CN106661705B - 渗碳合金钢及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种渗碳合金钢及其制备方法和应用，该合金钢的该合金钢的组分及其质量百分比为C：0.15％～0.25％，Si：≤0.30％，Mn：0.30％～1.20％，Cr：0.30％～1.50％，Ni：2.80％～3.80％，Mo：0.30％～1.00％，Al：0.01％～0.08％，以及V和Nb中的至少一种，余量为铁和不可避免的杂质；且当所述合金钢包含V时，V的质量百分比为0.05％～0.15％，当上述合金钢包含Nb时，Nb的质量百分比为0.025％～0.10％，并且所述V、Nb和Al的质量百分比含量符合V+Nb+Al≤0.30％。本发明的渗碳合金钢抗疲劳性能好、综合力学性能优异，具有高淬透性、高屈强比、极小的内氧化和抗高温晶粒长大特性，适用于制造重载齿轮。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金钢，尤其涉及一种至少适用于制造重载齿轮的渗碳合金钢，属于铁基合金领域。
背景技术
世界上可使用的渗碳钢种类比较多，但高性能的优质渗碳钢比较少。重载齿轮用渗碳钢必须具有优越的淬透性、较细的晶粒度、较小的内氧化、高疲劳性能和良好的综合力学性能。
目前，我国25吨及以上轴重的机车齿轮、大功率风力发电齿轮和大功率矿山机械齿轮通常采用牌号为20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W、17Cr2Ni2Mo等高级优质渗碳钢。这些现有的重载齿轮用渗碳钢，其成分匹配不尽合理，综合力学性能不是很理想，存在诸多不足。例如：17Cr2Ni2Mo虽然具有优良的工艺性能，但是屈服强度较低，淬透性与20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W相比较差；18Cr2Ni4W虽然具有优良的淬透性和高强度，但是工艺性能很差，且由于Ni元素的含量较高，生产成本偏高，经济性较差；20Cr2Ni4具有较好的综合性能和经济性，但是淬透性仍不令人满意，且内氧化较大。
中国专利文献CN1851024A（申请号：200510018605.4）公开了一种重载齿轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.14～0.20，Mn 1.2～1.60，Si≤0.12，P≤0.03，S 0.015～0.04，Cr 1.30～1.80，W≤0.05，Ti 0.04～0.10，O≤20ppm，余量为Fe和其他杂质。
中国专利文献CN101397631A（申请号：200710153141.7）公开了一种在低温下具有低变形阻力和高极限压缩率、从而冷锻性优良的、而且渗碳变形较小的表面渗碳钢；其是冷锻性和低渗碳变形特性优良的表面渗碳钢，其特征在于，含有：以质量%计，C：0.07～0.3%、Si：0.01～0.15%、Mn：0.1～0.7%、P：0.03%以下、S：0.002～0.10%、Al：0.01～0.08%、Cr：0.7～1.5%、Ti：0.01～0.15%、B：0.0005～0.005%、N：0.008%以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成；金属组织的65%以上是铁素体相，贝氏体相为15%以下。
上述中国专利揭示的两种渗碳钢添加了Mn、Cr、Ti等合金，但是，Mn、Cr、Ti等合金成分在增加材料强度的同时却带来了材料塑性和韧性的明显降低。尤其是Ti元素，虽然其可以细化晶粒，提高强度，但是Ti元素的添加极易造成齿轮的疲劳寿命降低。
中国专利文献CN102080188A（申请号：201010603965.1）公开了一种CrNiMo系易切削齿轮钢及其制备方法，钢的化学成分重量百分比%为：C 0.17～0.23，Si 0.15～0.37，Mn0.60～0.95，Cr 0.35～0.65，Ni 0.35～0.75，Mo 0.15～0.25，P≤0.030，S 0.010～0.040，Al 0.005～0.050，Ca/S 0.3～0.6；余为Fe和微量杂质。制备方法，包括初炼炉(电炉或转炉)冶炼、LF+VD(或RH)炉外精炼、连铸、轧制，其特征在于，采用炉外精炼及真空脱气处理使钢中氧含量不大于15×10-6；控制微量元素S的含量，改善CrNiMo系齿轮钢的切削性能，使得该合金钢适于高速切削加工、重要精密零件。该齿轮钢Ni元素和Mo元素的含量较低，其综合力学性能较差，无法满足重载齿轮的要求。
因此，为满足25吨及以上轴重的机车齿轮、大功率风力发电齿轮和大功率矿山机械齿轮等重载齿轮的性能要求，开发一种高性能的渗碳合金钢显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的之一在于，优化渗碳合金钢在淬透性、屈强比、内氧化和抗高温晶粒长大等方面的特性。
本发明的还一目的在于，提高渗碳合金钢的抗疲劳性能和综合力学性能。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案：
按照本发明的一方面，提供一种渗碳合金钢，该合金钢的组分及其质量百分比为C：0.15％～0.25％， Si：≤0.30％，Mn：0.30％～1.20％，Cr：0.30％～1.50％，Ni：2.80％～3.80％，Mo：0.30％～1.00％，Al：0.01％～0.08％，以及V和Nb中的至少一种，余量为铁和不可避免的杂质；且当所述合金钢包含V时，V的质量百分比为0.05％～0.15％，当上述合金钢包含Nb时，Nb的质量百分比为0.025％～0.10％，并且所述V、Nb和Al的质量百分比含量符合V+Nb+Al≤0.30％。
进一步，上述所述合金钢中的Al的质量百分比含量可以为0.02%～0.05%；所述V、Nb和Al的质量百分比含量符合V+Nb+Al≤0.20%。
进一步，上述合金钢中的C的质量百分比含量为0.15%～0.23%，Si的质量百分比含量为≤0.25%。
进一步，上述合金钢中的Mn的质量百分比含量为0.40%～1.00%，Cr的质量百分比含量为0.40%～1.20%。
进一步，上述合金钢中的Ni的质量百分比含量为3.00%～3.80%，Mo的质量百分比含量为0.40%～0.80%。
进一步，上述合金钢中的杂质包括P和S元素，其中P的质量百分比含量为≤0.015％，S的质量百分比含量为≤0.010％。
进一步，所述合金钢中的杂质还包括N、O和H元素，其中N的质量百分比含量≤0.02%，O的质量百分比含量≤0.002%，H的质量百分比含量≤0.0002%。
上述N的质量百分比含量优选≤0.01%。
按照本发明的又一方面，提供一种上述渗碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料，采用现有的冶炼和精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成毛坯；
C. 正火回火处理；和
D. 淬火回火处理，其中，所述淬火回火处理是将毛坯升温至800℃～860℃，保温0.8h～1.5h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，然后取出毛坯再进行回火处理。
进一步，上述正火回火处理是将毛坯升温至900℃～960℃，保温0.8h～1.5h后，风冷至室温，再将所述毛坯升温至630℃～750℃，保温0.8h～1.5h后，风冷至室温。
进一步，上述淬火回火处理中，在回火时将毛坯升温至160℃～220℃，保温2.5h～3.5h后，风冷至室温。
进一步，上述步骤A中，所述冶炼和精炼工艺采用电炉进行冶炼和采用钢包精炼炉+真空脱气炉进行精炼的工艺。
进一步，上述步骤D中，所述快速淬火油的使用温度为40℃～100℃。
按照本发明的还一方面，上述渗碳合金钢的应用是用于制造重载齿轮。
下面对本发明实施例的渗碳合金钢中所含元素在合金中所起的作用，以及其优选的含量（质量百分比范围）做详细的描述：
C：主要的固溶强化元素；为了保证具有足够的强度，C必须在0.15%以上，但C含量超过0.25%时，会使得强度超高，且韧性严重下降，因此，本发明合金钢中的C含量控制在0.15%～0.25%，进一步的优选为0.15%～0.23%。
Si：脱氧剂；为了提高抗内氧化能力，本发明合金钢中的Si含量控制在0.30%以下，为了保证脱氧效果和一定的屈服强度，进一步优选为0.25%以下。
Mn：良好的脱氧剂和脱硫剂，同时也提高钢的淬透性、改善钢的热加工性能；但是，过高的Mn含量会降低渗层韧性，因此，本发明合金钢中的Mn含量控制在0.30%～1.20%；进一步优选为0.40%～1.00%。
P：在钢液凝固过程中易形成微观偏析，随后在奥氏体化过程中偏聚到晶界，使得钢脆性显著增加；因此，本发明合金钢中的P含量控制在0.015%以下。
S：不可避免的杂质元素，其与Mn形成MnS夹杂物在晶界偏析时会降低钢的韧性；因此，本发明合金钢中的S含量控制在0.010%以下。
Cr：主要淬透性元素，提高钢的强度、硬度和耐磨性；但是，过高的Cr含量会降低钢的冷加工性能，因此，本发明合金钢中的Cr含量控制在0.30%～1.50%；进一步优选为0.40%～1.20%。
Ni：主要的固溶强化元素，随着Ni含量的增加，钢的常温强度也会增加，并且Ni的添加对合金的塑性和韧性影响不大；但是过高的Ni会降低钢的热加工性能，且成本过高，因此，本发明合金钢中的Ni含量控制在2.80%～3.80%；进一步优选为3.00%～3.80%。
Mo：主要的淬透性元素，能同时提高基体和渗层的淬透性；但是过量的Mo会造成锻造性能下降，且成本过高，因此，本发明合金钢中的Mo含量控制在0.30%～1.00%；进一步优选为0.40%～0.80%。
Al、Nb、V：Al是脱氧剂和细化晶粒元素；Al含量在0.01%以下时，细化晶粒作用不明显，但Al含量在0.08%以上时，其脱氧作用增加也不明显，且易形成较大的夹杂物，影响疲劳性能，因此，本发明合金钢中的Al含量控制在0.01%～0.08%；进一步优选为0.02%～0.05%。Nb是细化晶粒元素，Nb含量在0.025%以下时，细化晶粒作用不明显，Nb含量在0.10%以上时，细化晶粒作用达到饱和，增幅也不明显；因此，本发明合金钢中的Nb含量控制在0.025%～0.10%。V是细化晶粒元素，V含量在0.05%以下，细化晶粒作用不明显，V含量在0.15%以上时，细化晶粒作用达到饱和，增幅也不明显，因此，本发明合金钢中的V含量控制在0.05%～0.15%。同时，本发明合金钢中Al、V、Nb复合添加时，则必须符合V+Nb+Al≤0.30%，进一步优化为V+Nb+Al≤0.20%，这是由于合理控制Al、V、Nb的复合添加量可以通过细化晶粒度从而间接影响合金的韧性，当V+Nb+Al>0.30%时，细化晶粒度的效果不明显，晶粒度粗大会对合金的韧性带来不利的影响，当V+Nb+Al≤0.20%，细化晶粒度的效果较好，合金韧性最佳。
N：冶炼不可避免的气体元素，能与Al、Nb、V等结合形成化合物，从而细化晶粒；但过高会偏聚晶界而降低晶界强度，因此，本发明合金钢中的N的含量控制在≤0.02%，进一步优选为≤0.01%。
O：有害气体元素，过高时会降低疲劳性能；因此，本发明合金钢中的O的含量控制在≤20ppm。
H：有害气体元素，过高时会降低韧性；因此，本发明合金钢中的H的含量控制在≤2.0ppm。
本发明具有积极的效果：
（1）本发明的渗碳合金钢通过Mn、Cr、Ni、Mo元素及其与C的合理配比，在保证材料钢强度增加的同时，还能保证材料的塑性和韧性不受较大影响，避免了因强度增加导致材料塑性和韧性明显下降的现象。所制得的渗碳合金钢材料综合力学性能优良；明显克服了现有技术中的渗碳合金钢由于各成分匹配不尽合理而导致在强度和塑、韧性方面不能兼顾的矛盾。另外，还有效地提高了渗碳合金钢的淬透性，从而使得该钢材可适用于大模数齿轮。
（2）本发明的渗碳合金钢通过Al、V、Nb元素的添加或者复合添加，使得合金在成型过程中具有优异的抗晶粒长大性能，尤其适用于高温渗碳的零件。
（3）本发明的渗碳合金钢通过Si、Ni和Mo元素的优化配合，可以降低晶界在渗碳过程中的内氧化，并使得其在较长的渗碳时间中，其内部氧化特征比传统钢有较低的内氧化深度值，尤其适用于对内氧化有非常高要求的机械零件。
（4）本发明的渗碳合金钢通过Cr、Ni、Mo元素的合理选择及其配比，使得该钢材制造容易、加工工艺性能优良，且生产成本相对较低，有利于提高经济效益。
（5）本发明的渗碳合金钢具有极小的内氧化、高淬透性、高屈强比和抗高温晶粒长大特性，特别适用于制造对抗疲劳性能和综合力学性能有非常高要求的机械零件，如重载齿轮等。
附图说明
图1是本发明实施例1的渗碳合金钢与20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W和17Cr2Ni2Mo的渗碳合金钢的淬透性对比关系图。
图2是本发明实施例1至实施例7的渗碳合金钢的淬透性对比关系图。
图3是对比例1的17Cr2Ni2Mo的渗碳合金钢的内部氧化深度与渗碳层深度的关系图，图中给出了3个试样的情况。
图4是本发明实施例1的渗碳合金钢的内部氧化深度与渗碳层深度的关系图，图中给出了实施例1的3个试样的情况。其中，在渗碳深度约0.5毫米处，试样编号2的氧化深度的数值与试样编号3的氧化深度的数值基本重叠，均约为0.002毫米；在渗碳深度约1.25毫米处，试样编号1的氧化深度的数值与试样编号2的氧化深度的数值基本重叠，均约为0.002毫米；在渗碳深度约1.8毫米处，试样编号1的氧化深度的数值与试样编号3的氧化深度的数值基本重叠，均约为0.002毫米；在渗碳深度约2.5毫米处，试样编号2的氧化深度的数值与试样编号3的氧化深度的数值基本重叠，均约为0.002毫米；在渗碳深度约3.25毫米处，试样编号2的氧化深度的数值与试样编号3的氧化深度的数值基本重叠，均约为0.002毫米。
图5是本发明实施例1至实施例7的渗碳合金钢的内部氧化深度与渗碳层深度的关系图和数据表格。
图6是本发明实施例1的渗碳合金钢的晶粒度与加热温度的关系图。
具体实施方式
下面具体说明上述渗碳合金钢及其制备方法的实施例，这些实施例实质用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.18%，Si：0.16%，Mn：0.69%，P：0.009%，S：0.005%，Cr：1.00%，Ni：3.55%，Mo：0.62%， Al：0.04%，V：0.05%，Nb：0.03%，N：0.0092%，O：0.0019%，H：0.00015%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例1的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至950℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至750℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至860℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至220℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例2
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.15%，Si：0.20%，Mn：0.95%，P：0.008%，S：0.006%，Cr：1.20%，Ni：3.75%，Mo：0.41%， Al：0.08%，V：0.12%，N：0.0080%，O：0.0016%，H：0.00016%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例2的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至900℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至630℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至800℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至160℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例3
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.23%，Si：0.14%，Mn：0.45%，P：0.008%，S：0.004%，Cr：0.45%，Ni：3.05%，Mo：0.79%， Al：0.02%，Nb：0.09%，N：0.0078%，O：0.0012%，H：0.00013%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例3的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料，采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至920℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至700℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至840℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至200℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例4
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.20%，Si：0.05%，Mn：0.50%，P：0.007%，S：0.005%，Cr：0.85%，Ni：3.30%，Mo：0.50%，Al：0.02%，V：0.10%，Nb：0.07%，N：0.0089%，O：0.0018%，H：0.00015%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例4的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼。
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例5
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.17%，Si：0.06%，Mn：0.73%，P：0.006%，S：0.005%，Cr：1.15%，Ni：3.52%，Mo：0.65%，Al：0.02%，V：0.11%，N：0.0065%，O：0.0015%，H：0.00012%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例6
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.22%，Si：0.08%，Mn：0.50%，P：0.007%，S：0.004%，Cr：0.76%，Ni：3.19%，Mo：0.74%，Al：0.03%，Nb：0.08%，N：0.0072%，O：0.0016%，H：0.00015%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
实施例7
本实施例的渗碳合金钢的组分及其质量百分比为：C：0.21%，Si：0.25%，Mn：0.49%，P：0.008%，S：0.004%，Cr：0.53%，Ni：3.25%，Mo：0.66%，Al：0.05%，V：0.09%，Nb：0.05%，N：0.0069%，O：0.0014%，H：0.00014%，余量为铁和不可避免的杂质。
本实施例的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料,采用常规的电炉+钢包精炼炉（LF）+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975-1998取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，快速淬火油的使用温度控制在60±5℃；然后取出毛坯，再将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至室温。
对比例1
本对比例选用牌号为17Cr2Ni2Mo的渗碳合金钢，合金的化学成分如表1所示。
对比例1的渗碳合金的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金的组分和含量进行配料,采用常规的钢包精炼炉+真空吹氧脱碳炉+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至920℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；然后将毛坯升温至700℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至840℃，保温1h后，快速淬火油冷至油温；然后将毛坯升温至200℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温。
对比例2
本对比例选用牌号为20Cr2Ni4的渗碳合金钢，合金的化学成分如表1所示。
对比例2的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金的组分和含量进行配料,采用常规的钢包精炼炉+真空吹氧脱碳炉+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，快速淬火油冷至油温；然后将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温。
对比例3
本对比例选用牌号为18Cr2Ni4W的渗碳合金钢，合金的化学成分如表1所示。
比例3的渗碳合金钢的制备方法，包括以下具体步骤：
A. 根据合金的组分和含量进行配料,采用常规的钢包精炼炉+真空吹氧脱碳炉+真空脱气炉的炼钢精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成圆钢，在圆钢上按照国家标准GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取试样毛坯；
C. 对试样毛坯进行正火回火处理：先将毛坯升温至930℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；然后将毛坯升温至680℃，保温1h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温；
D. 对试样毛坯进行淬火回火处理：先将毛坯升温至820℃，保温1h后，快速淬火油冷至油温；然后将毛坯升温至180℃，保温3h后，通过鼓风机吹风的方式风冷至常温。
一、化学成分：
本发明实施例1至7以及对比例1至3的渗碳合金钢的化学成分如表1所示。
表1 化学成分表
二、力学性能：
按照GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》对本发明实施例1至7以及对比例1至3的渗碳合金钢进行力学性能测试，结果如表2所示。其中，Rm：抗拉强度；Rp0.2：规定非比例延伸率为0.2%的拉伸强度，即反映本发明的屈服强度；A：断后伸长率；Z：断面收缩率；KV2：冲击吸收能量，V型缺口，缺口深度2mm。
由表2可知，本发明的渗碳合金钢由于成分配比更为合理，实施例1-7的Rp0.2（MPa）相对对比例1-3具有明显提升，具有较高的屈服强度的同时冲击吸收能量KV2（J）并不下降甚至有所提高，因此，反映本发明实施例的合金钢屈强比高；并且，在其他力学性能方面不存在下降，例如对于抗拉强度Rm，实施例1、实施例2-7均相对对比例1-3基本相同或达到提升，仅实施例2的合金钢的碳含量较高而略低，因此，保持较好的韧性。
表2 力学性能表
三、淬透性：
按照GB/T225-2006《钢的淬透性末端淬火试验方法》对本发明实施例1至实施例7以及对比例1至3的渗碳合金钢的淬透性进行测定。
如图1所示，本发明的渗碳合金钢与对比例1至3的渗碳合金钢相比淬透性更加优越，且ΔHRC（J1.5-J50）≤3。
结合图1和图2所示，所有实施例1-7的渗碳合金钢在距端淬距离为0-50mm的范围内，其硬度均大于41，随着距端淬距离增大，硬度下降较慢。因此，反映本发明实施例的渗碳合金钢具有良好的淬透性。
四、内氧化性：
按照GB/T25744-2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》对本发明的实施例1至实施例7和对比例1的渗碳合金钢的内部氧化深度与渗碳层深度进行测定。实施例1和对比例1在每个相同的渗碳条件下，取了三个试样测量内氧化深度。
如图3和图4所示，在相同的渗碳层深度下，本发明实施例1中的内氧化深度都远小于17Cr2Ni2Mo的内氧化层深度，且其内氧化层深度的波动也较小。
如图5所示，其中给出了实施例1至实施例7的渗碳合金钢在0.5mm、1.2mm、1.8mm、2.5mm、3.2mm的渗碳深度下的相应氧深度。所有实施例1至实施例7均具有较小的内氧化层深度。
由此可见，本发明的渗碳合金钢与对比例1的渗碳合金钢相比在内氧化方面取得了很大的进步。
五、晶粒度：
按照GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定法》对本发明实施例1至实施例7的晶粒度级别和晶粒平均直径进行测定。
如图6所示，本发明的实施例1的渗碳合金钢在930℃保温8h后晶粒度为9级（大于5级），说明其是本质细晶钢，且其在1020℃～1050℃的温度区间内晶粒度都在6级以上，这说明本发明的渗碳合金钢可进行高温渗碳且不恶化材料的性能，例如在本实施例1的860℃的淬火条件（奥氏体化温度）下，其晶粒平均直径小于14微米。 因此，具有良好的抗高温晶粒长大特性。
以下表三进一步给出了实施例1至实施例7的渗碳合金钢的晶粒尺寸。
表三 晶粒尺寸
可以发现，实施例1至实施例7的渗碳合金钢都具有优异的抗晶粒长大性能。
本发明的渗碳合金钢及其制备方法不局限于上述各实施例。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，如本发明的渗碳合金钢的冶炼精炼工艺也可以采用中国专利文献CN102080188A（申请号：201010603965.1）所公开的方法。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (14)
1.一种渗碳合金钢，其特征在于，该合金钢的组分及其质量百分比为C：0.15％～0.25％， Si：≤0.30％，Mn：0.30％～1.20％，Cr：0.30％～1.50％，Ni：3.05％～ 3.80％，Mo：0.30％～1.00％，Al：0.01％～0.08％，以及V和Nb中的至少一种，余量为铁和不可避免的杂质；且当所述合金钢包含V时，V的质量百分比为0.05％～0.15％，当上述合金钢包含Nb时，Nb的质量百分比为0.025％～0.10％，并且所述V、Nb和Al的质量百分比含量符合V+Nb+Al≤0.30％。
2.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中的Al的质量百分比含量为0.02％～0.05％；所述V、Nb和Al的质量百分比含量符合V+Nb+Al≤0.20％。
3.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中的C的质量百分比含量为0.15％～0.23％，Si的质量百分比含量为≤0.25％。
4.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中的Mn的质量百分比含量为0.40％～1.00％，Cr的质量百分比含量为0.40％～1.20％。
5.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中Mo的质量百分比含量为0.40％～0.80％。
6.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中的杂质包括P和S元素，其中P的质量百分比含量为≤0.015％，S的质量百分比含量为≤0.010％。
7.根据权利要求6所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述合金钢中的杂质还包括N、O和H元素，其中N的质量百分比含量为≤0.02％，O的质量百分比含量为≤0.002％，H的质量百分比含量为≤0.0002％。
8.根据权利要求7所述的渗碳合金钢，其特征在于，所述N的质量百分比含量为≤0.01％。
9.一种上述权利要求1到8中任一项所述的渗碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
A. 根据合金钢的组分和含量进行配料，采用冶炼和精炼工艺进行合金熔炼；
B. 浇注钢锭，将钢锭轧制成毛坯；
C. 正火回火处理；和
D. 淬火回火处理，其中，所述淬火回火处理是先将毛坯升温至800℃～860℃，保温0.8h～1.5h 后，放入快速淬火油中冷却至快速淬火油的使用温度，然后取出毛坯再进行回火处理。
10.根据权利要求9所述的渗碳合金钢的制备方法，其特征在于，所述正火回火处理是将毛坯升温至900℃～960℃，保温0.8h～1.5h后，风冷至室温，再将所述毛坯升温至630℃～750 ℃，保温0.8h～1.5h后，风冷至室温。
11.根据权利要求10所述的渗碳合金钢的制备方法，其特征在于，所述淬火回火处理中，在回火时将毛坯升温至160℃～220℃，保温2.5h～3.5h后，风冷至室温。
12.根据权利要求9所述的渗碳合金钢的制备方法，其特征在于，所述快速淬火油的使用温度为40℃～100℃。
13.根据权利要求9所述的渗碳合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述冶炼和精炼工艺采用电炉进行冶炼和采用钢包精炼炉+真空脱气炉进行精炼的工艺。
14.一种上述权利要求1到8中任一项所述的渗碳合金钢的应用，其特征在于，用于制造重载齿轮。
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