CN106011648B - 一种齿轮钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮钢及其生产方法，含有的化学成分及其重量百分比为：碳0.25～0.32％、硅0.25～0.30％、锰1.20～1.40％、磷≤0.030％、硫0.025～0.045％、铬1.05～1.25％、钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％、氧≤0.0015％及余量为铁。通过控制钢坯加热、钢坯轧制、冷却的工艺参数，从而细化了齿轮钢晶粒，同时不影响齿轮钢的疲劳性能。
Description
技术领域
本发明属于冶金制造技术领域，具体涉及一种齿轮钢及其生产方法。
背景技术
齿轮钢是重要的机械零部件，尤其应用在汽车上的齿轮钢，汽车上的齿轮在工作时，齿根受弯曲应力作用易产生疲劳断裂，受接触应力作用，易导致表面金属剥落，因此要求钢质必须具有良好的性能。影响齿轮钢性能的主要有淬透性、洁净度和晶粒度等指标。目前，通过精确控制化学成分的含量和化学成分的均匀性，提高淬透性，使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能，减少变形和开裂；通过降低齿轮钢中的氧含量，提高齿轮钢的洁净度，能大幅提高齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；通过向钢中添加Al或Ti元素，从而在钢中形成AlN或TiN微粒，并且通过加热和冷却工艺，这些AlN或TiN微粒在奥氏体晶界起钉扎作用阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，细化晶粒有助于提高齿轮的强度、韧性。
中国发明专利(授权公告号CN 102703834 B，授权公告日2014.03.12)公开了一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺，加入Al元素，通过冶炼、连铸和轧制工序生产出细小晶粒的齿轮钢，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力，其晶粒度达到8级。中国发明专利(授权公告号CN 102517521 B，授权公告日2013.09.25)公开了一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法，该发明通过合理的成分设计和生产工艺，加入Al元素，采用电炉-LF精炼-VD真空处理-连铸-轧制工艺生产出圆钢，其晶粒度达到7级。中国发明专利(申请公布号CN102605260A申请公布日2012.07.25)公开了一种低变形齿轮钢及其制造方法，加入Al元素，通过控制冶炼，钢坯加热和轧制手段改善齿轮钢棒材的晶粒度和带状组织，使齿轮钢的热处理变性稳定，变形量减小。控制了第二相粒子AlN的析出时机和析出数量，细化了晶粒，其晶粒度达到7.5级以上。授权公告号CN 102703834 B、授权公告号CN 102517521 B和申请公布号CN102605260A的三个发明通过加入Al元素来细化晶粒度，但Al元素易与钢中的氧元素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢疲劳性能。
中国发明专利(授权公告号CN 102400052 B授权公告日2013.05.15)公开了一种窄淬透性齿轮钢，添加中Ti元素固氮和细化晶粒，并且通过1)顶底复合吹炼转炉初炼；2)钢包脱氧合金化；3)LF精炼；4)RH精炼；5)连铸的生产方法得到的齿轮钢具备较高的淬透性和较窄的末端淬透性的特点，但是Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中长期存在易成为疲劳应力源，不利于齿轮钢的疲劳性能提高。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足，提供一种不影响齿轮钢的疲劳性能的前提下细化晶粒的齿轮钢及其生产方法。
本发明采用的技术方案是：
一种齿轮钢，含有的化学成分及其重量百分比为：碳0.25～0.32％、硅0.25～0.30％、锰1.20～1.40％、磷≤0.030％、硫0.025～0.045％、铬1.05～1.25％、钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％、氧≤0.0015％及余量为铁及不可避免的杂质。
以下简述本发明中选定化学成分范围的理由：
C(碳)：含量控制在0.25～0.32％范围内。碳是保证齿轮钢强度和硬度的主要成分，齿轮钢调质后，碳的强化效果是铬的9倍，锰的18倍，但过高的碳含量易导致齿轮钢韧性不够，影响其疲劳性能，因此，钢中的碳含量控制在0.25～0.32％。
Mn(锰)：含量控制在1.20～1.40％范围内。锰在齿轮钢中既能增强奥氏体的稳定性，还能提高淬透性；同时，齿轮钢中的锰还与硫结合形成细小的硫化锰微粒，可以成为铁素体形核的核心，有利于细化晶粒；一般齿轮钢中锰成分控制在1.0％以下，为了进一步细化晶粒，适当提高锰的含量，因此，钢中的锰含量控制在1.20～1.40％。
Cr(铬)：含量控制在1.05～1.25％。铬在齿轮钢中主要是提高其淬透性、强度和耐磨性；同时，铬能够降低齿轮钢中的碳活度，防止热处理过程中的脱碳，稳定齿轮的质量，但是铬为容易产生带状偏聚的元素，过高的铬含量会明显降低淬火及回火钢材的韧性。因此，钢中的铬含量控制为1.05～1.25％。
钒(V)、氮(N)：含量控制为钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％。齿轮钢中添加适量的钒、氮元素，主要是加强沉淀强化效果和细化晶粒作用。一般齿轮钢中通过加入铝(Al)元素与氮(N)元素或者加入钛(Ti)元素与氮(N)元素来细化晶粒，但是Al元素易与钢中的氧元素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢疲劳性能；Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中长期存在易成为疲劳应力源，不利于齿轮钢的疲劳性能提高。因此发明采用加入钒元素与氮元素来细化晶粒，钒和氮有很强的亲和力，可以在钢中形成极稳定细小的析出相，产生弥散强化效果，提高钢的强度，同时，还可以抑制奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体晶粒，但是钒含量过高，过量的钒夹杂难以去除，影响钢的洁净度，过量的氮会造成气体含量高，易产生皮下气泡，影响钢的质量，因此，钢中的合适的钒和氮含量分别控制为钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％。
硫(S)：含量控制在0.025～0.045％，添加硫元素，使钢中形成硫化物，硫化物可以包裹钢中不易变形的氧化物，从而使钢的切削加工性能增加；同时，硫与锰形成硫化锰(MnS)，铁素体以MnS为核心析出，增加MnS，进而增加了铁素体的块数，从而细化了组织，但是硫含量过高会导致硫化物过剩形成夹杂物，显著降低钢的塑性和韧性，因此，钢中的硫含量控制为0.025～0.045％。
齿轮钢的生产方法包括以下步骤：
1)钢坯加热
经冶炼浇铸成连铸坯的齿轮钢坯，进入三段式加热炉内加热(包括预热段、加热段和均热段)，三段的温度分别是：预热段温度700～745℃；加热段温度为1170～1220℃；均热段温度为1150～1200℃；加热时间为150～180min；坯料阴阳面温差≤40℃；齿轮钢连铸坯加热到1150℃及以上，且保温150～180min后，其钢坯中的氮化钒能够充分固溶到奥氏体中，本发明的均热温度相比于现有技术有所降低，因为氮化钒比氮化铝更容易固溶到奥氏体中，在1150℃及以上的温度且保温150～180min后，氮化钒就已近能够充分固溶到奥氏体中，温度过高，保温时间过长会导致晶粒粗大。
2)钢坯轧制
加热后的钢坯经高压水除磷后依次进行粗轧、中轧、精轧得到钢材；粗轧开轧温度为1050～1115℃，精轧开轧温度为900～915℃；
3)冷却
精轧后的钢材进行冷却，冷却速度为50～80℃/min，冷却至500～600℃后进行缓冷工序，直至钢材冷却至室温得到齿轮钢。
所述步骤3)中冷却采用风冷冷却；所述缓冷工序是将钢材吊入缓冷坑中进行缓慢冷却。
通过上述的轧制工艺，固溶在奥氏体中的氮化钒最先以析出相的形式在奥氏体晶界或晶内析出，析出相大小为：30～100nm，随着温度的降低，在发生奥氏体向铁素体或珠光体转变前，钢中的氮化钒已全部以析出相的形式完全析出，细化了铁素体或珠光体晶粒；同时钢中细小的MnS也成为铁素体形成的核心，从而进一步细化铁素体或珠光体晶粒。其中，精轧开轧温度相比于现有技术的精轧开轧温度有所降低，原因是较低的精轧开轧温度有助于氮化钒以析出相的形式完全析出，但是精轧开轧温度过低会造成氮化钒分布不均匀，导致组织的各向异性，因此精轧开轧温度为900～915℃。
通过上述的风冷冷却，将钢的温度以50～80℃/min的冷却速度快速冷却阻止奥氏体晶粒的长大，因为快速冷却后完全析出的氮化钒不会固溶到奥氏体中去，它们在奥氏体中会以析出相的形式钉扎在奥氏体晶界或晶粒内，阻止奥氏体晶粒的长大，从而解决了奥氏体热处理晶粒长大的问题。快速冷却后采用缓冷坑中进行缓慢冷却，消除钢中的白点和避免再冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹。
本发明取得的有益效果是：
细化齿轮钢中的晶粒，传统的技术是添加Al元素或Ti元素，Al元素与钢中的氧元素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢疲劳性能；Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中长期存在易成为疲劳应力源，不利于齿轮钢的疲劳性能。本发明通过合理的成分设计，通过添加钒来代替Al或Ti，并且控制钢坯加热，轧制以及冷却的工艺参数，从而细化了晶粒，同时不影响齿轮钢的疲劳性能。本发明的齿轮钢的成分简单，生产出来的齿轮钢晶粒在8级以上，冲击吸收功在110J以上，抗拉强度在950MPa以上，具有良好的性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，便于更清楚地了解本发明，但不对本发明构成限定。
按照本发明化学成分，重量百分比及生产方法要求，制备五个实施例，五个实施例的化学成分重量百分比见表1；五个实施例生产过程工艺参数见表2，以及五个实施例得到的齿轮钢的性能参数见表3。
表1实施例化学成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | Cr | V | P | S | N | O |
| 1 | 0.25 | 0.30 | 1.40 | 1.20 | 0.10 | 0.010 | 0.045 | 0.0120 | 0.0012 |
| 2 | 0.32 | 0.25 | 1.20 | 1.10 | 0.05 | 0.009 | 0.030 | 0.0090 | 0.0008 |
| 3 | 0.30 | 0.27 | 1.30 | 1.15 | 0.08 | 0.010 | 0.035 | 0.0100 | 0.0010 |
| 4 | 0.28 | 0.25 | 1.25 | 1.05 | 0.06 | 0.009 | 0.025 | 0.0095 | 0.0009 |
| 5 | 0.29 | 0.28 | 1.25 | 1.12 | 0.07 | 0.012 | 0.040 | 0.0110 | 0.0006 |
表2实施例轧制工艺参数
表3性能参数
Claims (1)
1.一种齿轮钢的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)钢坯加热
钢坯在三段式加热炉内加热，三段的温度分别是：预热段温度700～745℃；加热段温度为1170～1220℃；均热段温度为1150～1200℃；加热时间为150～180min；钢坯阴阳面温差≤40℃；
2)钢坯轧制
加热后的钢坯经高压水除磷后依次进行粗轧、中轧、精轧得到钢材；粗轧开轧温度为1050～1115℃，精轧开轧温度为900～915℃；
3)冷却
精轧后的钢材进行冷却，冷却速度为50～80℃/min，冷却至500～600℃后进行缓冷工序，直至钢材冷却至室温得到齿轮钢；
所述步骤3)中冷却采用风冷冷却；所述缓冷工序是将钢材吊入缓冷坑中进行缓慢冷却；
所述齿轮钢含有的化学成分及其重量百分比为：碳0.25～0.32％、硅0.25～0.30％、锰1.20～1.40％、磷≤0.030％、硫0.025～0.045％、铬1.05～1.25％、钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％、氧≤0.0015％及余量为铁及不可避免的杂质。
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