CN104928588A

CN104928588A - 一种高温渗碳钢及熔炼方法

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Publication number: CN104928588A
Application number: CN201510244754.6A
Authority: CN
Inventors: 许岚; 计亚平; 何力沙; 郭昭桥; 冯泽舟; 于浩; 李朋欢
Original assignee: China Academy Of Machinery Science & Technology Zhejiang Branch Co Ltd
Current assignee: China Academy Of Machinery Science & Technology Zhejiang Branch Co Ltd
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明涉及一种高温渗碳钢，化学成分质量百分比如下：0.19-0.25%C、0.17-0.27%Si、0.4-1%Mn、0.65-1.25%Cr、0.03-0.25%Ti、0.01-0.21%Al、0.085-0.23%Nb、0.15-0.35%Ni、0.1-0.35%Mo，余量为Fe及不可避免杂质，在保护气氛下，将原材料及Nb、Ni、Ti、Al原料在陶瓷坩埚中熔化锻造，用石英棒搅拌，冷却时先水冷至100-150℃，然后空冷至室温，然后锻成高温渗碳钢粗成品。本发明细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，在增加钢的淬透性、提高刚才综合力学性能的同时，改善了钢的韧性。

Description

一种高温渗碳钢及熔炼方法

技术领域

本发明涉及一种渗碳钢，尤其涉及一种细化晶粒热处理质量好的高温渗碳钢及熔炼方法。

背景技术

近年来，随着汽车轻量化及环保和节省燃油等汽车工业发展的需求，提高齿轮的设计应力即要求钢高强度化已经作为国内化汽车齿轮钢发展的主要方向。

齿轮钢是汽车材料中用量较大，要求较高的关键材料之一，不仅影响车辆寿命，能耗等技术经济指标，而且对于满足安全、环保及舒适要求也至关重要。从80年代开始，我国有计划地引进工业发达国家的各类先进车型。同时，我国各大汽车生产长同国外著名汽车大公司进行合作，引进国外先进汽车生产技术，其中包括汽车齿轮的生产技术。对于大功率变速箱齿轮，要求能承受大的应力，因而确保齿轮在大应力下疲劳寿命就成为最关键的问题。主要考虑如下三种疲劳强度：弯曲疲劳强度、冲击疲劳强度和耐蚀疲劳强度。为提高三种疲劳强度则必须考虑化学成分的控制，特别是合金元素的控制、纯净度、晶粒度、组织特性、淬透性和力学性能。

钢的渗碳速度取决于渗碳温度和碳势，渗碳层深度是温度和时间的函数,温度对渗入元素的扩散影响最大,大致成指数关系.试验证明,1050℃高温渗碳比在930℃常规渗碳工艺时间缩短50%以上，可显著降低热处理工艺成本和能源消耗。所以，高温快速渗碳是当前渗碳技术发展的主流。但是热处理的工件长期保持高温会导致钢晶粒的过分长大和材料的变形，致使材料性能恶化和工件尺寸超标。

中国专利公开号CN101306435A，公开日2008年11月19日，名称为一种齿轮钢的生产方法，该申请案公开了钢的组分（质量百分比）为：碳0.1-0.35%、硅0.15-0.45%、锰0.6-1.5%、磷≤0.03%、硫≤0.045%、铬0.8-1.5%、钛0.03-0.12%、铝0.01-0.1%、镍0-0.3%、钼0-0.2%、铜0-0.2%、氮0.004-0.015，铁余量，该方法的工艺流程包括，转炉初炼，钢包精炼炉精炼或者真空脱气炉精炼，连铸，连轧。其不足之处在于，热处理的工件长期保持高温会导致钢晶粒的过分长大和材料的变形，致使材料性能恶化和工件尺寸超标。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有热处理的齿轮钢长期保持高温会导致钢晶粒的过分长大和材料的变形，致使材料性能恶化和工件尺寸超标的缺陷而提供一种细化晶粒热处理质量好的高温渗碳钢。

本发明另一个目的是为了提供该高温渗碳钢熔炼方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温渗碳钢，化学成分质量百分比如下：0.19-0.25%C、0.17-0.27%Si、0.4-1%Mn、0.65-1.25%Cr、0.03-0.25%Ti、0.01-0.21%Al、0.085-0.23%Nb、0.15-0.35%Ni、0.1-0.35%Mo，余量为Fe及不可避免杂质。在本技术方案中，本发明加入Nb改善了钢材的淬透性和强度，其原因是由于Nb加入后细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，提高了钢材的综合力学性能，Nb在钢水中的收得率将近100%，合金化准确，反应在性能数据上分散度小；另外，Nb的碳氮化物在轧钢时可以钉扎晶界，阻止晶粒长大，而固溶Nb在晶界富集浓度高达1%以上（原子比），晶内较低，所以它具有双重强烈拖拽晶界移动的能力，将Nb的含量控制在0.085-0.23%是为了使其在热变形中以析出物形态及固溶态存在的比例（2：3）达到最佳，同时可以节约成本。

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，添加Al细化晶粒，可以Al与Nb同时对钢材的奥氏体晶粒进行细化，从而达到最优效果，故Al含量为0.01-0.21%。

作为优选，化学成分质量百分比如下：0.21-0.23%C、0.2-0.27%Si、0.568-0.97%Mn、0.88-1.14%Cr、0.047-0.16%Ti、0.02-0.171%Al、0.1-0.2%Nb、0.154-0.175%Ni、0.18-0.25%Mo，余量为Fe及不可避免杂质。

一种高温渗碳钢的熔炼方法，所述熔炼方法为在保护气氛下，将原材料及Nb、Ni、Ti、Al原料在陶瓷坩埚中熔化锻造，用石英棒搅拌，冷却时先水冷至100-150℃，然后空冷至室温，然后锻成高温渗碳钢粗成品。

作为优选，起锻温度为1050-1150℃，终锻温度885-920℃。

作为优选，将高温渗碳钢粗成品在液氮中浸渍3-5小时，然后将高温渗碳钢粗成品升温至室温，在1050℃下保温2-4小时，迅速降温至870℃保温45-50min后油淬，再于200℃回火2小时，冷却至室温，得到高温渗碳钢。

作为优选，保护气氛为氮气或氩气氛围。

本发明的有益效果是：

1）本发明Ni、Mo的加入改善材料的热处理性能，保证了材料的各项力学性能，同时增加了材料的淬透性能，满足大模数齿轮的性能要求；

2）本发明Nb、Al的加入细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，在增加钢的淬透性、提高刚才综合力学性能的同时，改善了钢的韧性；

3）本发明Nb、Ni、Ti、Al的加入，细化了晶粒，稳定了钢的淬透性范围，改变了一贯从炼钢角度即改善钢的纯净度来增加性能稳定的观念，在增加钢的淬透性、提高刚才综合力学性能的同时，改善了钢的韧性，降低了产品硬度的波动范围，最终使得齿轮钢热处理后变形量较小，配对率提高，同时本发明合理的配料结构，降低了原材物料的成本，增加了钢材的效益。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的解释：

本发明的熔炼方法为在保护气氛下，将原材料及Nb、Ni、Ti、Al原料在陶瓷坩埚中熔化锻造，用石英棒搅拌，冷却时先水冷至100-150℃，然后空冷至室温，然后锻成高温渗碳钢粗成品，起锻温度为1050-1150℃，终锻温度885-920℃。将高温渗碳钢粗成品在液氮中浸渍3-5小时，然后将高温渗碳钢粗成品升温至室温，在1050℃下保温2-4小时，迅速降温至870℃保温45-50min后油淬，再于200℃回火2小时，冷却至室温，得到高温渗碳钢。保护气氛为氮气或氩气氛围。

本发明实施例1-3采用20CrMnTi作为原材料，实施例4-6采用20CrMo作为原材料。

对比例1-6制备方法与实施例1-6相同，唯一不同是配方不同。

实施例1-6与对比例1-6的配方见表1。

表1

	C/wt%	Si/wt%	Mn/wt%	Cr/wt%	Ti/wt%	Al/wt%	Nb/wt%	Ni/wt%	Mo/wt%	Fe
											实施例1	0.19	0.2	0.4	0.65	0.03	0.01	0.085	0.15	0.1	余量
实施例2	0.17	0.17	0.8	0.88	0.047	0.02	0.0915	0.154	0.18	余量
											实施例3	0.23	0.27	0.568	1.14	0.16	0.21	0.23	0.35	0.35	余量
实施例4	0.2	0.2	0.91	1.25	0.25	0.171	0.1	0.175	0.19	余量
											实施例5	0.18	0.26	1	1.065	0.098	0.165	0.2	0.163	0.26	余量
实施例6	0.25	0.255	0.788	0.997	0.12	0.096	0.15	0.17	0.25	余量
											对比例1	0.19	0.2	0.4	0.65	0.03			0.15	0.1	余量
对比例2	0.17	0.17	0.8	0.88	0.047	0.02			0.18	余量
											对比例3	0.23	0.27	0.568	1.14	0.16	0.21		0.35		余量
对比例4	0.2	0.2	0.91	1.25	0.25	0.171				余量
											对比例5	0.18	0.26	1	1.065	0.098			0.163		余量
对比例6	0.25	0.255	0.788	0.997	0.12				0.25	余量

用比较法测定晶粒度，用YB27-77中第一标准级别图评定其晶粒级别，测量其硬度（按GB/T 5216-2004），结果见表2。

表2

	晶粒度等级	硬度/HRC
			实施例1	9.5	48.7
实施例2	10	49.2
			实施例3	9.8	49.5
实施例4	9	48.6
			实施例5	9	49.1
实施例6	10	48.9
			对比例1	7.5	45.8
对比例2	6.5	46.1
			对比例3	7	46.3
对比例4	6	45.9
			对比例5	6	45.8
对比例6	6.5	45.7

从表2中可以看出，实施例1-6的制备的钢材的晶粒度等级明显优于对比例1-6的制备的钢材的晶粒度，Nb、Ni、Ti、Al的加入，细化了晶粒，稳定了钢的淬透性范围，改变了一贯从炼钢角度即改善钢的纯净度来增加性能稳定的观念，在增加钢的淬透性、提高刚才综合力学性能的同时，改善了钢的韧性，降低了产品硬度的波动范围，最终使得齿轮钢热处理后变形量较小，配对率提高，同时本发明合理的配料结构，降低了原材物料的成本，增加了钢材的效益。

Claims

1.一种高温渗碳钢，其特征在于，化学成分质量百分比如下：0.19-0.25%C、0.17-0.27%Si、0.4-1%Mn、0.65-1.25%Cr、0.03-0.25%Ti、0.01-0.21%Al、0.085-0.23%Nb、0.15-0.35%Ni、0.1-0.35%Mo，余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高温渗碳钢，其特征在于，化学成分质量百分比如下：0.21-0.23%C、0.2-0.27%Si、0.568-0.97%Mn、0.88-1.14%Cr、0.047-0.16%Ti、0.02-0.171%Al、0.1-0.2%Nb、0.154-0.175%Ni、0.18-0.25%Mo，余量为Fe及不可避免杂质。

3.一种如权利要求1所述的高温渗碳钢的熔炼方法，其特征在于，所述熔炼方法为在保护气氛下，将原材料及Nb、Ni、Ti、Al原料在陶瓷坩埚中熔化锻造，用石英棒搅拌，冷却时先水冷至100-150℃，然后空冷至室温，然后锻成高温渗碳钢粗成品。

4.根据权利要求3所述的一种高温渗碳钢的熔炼方法，其特征在于，起锻温度为1050-1150℃，终锻温度885-920℃。

5.根据权利要求3所述的一种高温渗碳钢的熔炼方法，其特征在于，将高温渗碳钢粗成品在液氮中浸渍3-5小时，然后将高温渗碳钢粗成品升温至室温，在1050℃下保温2-4小时，迅速降温至870℃保温45-50min后油淬，再于200℃回火2小时，冷却至室温，得到高温渗碳钢。

6.根据权利要求3或4或5所述的一种高温渗碳钢的熔炼方法，其特征在于，保护气氛为氮气或氩气氛围。