CN103757553A

CN103757553A - 一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件及制造方法

Info

Publication number: CN103757553A
Application number: CN201310746406.XA
Authority: CN
Inventors: 管平; 钱少伦; 陈云祥; 冷怡恺; 石淑琴; 张林洲; 陈聪
Original assignee: BAODING HEAVY INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: BAODING HEAVY INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2013-12-28
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: CN103757553B

Abstract

本发明涉及一种通过添加微合元素V、Ti以及对主控元素的调整来优化40NiCrMo7的化学成分，化学成分质量百分数为：C为0.40～0.44%，Mn为0.60～0.80%，Si为0.17～0.37%，S≤0.015%，P≤0.015，Cr为0.75～0.85%。Ni为1.70～1.85%，Mo为0.22～0.29%，V为0.05～0.08%,Ti为0.04～0.08%。其余为Fe。并通过制定特殊的锻造工艺方法及特殊的热处理工艺方法，从而达到获得高性能锻钢件。优点是：对锻造工艺方法和热处理工艺方法进行了传新，大大改善了锻件的综合力学性能，打破了该产品依赖进口的限制，在工业上具有广阔的发展前景。

Description

一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件及制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过添加微合元素V、Ti以及对主控元素的调整来优化40NiCrMo7的化学成分，并通过制定特殊的锻造工艺方法及特殊的热处理工艺方法，从而达到获得高性能锻钢件，属锻钢件制造领域。

背景技术

40NiCrMo7材质的特点：从机械性能要求可以看出，该材质要求锻件不仅要有高的强度性能，而且要求在低温下有较高的冲击性能。并且要保证齿面到齿根120mm(见图1)范围布氏硬度要达到HB300-360。

该轴齿轮的国外牌号为40NiCrMo7(见表1)，与我国的40CrNiMo牌号成分相近。40NiCrMo7和40CrNiMo机械性能见表2。

表140NiCrMo7和40CrNiMo成分

根据GB/T3077标准的规定，40CrNiMo的化学成分在调质状态下的25mm试样所能达到的力学性能如下：

R_eH≥835MPa，R_m≥900MPa，A₅≥12％，A_kv(20℃)≥78J

根据该锻件测试要求，必须保证锻件热处理淬火时的淬透性，同时由于冲击试验温度要求在-40℃低温下进行，这就对锻件的韧性提出了更高的要求，从温度对冲击值的影响(图2)可以看出，当温度降至脆性转变温度以下时，其冲击值往往降至很低的数值，我们按40NiCrMo7的化学成分进行试验，从我们实际的试验数据可以看出，按40NiCrMo7的化学成分所能达到的-40℃冲击值在20～26J之间，齿面到齿根120mm范围硬度值在HB259-271。

其不足之处：根据材质要求我们对3组试样进行化学成分和力学性能的试验分析，其中：

C：0.371～0.428％，Si：0.192～0.358％，Mn：0.511～0.769％，P≤0.018％，S≤0.012％，Cr：0.724～0.836％，Ni：1.655～1.814％；Mo：0.211～0.247％。

抗拉强度R_m分布在970～1035MPa，屈服强度R_eH在875～955Mpa，延伸率A₅在11.0～14.5％，断面收缩Z在42.5～49.0％，冲击功A_kv(-40℃)值分布在：20～26J之间，120mm齿根部位硬度值在HB270-282之间。

从结果来看，40NiCrMo7材质属于中碳合金钢，经热处理后，具有一定的强度，但冲击韧性要求却很难达到，齿根部位的硬度值也达不到设计要求。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，通过加入部分微量合金元素来细化晶粒，提高材料的淬透性，从而达到提高锻件强度和韧性的目的。

设计方案：本发明从提高锻件的淬透性和冲击韧性两方面考虑，采用调整钢水中的C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo含量范围，严格控制S、P在钢中的残留含量，并添加V和Ti两种微量元素为主要手段。从图3含碳量对钢强度性能的影响可以看出，C含量的上升，能提高锻件的抗拉强度，但会使冲击韧性值下降，尤其是耐低温冲击韧性值，表现更为明显，因此C当量的控制要在适中范围，主要考虑对强度的影响，后续通过合金元素的比例调整，来提高耐低温冲击韧性值，因此碳含量控制在0.40％～0.44％；虽然硅含量小于0.60％时，对于晶粒的影响不大，对于冲击韧性的影响也较小(见图4)，但是随着含硅量的增加，对于韧性-脆性转变温度的影响甚至比碳还大(见图5)，因此硅含量控制在：0.17～0.37％，锰对钢的晶粒度会有粗化倾向，同时考虑到Mn/C当量，锰含量控制在0.60～0.80％，为了保证强度不受影响，通过加入部分微量合金元素来细化晶粒，从而达到提高锻件强度和韧性的目的。表2为常见合金元素对铸钢晶粒度的影响：

表2常见合金元素对铸钢晶粒度的影响

从上表中可以看出：Cr、W、Mo、V、Al、Ti都能对钢起到细化晶粒的作用。在合金元素中，Ni和Cr都具有耐腐蚀和抗氧化能力，但是Ni不能提高铁素体的蠕变抗力，相反会使珠光体M体热脆性增大，而且Ni单独使用时，并不具有较好的抗氧化性，往往需要与Cr元素结合使用，因此在含量上必须严格控制；Cr能显著提高强度，改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化能力，但是同时降低材料的塑性和韧性。因此Ni含量控制在1.70-1.85％，Cr含量控制在0.75-0.85％；Mo在合金结构钢中，含量控制在0.25％左右具有良好的提高钢的塑性和韧性的作用，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。同时Mo是铁素体形成元素，易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，需要控制加入量，因此Mo含量控制在0.22-0.29％。S不溶于Fe，在钢中以FeS的形式存在，FeS和Fe能形成熔点为985℃的共晶体，且分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000～1200℃进行锻造时，会使晶界上的共晶体熔化，使钢变脆。同时会以夹杂物的形式残存与锻件中，因此必须控制其残留含量，一般的镇静钢含量控制在0.040％以下，根据本发明锻造工艺要求S含量控制在0.015％以下；P在钢中能全部溶于铁素体中，具有强烈的固溶强化作用，使钢的强度和硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。同时在锻造过程易形成带状组织，一般的镇静钢含量控制在0.040％以下，本发明锻造工艺要求P含量控制在0.020以下。

单个元素范围的控制，从材料的综合力学性能及焊接性能方面看满足了材料的要求，但是由于元素之间存在相互制约，因此需要加入微合金元素来达到改善综合性能的要求。

V元素能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，V元素还能提高钢的高温蠕变性能，V元素在含量0.05％～0.10％时，细化晶粒的效果比较明显，而超过0.20％，形成V₄C₃碳化物，会提高钢的热强性，。从碳当量不等式关系可以看出，V元素不会影响材料的焊接性能，因此V含量控制在：0.05-0.08％。

Ti是钢中强脱氧剂，能降低钥的时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。能形成稳定的TiC，在高温1300℃时依然很稳定，可以很好的抑制奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。同时Ti元素也是铁素体形成元素，当含量较高时，极易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，因此也需要控制加入。合适的控制加入量为：0.04-0.08％

技术方案1：一种40NiCrMo7轴齿轮锻件的优化材料，其特征是质量百分数：C为0.40～0.44％，Mn为0.60～0.80％，Si为0.17～0.37％，S≤0.015％，P≤0.015％，Cr为0.75～0.85％，Ni为1.70～1.85％，Mo为0.22～0.29％，V为0.04～0.08％，Ti为0.04～0.08％。

技术方案2：一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件的锻造方法，(1)采用分段等温加热钢锭，钢锭在加热炉中摆放必须要进行架空，架空的高度要在200mm以上，受热要均匀，加热炉各个喷嘴要对称。钢锭加热按三个温度等温要求进行加热等温，炉子温度加热到450±10℃保温5小时，然后升温4小时到800±10℃保温5小时，继续升温4小时到1230±10℃保温5小时后出炉锻造，(2)采用一锭锻两的工艺方案，钢锭出炉后，先压钳口，即在冒口端先锻出直径为520mm，长度为700mm的钳口，该钳口将有利于操作机夹紧工件，锻出后，倒去钢锭的棱边，错去锭尾。钢锭直立，钳口朝下，插入600mm直径的镦粗漏盘中，采用静压力大平板缓慢镦粗变形，专用工装如图6所示，将钢锭镦粗至直径为1400mm，高度为1000mm的坯料，如图7所示。整个镦粗过程一气呵成，实时测量尺寸，记录钢锭外表面的温度。当镦粗达到规定尺寸后，将工件从漏盘中取出，旋转方向，操作机夹钳口，进行整锭拔长，压790mm直径的八角后号印，按图8分料图分料，在此基础上，采用剁刀下料，在1980mm段中间切开，至此单件轴齿轮需要的坯料已锻制完成，工件重新回炉加热。继续升温到1230±10℃保温5小时后，坯料重新出炉锻造，先压出以下图9所示形状的尺寸。关键要保证520mm直径的II区域尺寸要到位，该处将继续插入漏盘内进行镦粗，为对单件坯料进行局部镦粗，设计专用漏盘工装，主要尺寸见图10。镦粗至外圆工艺尺寸后，再压法兰端锻出凸台，见图11所示。工件基本成型后，出漏盘，再对法兰进行精锻抛圆。

技术方案3：一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件扩氢热处理工艺(1)毛坯锻件锻制结束后，空冷放置，待温度降到室温后，锻件毛坯在热处理炉中摆放平稳，相互间隔要大于600mm,放置时法兰面朝上。(2)扩氢处理：随炉升温，温度达到650-700℃时，保温40小时，然后随炉冷却至室温出炉。

技术方案4：一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件调质热处理工艺(1)采用分段加热的工艺技术，并控制升温速度小于60℃/小时。(2)待毛坯粗加工结束，进行调质热处理，具体为：调质处理淬火升温、升温速度不大于60℃/小时，升温到600-700℃，等温4小时后继续升温至850-900℃，保温6小时，出炉在10％氯化钠水溶液中水淬处理；水淬结束以不大于60℃/小时的升温速度升到300-400℃，等温4小时后继续以不大于60℃/小时的升温速度升到500-550℃，保温10小时出炉在水中冷却5分钟，然后再进炉继续以不大于60℃/小时的升温速度升到400-500℃，保温18小时后出炉空冷。(3)调质结束，按图1取样位置要求进行取样分析试验。(4)按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体。

本发明与背景技术相比，通过对原材料的优化，并对锻造工艺方法和热处理工艺方法进行了传新，大大改善了锻件的综合力学性能，打破了该产品依赖进口的限制，因此在工业上具有广阔的发展前景。

附图说明

图1轴齿轮取样示意图。

图2温度对冲击值的影响示意图。

图3含碳量对钢机械性能的影响示意图

图4硅、锰含量对钢韧性的影响示意图。

图5硅含量与韧性-脆性转变温度关系示意图。

图6整锭镦粗漏盘专用工装示意图。

图7整锭镦粗示意图。

图8钢锭拔长分料示意图。

图9坯料锻制尺寸示意图。

图10单件镦粗用漏盘示意图。

图11毛坯锻件成型示意图。

具体实施方式

实施例1：一种40NiCrMo7轴齿轮锻钢件优化材料，材料的组分的构成最终控制如下：a.化学成分(质量分数)：C为0.40～0.44％，Mn为0.60～0.80％，Si为0.17～0.37％，S≤0.015％，P≤0.015，Cr为0.75～0.85％，Ni为1.70～1.85％，Mo为0.22～0.29％，V为0.05～0.08％，Ti为0.04～0.08％。其余为Fe。屈服强度R_e≥900Mpa，抗拉强度R_m：1000-1200Mpa，延伸率A₅≥11％，冲击吸收功A_kv(-40℃)≥283，硬度：HB300-360，(硬度测试位置：距表面120mm)。

实施例1-1：在实施例1的基础上，C：0.417％，Si：0.275％，Mn：0.629％，S：0.0013％，P：0.0043％，Ni：1.794％，Cr：0.794％，Mo：0.224％，V：0.062％，Ti：0.072％，其余为Fe。屈服强度R_e(Mpa)985，抗拉强度R_m(Mpa)1150，延伸率δ₅％15.0，断面收缩率ψ％59.0，冲击吸收功Akv(-40℃)J60、59、55，距表面120mm硬度HB330/329/337。

实施例1-2：C：0.425％，Si：0.277％，Mn：0.664％，S：0.0018％，P：0.0059％，Ni：1.818％，Cr：0.779％，Mo：0.283％，V：0.058％，Ti：0.064％，其余为Fe。屈服强度R_e(Mpa)980，抗拉强度R_m(Mpa)1130，延伸率δ₅％16.0，断面收缩率ψ％55.0，冲击吸收功Akv(-40℃)J58、55、55，距表面120mm硬度HB345/338/351。

实施例1-3：C：0.410％，Si：0.255％，Mn：0.686％，S：0.0003％，P：0.0045％，Ni：1.824％，Cr：0.791％，Mo：0.288％，V：0.071％，Ti：0.068％，其余为Fe。屈服强度R_e(Mpa)955，抗拉强度R_m(Mpa)1100，延伸率δ₅％15.5，断面收缩率ψ％49.0，冲击吸收功Akv(-40℃)J58、50、51，距表面120mm硬度HB342/345/340。

实施例2：在上述实施例1的基础上，一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件的制造方法：(1)采用分段等温加热钢锭，钢锭加热按三个温度等温要求进行加热等温，炉子温度加热到450±10℃保温5小时，然后升温4小时到800±10℃保温5小时，继续升温4小时到1230±10℃保温5小时后出炉锻造，(2)采用一锭锻两的工艺方案，钢锭出炉后，先压钳口，即在冒口端先锻出直径为520mm，长度为700mm的钳口，该钳口将有利于操作机夹紧工件，锻出后，倒去钢锭的棱边，错去锭尾。钢锭直立，钳口朝下，插入600mm直径的镦粗漏盘中，采用静压力大平板缓慢镦粗变形，专用工装如图6所示，将钢锭镦粗至直径为1400mm，高度为1000mm的坯料，如图7所示。整个镦粗过程一气呵成，实时测量尺寸，记录钢锭外表面的温度。当镦粗达到规定尺寸后，将工件从漏盘中取出，旋转方向，操作机夹钳口，进行整锭拔长，压790mm直径的八角后号印，按图8分料图分料，在此基础上，采用剁刀下料，在1980mm段中间切开，至此单件轴齿轮需要的坯料已锻制完成，工件重新回炉加热。继续升温到1230±10℃保温5小时后，坯料重新出炉锻造，先压出以下图9所示形状的尺寸。关键要保证520mm直径的II区域尺寸要到位，该处将继续插入漏盘内进行镦粗，为对单件坯料进行局部镦粗，设计专用漏盘工装，主要尺寸见图10。镦粗至外圆工艺尺寸后，再压法兰端锻出凸台，见图11所示。工件基本成型后，出漏盘，再对法兰进行精锻抛圆。

实施例3：在上述实施例1的基础上，一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件的扩氢热处理工艺方法：(1)毛坯锻件锻制结束后，空冷放置，待温度降到室温后，锻件毛坯在热处理炉中摆放平稳，相互间隔要大于600mm，放置时法兰面朝上。(2)扩氢处理：随炉升温，温度达到650-700℃时，保温40小时，然后随炉冷却至室温出炉。

实施例4：一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件调质热处理工艺方法(1)采用分段加热的工艺技术，并控制升温速度小于60℃/小时。(2)待毛坯粗加工结束，进行调质热处理，具体为：调质处理淬火升温、升温速度不大于60℃/小时，升温到600-700℃，等温4小时后继续升温至850-900℃，保温6小时，出炉在10％氯化钠水溶液中水淬处理；水淬结束以不大于60℃/小时的升温速度升到300-400℃，等温4小时后继续以不大于60℃/小时的升温速度升到500-550℃，保温10小时出炉在水中冷却5分钟，然后再进炉继续以不大于60℃/小时的升温速度升到400-500℃，保温18小时后出炉空冷。(3)调质结束，按图1取样位置要求进行取样分析试验。(4)按该化学成分调质处理后的金相组织为：回火索氏体。

调质结束，按图1取样位置要求进行取样分析试验，试验结果见表三、表四。

表三化学成分(质量分数％，其余含量为Fe)

表四机械性能

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种40NiCrMo7轴齿轮锻件的优化材料，其特征是质量百分数：C为0.40～0.44％，Mn为0.60～0.80％，Si为0.17～0.37％，S≤0.015％，P≤0.015％，Cr为0.75～0.85％，Ni为1.70～1.85％，Mo为0.22～0.29％，V为0.04～0.08％，Ti为0.04～0.08％。

2.根据权利要求1所述的40NiCrMo7轴齿轮锻件优化材料，其特征是：优化后的化学成分质量百分数：

元素 C Si Mn S P Cr Ni Mo V Ti 1 0.417 0.275 0.629 0.0013 0.0043 0.794 1.794 0.224 0.062 0.072 2 0.425 0.277 0.664 0.0018 0.0059 0.779 1.818 0.283 0.058 0.064 3 0.410 0.255 0.686 0.0003 0.0045 0.791 1.824 0.288 0.071 0.068

3.根据权利要求1所述的40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的力学性能，其特征是：屈服强度R_e≥900Mpa，抗拉强度R_m：1000-1200Mpa，延伸率A₅≥11％，冲击吸收功A_kv(-40℃)≥28J，硬度：HB300-360，其硬度测试位置：距表面120mm。

4.根据权利要求1所述的40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的力学性能，其特征是：

5.一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的钢锭加热方法，其特征是：

加热方法：钢锭摆放距炉台200mm以上，加热炉各个喷嘴对称分布，加热分三个阶段：加热到450±10℃，保温5h；继续加热升温4小时，升温到800±10℃；保温5h；继续加热升温4小时，升温到1230±10℃出炉锻造。

6.一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的锻造成型方法，其特征是：

(1)成型工艺参数控制：40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻钢件锻造时确保始锻温度在1230±10℃，终锻温度控制在800±10℃，采用一锭锻两的工艺方案，成型工序为：钢锭镦粗+钢锭拔长分料+单件局部镦粗+锻出凸台+精锻成型，严格控制每个工步的送进量和压下量，送进量300-400mm，压下量250-350mm；

(2)成型工步控制：成型时首先将钢锭在专用漏盘中镦粗至直径1400mm，高度为1000mm，然后进行整锭拔长，压790mm直径的八角，并在长度方向坯料号印成305mm、1980mm、305mm三部分，采用剁刀在1980mm中间分段，分段后回炉重新加热至1230±10℃。单件拔长至直径750mm、长1125mm加直径520mm、长710mm的台阶式坯料，最后再使用专用漏盘将直径750mm、长1125mm局部镦粗至直径1060mm，高度440mm，最后锻出凸台并精整成形。

7.一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的锻造成型方法，其特征是：

锻件锻造成型空冷到室温后，随炉升温至600-700℃，保温40-45小时，然后随炉冷却至室温。

8.一种40NiCrMo7优化材料轴齿轮锻件的调质热处理方法，其特征是：调质处理淬火升温、升温速度不大于60℃/小时，升温到600-700℃，等温4小时后继续升温至850-900℃，保温6小时，出炉在10％氯化钠水溶液中水淬处理；水淬结束以不大于60℃/小时的升温速度升到300-400℃，等温4小时后继续以不大于60℃/小时的升温速度升到500-550℃，保温10小时出炉在水中冷却5分钟，然后再进炉继续以不大于60℃/小时的升温速度升到400-500℃，保温18小时后出炉空冷。