CN102703834A - 一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺，该齿轮钢按重量百分比其成分为：C 0.14～0.22%、Si 0.20～0.35%、Mn 0.80～1.15%、Cr0.80～1.25%、Al0.030-0.060%、P≤0.035%、S0.015-0.030%、B0.0005-0.030%、0.080≤N≤0.0140%、Ni≤0.30%、Mo≤0.30%%、Cu≤0.20%，余量是Fe和不可避免的杂质。包括冶炼、连铸和轧制工序。本发明充分运用晶内铁素体细化晶粒，改善冲击强度，改善疲劳特性。

Description

一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺。 

背景技术

20CrMnTi钢占中国汽车齿轮钢材制造用量的5O％左右。其钢基体组织为珠光体+铁素体组织，由于20CrMnTi钢在成分上含有Ti.不可避免地在钢材内部产丛生或大或小的TiN夹杂物，Ti是齿轮钢中的重要元素，但是Ti在钢中易形成颗粒大、带尖棱角的TiN，是疲劳裂纹源，其危害比氧化物夹杂还严重。主要是TiN不变形夹杂物比基体硬，影响加工精度，在使用时会成为疲劳源而影响齿轮的疲劳寿命。 

因此，主要通过两种措施减少TiN形成机会。一是尽量降低Ti含量，并通过精炼喂Ti线工艺替代原来直接加块状合金，提高Ti收得率，把Ti成分控制在很窄范围内。二是保证连铸钢液脱氧良好，连铸过程采用全过程保护浇注，尽量避免与大气接触以减少钢液吸氮。 

发明内容

针对20CrMnTi现有技术存在的上述缺点，本发明的目的是提出一种晶粒细化的齿轮钢(20CrMnBAlN)及其生产工艺，与20CrMnTi相比有较近碳含量、铬含量、锰含量，加入Al、B、N元素，充分运用晶内铁素体细化晶粒，改善冲击强度，改善疲劳特性。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种晶粒细化的齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢按重量百分比其成分为：C 0.14～0.22％、Si 0.20～0.35％、Mn 0.80～1.15％、Cr 0.80～1.25％、Al 0.030-0.060％、P≤0.035％、S 0.015-0.030％、B 0.0005-0.030％、0.080≤N≤0.0140％、Ni≤0.30％、Mo≤0.30％％、Cu≤0.20％，余量是Fe和不可避免的杂质。

优选的，该齿轮钢按重量百分比其成分为：C 0.16～0.21％、Si 0.20～0.33％、Mn 0.85～1.10％、Cr 0.85～1.20％、Al 0.030-0.060％、P≤0.035％、S 0.015-0.030％、B0.0005-0.020％、0.080≤N≤0.0140％、Ni≤0.30％ Mo≤0.30％、Cu≤0.20％，余量是Fe和不可避免的杂质。 

各元素的作用： 

1)C：在所有元素中，碳提高强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为硅的5倍，铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮钢具有足够的强度、硬度，钢中必须含有相当高的碳含 量。

2)Mn：对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。 

3)Cr：对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。 

4)AI：晶粒度细小均匀的奥氏体晶粒对稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力具有重要意义。考虑到Ti对齿轮钢不利影响，主要是通过添加Al细化晶粒，以Al元素来实现细晶控制。为了更好地细化晶粒，采用精炼喂Al线方式，合理控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内，达到晶粒度8级。 

5)S：提高齿轮加工时的易切削能力，实现晶内铁素体冶金，细化晶粒。 

6)B：提高钢淬透性能。 

7)N：细化晶粒。 

一种晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序，其工艺流程为： 

1)电炉冶炼，要求红包无渣出钢；

2)LF精炼炉，精炼时间≥30min，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅脱氧，中后期使用高品位碳化硅保持白渣；根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持≥0.020％，精炼后期控制进VD前〔Al〕：0.020-0.040％；精炼过程Cr按0.78％以内控制，其它元素除Al、B、S等按目标值下限调整；

3)VD真空炉，真空度≤1毫巴下保持，保持时间≥12min，破真空确保软吹Ar≥20min以上；按目标值使用CrN合金增氮，MnN线微调；用喂线或加合金进行微调，喂线或加合金顺序如下：C、Al、Ca、S、BFe；微调成分操作如下：C线喂完可以立即喂入Al线：80-100m，然后搅拌1min以上喂入Ca线：30m，完毕后保持静搅3min以上加入BFe：0.16-0.20kg/t，再静搅5min以上加入硫化铁合金：0.60-0.80kg，再确保静搅5-10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸；静搅过程根据温度加入保温剂≥100kg。

4)连铸，得到连铸坯； 

5)轧钢，加热炉内温度：预热段≤850℃、加热段12000-1250℃、均热段1200-1230℃，总加热时间135～145(分)；出入钢节奏90～100(秒)；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1100-1130℃，终轧温度≥950℃；轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到晶粒细化的齿轮钢。

本发明的优点是：考虑到汽车的轻量化、高速度的发展趋势，考虑到齿轮的各种苛 刻工作环境、高强度、高寿命、耐疲劳、抗冲击等方面的要求。本发明通过晶粒细化、晶界强化改善晶界强度，可应用于改善冲击强度。消除TiN等氧化物与氮化物，可改善疲劳特性，真空脱气处理主要是减少钢液中的氧、氢等气体成分的处理，以减少大型的非金属夹杂物。另外，软性夹杂物对疲劳极限的影响小于硬性夹杂物的影响，所以，尝试了使非金属夹杂物无害化的方法，即控制硬质的非金属夹杂物。使之成为软性的夹杂物。应用钙处理是有效的办法。 

具体实施方式： 

一种本发明所述的晶粒细化的20CrMnBAlN齿轮钢的生产工艺，中按C 0.14～0.22％控制，优选为C 0.16～0.20％，按计算量向钢中加入低磷锰铁和低碳铬铁，钢的强韧性，强化晶界，进而改善齿轮钢的综合力学性能。

其工艺流程为：原辅料验收→配料→电炉冶炼→LF精炼→VD脱气→连铸→铸坯坑冷→检验→坯料验收→加热→除鳞→轧制→剪切或锯切→坑冷→矫直→修磨→成品检验→打包标志→称重。 

具体工艺如下： 

电炉冶炼：要求红包无渣出钢。电炉新砌炉壳前三炉不得用于生产本方案中齿轮钢，尽量避免使用新钢包，在不得已使用新钢包时须适当延长LF精炼及VD真空处理时间。

在100吨电炉冶炼，因需要走真空，钢包要留有自由空间，出钢量目标为88吨，配料选用优质废钢、铁水、生铁。铁水加生铁量≥总配料量的30％。配碳量≥1.0％，要求电炉冶炼配碳量≥1.0％、脱碳量≥0.80％。电炉终点控制目标C≥0.08，P≤0.008％，T≥1610℃，定氧：[O]≤700PPm，电炉出钢过程中钢包内每吨钢水渣料及合金加入量复合中铝：3-4Kg，低磷低碳硅锰9-10kg，低磷锰铁4-5kg，低碳铬铁10-11kg石灰8Kg，萤石2Kg等。 

LF精炼炉： 

1.精炼时间≥30min以上，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅(高纯石墨炭材)脱氧，中后期使用高品位碳化硅(高纯石墨炭材)保持白渣；

2.根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持≥0.020％以上，精炼后期控制进VD前〔Al〕：0.020-0.040％；

3.精炼过程Cr按0.78％以内控制，其它元素除Al、B、S等按目标值下限调整；VD真空炉

1.真空度≤1毫巴下保持，保持时间≥12min，破真空确保软吹Ar≥20min以上；

2.[N]的调整：破真空取双棒棒糖样分析全成分，[N]按目标值使用CrN(合金)增氮 (优先)，MnN(线)(微调)：(MnN(线)增[N]推荐100m＝15-20ppm N；CrN(合金)推荐100kg＝35-40ppm)；，

3用喂线或加合金进行微调，喂线或加合金顺序如下：C、Al、Ca、S、BFe，不得随意调整；

4.微调成分操作如下：根据样结果按目标值进行微调(以下元素加入量根据实际可调整)；C线喂完可以立即喂入Al线：80-100m，然后搅拌1min以上喂入Ca线：30m，完毕后保持静搅3min以上加入BFe：0.16-0.20kg/t，再静搅5min以上加入硫化铁(合金)：0.60-0.80kg，再确保静搅5-10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸；

5.静搅过程根据温度加入保温剂≥100kg。

连铸

连铸第一炉：1570～1580，连浇炉：1560～1570，液相线温度：1512℃。

推荐过热度：20-30℃保护渣：中低碳保护渣覆盖剂：TD-BA断面：(mm*mm)断面：(mm*mm)：350*440振动模式180*240 

拉速(m/min)ΔT＞35℃0.48m/min

ΔT￡35℃0.51m/min

1.连铸严格控制拉速，保证电磁搅拌和末搅正常运行，保证中间包、结晶器液面稳定，防止卷渣，保证侵入式水口对中及插入深度。

2.坯料冷却要求：不得热装热送 

大方坯需入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥500℃，缓冷时间≥48h以上可开盖自然冷却，开盖36h后可以出坑；小方坯钢坯须避风堆冷或入坑缓冷，保温时间≥24h。

3.每组每流铸坯取样检测低倍。 

轧钢： 

1).予热段≤850℃加热段12000-1250℃均热段1200-1230℃，总加热时间135～145(分)。出入钢节奏90～100(秒)

2).水除鳞压力≥20MPa。

3).开轧温度≥1100-1130℃，终轧温度≥950℃。 

4).轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃； 

实施例：

本发明实施例1、参照例220CrMnTi 

1)化学成份如下表1(wt％)：

表1

项目	C	Cr	Mn	Si	P	S	Alt	B	Ni	Mo	Cu	N	Ti
														实施例1  20CrMnBAlN	0.19	0.85	0.85	0.26	0.015	0.025	0.0500	0-0018	0.01	0.005	0.04	0.0120
参照例2  20CrMnTi	0.19	1.06	0.95	0.24	0.012	0.007	0.0350		0.01	0.005	0.04		0.056

2)力学性能比较如下表2：

表2 

4)晶拉度：20CrMnAlS 8级，20CrMnTi 7级。

5)组织：热轧态均为F+P组织。 

6)低倍如下表3： 

表3

7).夹杂物如下表4：

表4

8)末端淬透性(20CrMnAlS与20CrMnTi)比较如下表5：

表5

本发明通过晶粒细化、晶界强化改善晶界强度，非金属夹杂物少，冲击强度高，改善了疲劳特性。 

Claims (5)

1.一种晶粒细化的齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢按重量百分比其成分为：C  0.14～0.22% 、Si  0.20～0.35%、Mn  0.80～1.15%、Cr 0.80～1.25% 、Al 0.030-0.060% 、P≤0.035% 、 S 0.015-0.030% 、B 0.0005-0.030%、 0.080 ≤N≤0.0140%、Ni≤0.30 % 、 Mo≤0.30% %、 Cu≤0.20%，余量是Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的晶粒细化的齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢按重量百分比其成分为：C  0.16～0.21% 、 Si 0.20～0.33% 、 Mn 0.85～1.10%  、  Cr 0.85～1.20% 、Al0.030-0.060%、P≤0.035%、S 0.015-0.030% 、B 0.0005-0.020% 、 0.080 ≤N≤0.0140%、Ni≤0.30 % Mo≤0.30%、 Cu≤0.20%，余量是Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序，其工艺流程为：

1）电炉冶炼，要求红包无渣出钢；

2）LF精炼炉， 精炼时间≥30min，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅脱氧，中后期使用高品位碳化硅保持白渣；根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt 保持≥0.020%，精炼后期控制进VD 前〔Al〕：0.020-0.040％；精炼过程Cr按0.78% 以内控制，其它元素除Al、B、S等按目标值下限调整；

3）VD真空炉，真空度≤1毫巴下保持，保持时间≥12min，破真空确保软吹Ar≥20min以上； 按目标值使用CrN合金增氮，MnN线微调；用喂线或加合金进行微调, 喂线或加合金顺序如下: C、Al、Ca、S、B-Fe；

4）连铸，得到连铸坯；

5）轧钢，加热炉内温度：预热段≤850℃ 、 加热段 12000－1250℃ 、 均热段1200－1230℃, 总加热时间135～145（分）；出入钢节奏90～100（秒）；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1100-1130℃, 终轧温度≥950℃；轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到晶粒细化的齿轮钢。

4.根据权利要求3所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤3）中，微调成分操作如下: C线喂完可以立即喂入Al线：80-100m,然后搅拌1min以上喂入Ca线：30m, 完毕后保持静搅3min以上加入BFe：0.16-0.20kg/t，再静搅5min以上加入硫化铁合金：0.60-0.80kg,  再确保静搅5-10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸。

5.根据权利要求4所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤3）中，静搅过程根据温度加入保温剂≥100kg。