅质脱氧剂为硅铁或碳化硅；所述含Si材料为萤石。

5.如权利要求3或4所述的渗碳齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼：采用电炉冶炼，电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]＝0.12-0.15％、[P]≤0.015％、[Si]＝0.03-0.04％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度1650-1680℃，加铝量1.5-2.5kg/t钢。LF精炼，加铝线3-4m/t钢，精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，加入钙线2-3m/t钢，硫线1.5-2m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在0.035-0.055％；精炼后真空处理，真空度40-60Pa，保持时间12-15分钟，VD后软吹氩时间12-15分钟。

(2)浇注：采用连铸浇注，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1520-1535℃，拉速260mm×300mm坯型按照0.60～0.70m/min，180mm×220mm坯型按照0.90～1.05m/min控制，铸坯质量良好。

(3)轧制：控制加热炉均热温度1150-1200℃，加热时间2.5-3小时，开轧温度1080-1120℃，终轧温度850-950℃。