CN102864383B - 一种低合金钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低合金钢。所述低合金钢包括以下重量百分数的成分：C：0.55～1.24％；Si：0.2～0.35％；Mn：1.05～1.35％；Cr：1.50～1.80％；Ni：1.30～2.20％；Mo：0.20～0.45％；Cu：0.4～0.6％；Ti：0.05～0.08，N≤0.015％；S，P均<0.005％，O≤25ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明提供的低合金钢综合性能良好，不仅具有较高的硬度，而且还具有较好的韧性和较高的疲劳强度；且铸造性能好，铸件成品率高，具有900MPa以上抗拉强度，洛氏硬度超过HRC58和良好塑韧性的优点。

Description

一种低合金钢

技术领域

本发明涉及一种低合金钢，具体的说，涉及一种用作齿轮或轴承的低合金钢。

背景技术

齿轮一般是采用专用的齿轮钢，先加工为齿坯，再进行机械加工、齿形加工、热处理、精加工等工艺过程制成。热处理过程中，淬火处理就是为了使齿面达到规定的硬度要求，淬透性是齿轮钢的重要性能指标之一，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，且帮助控制齿轮热处理变形。齿轮钢的淬透性和淬透性带宽的控制，主要取决于化学成分及其均匀性。也就是对淬透性影响大的元素如碳、锰等的控制，根据钢中碳和合金元素对淬透性各点硬度值的影响，确定该钢的内控成分范围。但随着机械技术的发展，对齿轮硬度要求也随之提高，利用传统的齿轮钢仅仅通过淬火就很难得到令人满意的硬度。

因此有必要通过改进材料的成分和工艺方法来满足各项要求，如齿轮的表面硬度和心部的冲击韧性。

CN101736189B公开了一种高频淬火齿轮及该齿轮的热处理工艺，该齿轮为铸造成型，经高频淬火，回火后制得，但其提供的齿轮钢中的碳含量较高，浇铸件的晶粒较大，韧性较差，而且高频淬火后开裂和变形的倾向大。

基于上述缺陷，本发明的目的是提供一种可用于齿轮或轴承的硬度高，韧性好，具有较高疲劳强度的低合金钢材料及其加工和热处理方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于齿轮或轴承的硬度高，韧性好，具有较高疲劳强度的低合金钢材料及其制备方法。

本发明所述的低合金钢的成分(重量％)为：C：0.55～1.24％；Si：0.2～0.35％；Mn：1.05～1.35％；Cr：1.50～1.80％；Ni：1.30～2.20％；Mo：0.20～0.45％；Cu：0.4～0.6％；Ti：0.05～0.08％，N≤0.015；S，P均<0.005％，O≤25ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

在上述化学成分中，碳是通常钢中所采用的最廉价的强化元素。碳在钢中主要以固溶或生成碳化物的形式存在。碳化物可作为增强相增加钢的硬度和强度，利用热处理方法，先在较高的温度下使碳化物都熔融在奥氏体中，然后利用碳化物微细化淬火方式进行热处理，使碳化物颗粒极为细小且均匀分布，可进一步提高钢的强韧性；另外C是对高频淬火性影响最大的元素，使硬化层更加硬化，还可使硬化层变得更厚，从而有助于提高扭转疲劳强度。

Si是钢铁冶炼时加入的脱氧剂引入的，Si可在高频淬火的加热时，使奥氏体的成核点的数量增加，同时还具有抑制奥氏体的晶粒成长，使硬化层细粒化的作用。另外，还有抑制碳化物的生成、防止晶界强度下降的作用。并且，还能够促进贝氏体组织的生成，从而有效提高扭转疲劳强度，但过量的Si会使切削性和冷锻性下降。

Mn是钢铁冶炼时加入的脱氧和脱硫元素，同时也是保证淬透性的元素。Mn含量应控制在1.05～1.35％。

Cr，Mo和Ti是碳化物形成元素，也能够有效提高钢的淬透性，以获得所需的强度。

Ni和Cu都是非碳化物形成元素，可固溶于铁素体中，通过固溶强化来提高扭转疲劳强度，并抑制碳化物的生成，防止晶界强度降低，提高扭转疲劳强度。

另外，P在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而不利于齿轮疲劳性能的提高；S会形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而不利于齿轮疲劳性能的提高。因此，S含量应控制在0．010％以下。而且钢中存在的氧化物和硫化物夹杂、有害元素如氮、氢、氧等，会降低钢材的力学性能，恶化钢材的工艺性能，因此，要求N≤0.015；S，P均<0.005％，O≤25ppm。

本发明经冶炼炉溶炼后，钢水可浇铸成钢锭，再锻造或轧制成材，机加工制成制品热处理；另外钢水也可直接洗铸成铸件再进行热处理使用，优选将其直接浇铸成铸件然后进行热处理使用。

本发明还提供一种适用于上述低合金钢的铸造方法。所述铸造方法包括以下步骤：

（1）制造模样：用泡沫材料制造模样，模样的齿形与齿形零件一致；

（2）涂料和干燥：在模样表面涂挂胶粘剂，喷砂并烘干；

（3）造型：将干燥的模样置于砂箱中，放置浇道，往砂箱中填砂进行造型，并在模样上设置冒口；

（4）浇注、落砂和清理：往砂箱中浇注铁水，冷却后开箱落砂，对铸件进行清理。

步骤（2）可重复多次；优选2-8次；其中，所述烘干如下进行：加热至260～300℃保温30分；喷砂可采用射砂机进行；

另外，所述喷砂可选用本领域常用的喷砂，考虑到附着在铸件表面的喷砂经过热处理后也可以起到强化表面的作用，优选碳化硅，三氧化二铝，铁格硼或碳化钨等高硬度材料；其颗粒的大小可选用本领域常用的颗粒大小，优选2-500μm；更优选5-10μm；

所述胶粘剂为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一种或两种的混合物。

采用上述铸造方法，铸件的表面光洁，工艺简单，极易形成流水线作业，同时制得的毛坯零件只需要少量的切削加工或直接不需要切削加工即可达到工艺的要求，减少了加工的工序缩短了整个的加工时间。

然后进行热处理，采用的热处理工艺为等温淬火+高频淬火+回火。

所述等温淬火工艺如下：加热至1020～1080℃保温10～30min，使材料完全转化为奥氏体，且碳化物溶入奥氏体中；然后在500～380℃等温处理1～5h，碳化物均匀析出，奥氏体转化为下贝氏体，水冷。

此时金相组织为：下贝氏体/少量马氏体+碳化物+残余奥氏体。下贝氏体的硬度和强度略低于回火马氏体，但塑性好，冲击韧性好，非常适合作为齿轮或轴承的芯材料。晶粒大小是齿轮钢的一项重要指标。齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒，经等温淬火后得到细小贝氏体和马氏体组织，明显改善齿轮的疲劳性能，同时减少齿轮热处理后的变形量。

然后采用高频淬火工艺进行表面硬化处理，所述高频淬火工艺如下：温度为900～1000℃，加热速度为400～600℃/s；加热时间3～5s，同时加热淬火，急速冷却，冷却速度大于形成奥氏体的速度，可采用水、油等常用的介质，优选冷却速度在300℃/s以上，优选600℃/s。高频淬火可多次进行，以增加硬化层厚度。所述硬化层厚度最好达到1.5mm以上，优选2～4mm。

然后低温回火，得到制品，所述低温回火工艺如下：在100～180℃，保温60～120min。

经过上述热处理，齿轮或轴承的心部为贝氏体和马氏体组织，表面通过高频淬火在表面形成硬化层，且硬化层的原奥氏体粒径小，高频感应加热的升温速度快，保温时间极短，淬火加热温度高，过热度大，奥氏体形核多，又不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，淬火齿轮表面强度较高，并且奥氏体晶粒细化，耐磨性又有显著提高。得到的制品的心部强度高、冲击韧性高，表面硬度高，耐磨性好。

因此，特别的，本发明还提供上述低合金钢制品的制备方法。

所述低合金钢制品的制备方法为：

1)将熔融的金属液体倒入砂型中，使其浇铸成铸件后，备用；

2)将上述铸造好的铸件加工后进行等温淬火，然后进行高频淬火；

3)将加热后的铸件油淬，空气冷却至室温；

4)然后进行低温回火处理，在100～180℃，保温60～120min

5)将回火处理后的铸件，空气冷却至室温。

所述步骤1）如下进行：

（1）制造模样：用泡沫材料制造模样，模样的齿形与齿形零件完全一致；

（2）涂料和干燥：在模样表面涂挂胶粘剂，喷砂并烘干；所述喷砂为碳化硅，三氧化二铝，铁格硼或碳化钨；其颗粒的大小为20-500μm；优选20-100μm；所述胶粘剂为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一种或两种的混合物；

（3）造型：将干燥的模样置于砂箱中，放置浇道，往砂箱中填砂进行造型，并在模样上设置冒口；

（4）浇注、落砂和清理：往砂箱中浇注铁水，冷却后开箱落砂，对铸件进行清理。

所述等温淬火工艺如下：加热至1020～1080℃保温10～30min，使材料完全转化为奥氏体，且碳化物溶入奥氏体中；然后在500～380℃等温处理1～5h，碳化物均匀析出，奥氏体转化为下贝氏体，水冷。

所述高频淬火工艺如下：温度为900～1000℃，加热速度为400～600℃/s；同时加热淬火，急速冷却。

所述急速冷却的冷却速度在300℃/s以上，优选400～600℃/s。

与现有技术相比，本发明提供的低合金钢综合性能良好，不仅具有较高的硬度，而且还具有较好的韧性和较高的疲劳强度；且铸造性能好，铸件成品率高，具有900MPa以上抗拉强度，洛氏硬度超过HRC58和良好塑韧性的优点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述。如无特别指明，本发明所用的原料均为市购。

实施例1

利用真空感应炉冶炼本发明所述的低合金钢，其具体化学成分如表1所示。

表1化学成分表

然后按照下述方法制备齿轮：

1)用泡沫材料制造模样，模样的齿形与齿形零件一致；在模样表面涂挂胶粘剂，喷砂并烘干；所述喷砂为碳化硅；所述胶粘剂为聚丙烯酰胺；将干燥的模样置于砂箱中，放置浇道，往砂箱中填砂进行造型，并在模样上设置冒口；合金材料熔炼；熔化温度为1620℃，浇注温度为1530℃；浇注；冷却后开箱落砂，对铸件进行清理；

2)将上述铸造好的铸件加工后进行等温淬火，然后进行高频淬火；

3)将加热后的铸件油淬，空气冷却至室温；

4)然后进行低温回火处理；

5)将回火处理后的铸件，空气冷却至室温。

具体的等温淬火条件和高频淬火工艺条件如表2所示：

表2试样的热处理条件

对经热处理的试样进行扭转疲劳强度试验，采用最大转矩为4900N·m(=500kgf.m)的扭转疲劳试验机，交变地改变应力条件而进行，把达到1×10⁵次的寿命时的应力作为疲劳强度而求得。

另外，对以相同条件做成的样品，采用光学显微镜测定淬火前的组织，淬火后的硬化层的厚度。结果见表3：

表3试样的测试结果

显然，本发明提供的低合金钢综合性能良好，不仅具有较高的硬度，而且还具有较好的韧性和较高的疲劳强度；且铸造性能好，铸件成品率高，具有900MPa以上抗拉强度，洛氏硬度超过HRC58和良好塑韧性的优点。

Claims (4)

1.一种低合金钢，其特征在于，所述低合金钢包括以下重量百分数的成分：C：0.55～1.24％；Si：0.2～0.35％；Mn：1.05～1.35％；Cr：1.50～1.80％；Ni：1.30～2.20％；Mo：0.20～0.45％；Cu：0.4～0.6％；Ti：0.05～0.08％，N≤0.015％；S，P均<0.005％，O≤25ppm，其余为Fe和不可避免的杂质；所述低合金钢经过铸造后，经过热处理；

所述所述热处理的工艺为等温淬火+高频淬火+回火；所述等温淬火工艺如下：加热至1020～1080℃保温10～30min，然后在500～380℃等温处理1～5h，水冷；

所述高频淬火工艺如下：温度为900～1000℃，加热速度为400～600℃/s；加热时间3～5s，同时加热淬火，急速冷却；

所述回火工艺如下：在100～180℃，保温60～120min；

所述铸造的方法，包括以下步骤：

(1)制造模样：用泡沫材料制造模样，模样的齿形与齿形零件一致；

(2)涂料和干燥：在模样表面涂挂胶粘剂，喷砂并烘干；所述喷砂为碳化硅，三氧化二铝，铁格硼或碳化钨；其颗粒的大小为2-500μm；所述胶粘剂为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一种或两种的混合物；

(3)造型：将干燥的模样置于砂箱中，放置浇道，往砂箱中填砂进行造型，并在模样上设置冒口；

(4)浇注、落砂和清理：往砂箱中浇注铁水，冷却后开箱落砂，对铸件进行清理。

2.根据权利要求1所述的低合金钢的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺为等温淬火+高频淬火+回火；所述等温淬火工艺如下：加热至1020～1080℃保温10～30min，然后在500～380℃等温处理1～5h，水冷；

所述高频淬火工艺如下：温度为900～1000℃，加热速度为400～600℃/s；加热时间3～5s，同时加热淬火，急速冷却；

所述回火工艺如下：在100～180℃，保温60～120min。

3.根据权利要求1所述的低合金钢的制品的制备方法，包括以下步骤：

1)将熔融的金属液体倒入砂型中，使其浇铸成铸件后，备用；

2)将上述铸造好的铸件加工后进行等温淬火，然后进行高频淬火；所述等温淬火工艺如下：加热至1020～1080℃保温10～30min，然后在500～380℃等温处理1～5h，水冷；所述高频淬火工艺如下：温度为900～1000℃，加热速度为400～600℃/s；加热时间3～5s，同时加热淬火，急速冷却；

3)将加热后的铸件油淬，空气冷却至室温；

4)然后进行回火处理，在100～180℃，保温60～120min

5)将回火处理后的铸件，空气冷却至室温。

4.根据权利要求3所述的低合金钢的制品的制备方法，其特征在于，所述步骤1)如下进行：

(1)制造模样：用泡沫材料制造模样，模样的齿形与齿形零件完全一致；

(2)涂料和干燥：在模样表面涂挂胶粘剂，喷砂并烘干；所述喷砂为碳化硅，三氧化二铝，铁格硼或碳化钨；其颗粒的大小为2-500μm；所述胶粘剂为聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一种或两种的混合物；

(3)造型：将干燥的模样置于砂箱中，放置浇道，往砂箱中填砂进行造型，并在模样上设置冒口；

(4)浇注、落砂和清理：往砂箱中浇注铁水，冷却后开箱落砂，对铸件进行清理。