CN106834960B - 一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺 - Google Patents

一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺，该齿轮钢按重量百分比为：C 0.15～0.20％、Si 0.15～0.40％、Mn 1.00～1.30％、Cr 1.00～1.30％、B 0.0005～0.0030％、P 0～0.030％、S 0～0.035％、Cu 0～0.30％、Ni 0.12～0.18％、Al 0.020～0.045％、Ti 0.015～0.035％，余量是Fe和不可避免的杂质，生产工艺包括冶炼、连铸和轧制等工序。本发明通过添加Al、Ti、Ni元素，并采用“固氮保硼”工艺，改进连铸工艺等其它工艺优化措施，使得材料的纯净度、淬透性、晶粒度、组织均匀性、冲击韧性等综合性能得到大幅度提高。

Description

一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺。
背景技术
含硼齿轮钢18CrMnBH主要用于制作沃尔沃、奔驰、凯斯鲍尔等车型的变速箱齿轮。该钢种对淬透性、冲击韧性、非金属夹杂物等项目要求严格，是现有齿轮钢钢种中质量要求最高、检验项目最多、生产难度最大的钢种之一。目前只有少数几个特钢厂采用模铸进行生产，且数量较少，质量不稳定。
硼作为提高淬透性最有效的微量元素加入钢中已有50多年的历史，而硼钢的发展却是缓慢而曲折的。在钢中加入硼的目的主要是提高淬透性，关于硼钢提高淬透性的作用机理和硼钢的应用技术，至今仍在探讨发展中，但是有关基本规律却是一致的，即：a对淬透性起作用的是钢中的固溶硼，硼的作用是推迟先共析铁素体、珠光体和贝氏体转变；b微量固溶硼即可大幅提高钢的淬透性；c存在一个效果最好的最佳含硼量；d碳、氧和氮等元素对硼的淬透性效应具有重要作用。硼在钢中有两种存在状态：固溶态和结合态。只有当硼溶解在奥氏体时才能起到增加淬透性的作用。硼属于高熔点元素，在炼钢温度下仍保持较高的化学活性，容易与氧、氮等元素化合。稍有疏忽就可能将硼加入脱氧不良或富氮的钢中，生成硼的氧化物和氮化物，使相当一部分硼含量处于结合态，从而失去硼增加淬透性的作用。
传统工艺认为，提前加Al、Ti、B元素可以使得产生的杂质有够长时间的上浮而被去除，从而净化钢的纯净度。由于传统工艺无法有效控制18CrMnBH中的有效硼含量，导致淬透性不稳定，此外冲击韧性、非金属夹杂物等综合性能指标也很难达到汽车厂的使用要求，因此如何确保该钢种有效硼含量从而提高淬透性，并提高材料纯净度、晶粒度、组织均匀性、冲击韧性等性能指标已经成为行业的一大难点。
发明内容
本发明的目的：针对含硼齿轮钢(18CrMnBH)现有技术上存在的缺点，本发明提出一种含硼高级齿轮钢(18CrMnBHZ)及其生产工艺，与18CrMnBH相比有相似的C含量、Si含量、Mn含量和Cr含量，但加入Al、Ti元素后，充分细化晶粒，提高材料晶粒度，固氮保硼，提高材料淬透性，加入微量Ni元素，提高材料冲击韧性，且通过改进工艺提高钢水纯净度和材料的组织均匀性，最终提高了材料的综合使用性能。
本发明的技术方案：
提供一种汽车用含硼高级齿轮钢，该齿轮钢按重量百分比的化学元素成分为：
C 0.15～0.20％、Si 0.15～0.40％、Mn 1.00～1.30％、Cr 1.00～1.30％、B0.0005～0.0030％、P 0～0.030％、S 0～0.035％、Cu 0～0.30％、Ni 0.12～0.18％、Al0.020～0.045％、Ti 0.015～0.035％，余量是Fe和不可避免的杂质。
提供一种汽车用含硼高级齿轮钢的生产工艺，包括转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼、软吹、连铸和轧制，具体过程如下：
(1)转炉冶炼，转炉冶炼钢铁料采用铁水、干燥洁净的生铁和废钢，严格控制转炉加入量和出钢量，铁水加入量为121～123吨/炉，生铁加入量为8～9吨/炉，废钢加入量为4吨/炉，返矿加入量为2吨/炉，出钢量为119～122吨/炉；采用顶底复合吹炼转炉，冶炼过程全程底吹氩气；转炉终点碳含量控制在0.06～0.16％，并采用滑板挡渣加留钢操作出钢；转炉出钢时按先后顺序加入电石、铝铁、硅钙钡合金、低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁、700千克/炉的预熔渣和500千克/炉的石灰；
(2)LF精炼，控制LF精炼时间40～60min，钢水进入LF工序后便立即往钢包中加入经过连铸红热坯烘烤过的镍板；LF前期使用Al粒、硅铁粉和碳化硅进行钢水的渣面扩散脱氧，并控制LF精炼终渣碱度2.5～3.5；
(3)RH真空精炼，正常抽真空炉次，进行真空处理，真空处理条件为确保负压≤66.7Pa、保压时间≥15min、环流时间＞30min；真空处理结束后先喂入Al线，控制成品Al含量，再喂入钛铁线，控制成品Ti含量，然后再喂入200m/炉硅钙线对钢水进行钙处理，最后间隔5min再加入硼铁；
(4)软吹，RH处理结束后，控制软吹氩时间为30～50min，氩气流量为10～14Nl/min；
(5)连铸，采用220*260断面生产，连铸二冷采用气雾弱冷模式，从而减少铸坯表面缺陷，并扩大中心等轴晶面积，结晶器采用四孔水口浇注，可以防止因直孔水口浇注造成的心部过热，从而防止偏析产生。中间包采用低碳覆盖剂加碳化稻壳双层保护，既防止钢水增C，又起到吸附夹杂及钢水保温作用；
(6)轧制，轧制前对铸坯进行抛丸检查，然后再对铸坯表面进行磁粉探伤检查，对超出标准要求的表面缺陷进行修磨处理；轧材采用进坑缓冷工艺，要求坑冷至100℃以下出坑，得到细晶组织，防止混晶现象出现，制得汽车用含硼高级齿轮钢。
其中，步骤(1)所述的铝铁和硅钙钡合金用来脱氧。
作为优选，步骤(3)所述的硼铁加入量为0.15千克/吨钢。
作为优选，步骤(3)所述的成品Al含量为0.030％，成品Ti含量为0.020％。
作为优选，步骤(5)所述的连铸工艺为：连铸拉速为0.8m/min，过热度为20～30℃，比水量为0.30L/kg。
本发明的技术效果：考虑到汽车用高级齿轮钢对纯净度、淬透性、晶粒度、组织均匀性、冲击韧性等性能的高要求，本发明做了如下努力：
①真空处理使得钢水中O、N等元素含量较低，然后加入Al、Ti、B，再辅助软吹氩去除杂质工艺，克服了本行业一定要在真空处理前加入Al、Ti、B的技术偏见，减少了TiN、Al2O3等有害杂质形成的几率，提高了钢水的纯净度；同时在转炉出钢过程中用铝铁及硅钙钡脱氧，也提高了钢水的纯净度；
②在RH真空精炼工艺中先进行真空处理，然后再依次加入Al、Ti、B元素，以此来代替传统LF精炼过程(传统的精炼过程是：先添加Al、Ti、B，而此时钢中还含有比较高的氧含量；然后再进行真空处理，其中Al、Ti、B的加入没有先后顺序的区别)，先添加Al排除少量的O元素，防止Ti生成TiO2而丢失，发挥Ti生成TiN而固定N的作用，防止硼生成氧化硼和氮化硼，保持有效硼的含量，起到“固氮保硼”的作用，提高了材料的淬透性，解决了长期以来淬透性得不到解决的问题；
③通过添加Al与Ti元素，细化了材料晶粒度，提高了组织均匀性；采用特殊的连铸工艺，低倍组织得到了明显提高，也提高了组织均匀性；
④通过添加Ni元素提高了材料的冲击韧性。
通过上述努力，最终大幅度地提升齿轮钢的综合性能。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的汽车用含硼高级齿轮钢采用“转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空精炼→软吹氩→连铸机浇注→轧制”的工艺路线来进行生产：
转炉冶炼
1、公称容积为120t的转炉装入量为134.2t，其中铁水121.5t,废钢4.1t，生铁8.6吨。转炉终点碳含量0.11％，出钢量为121.3t。
2、转炉出钢过程依次加入电石100kg、铝铁(40％品位)100kg、硅钙钡120千克、对应量的铁合金、精炼渣700千克、石灰500千克。
LF炉精炼
1、钢水进入LF工序后加入用连铸红坯烘烤干燥后的镍板200千克，LF精炼前期用铝粒60Kg、硅铁粉100Kg、碳化硅80Kg进行钢水脱氧，并根据炉渣流动性情况加入预熔渣100千克，精炼12分钟后，炉渣变黄白，取初样。
2、LF精炼51分钟后，成分温度均符合要求，并取炉渣分析二元碱度为2.8，迅速将钢水吊运至RH进行RH真空处理。
RH真空精炼及软吹氩
1、RH环流时间33分钟，其中极限真空度(≤66.7pa)保持时间20分钟；
2、RH破空后迅速取样分析成分，并根据铝含量喂入铝线200米，然后喂入钛铁线300米，再喂入硅钙线200米，5分钟后加入硼铁7.5千克；
3、钢水在RH吹氩台软吹37分钟，氩气流量控制10-14Nl/min，充分促进夹杂物的上浮及Al、Ti、B元素成分的均匀性。
连铸机浇注
连铸浇注前对中包烘烤195min，烘烤温度1090℃，结晶器采用四孔水口进行浇注，水口插入深度110mm。中间包第一层使用低碳覆盖剂，上面再添加炭化稻壳进行保护。连铸拉速控制在0.8m/min，过热度控制在20～30℃，连铸二冷采用气雾冷却，比水量0.30L/kg，结晶器采用电磁搅拌。
轧制
轧制出钢后，对棒材进坑缓冷至80度出坑。
对比例1
将实施例1中“RH真空精炼”工艺步骤2中的铝线、钛铁线、硅钙线和硼铁同时加入，各成分加入量同实施例1，其余操作同实施例1。
对比例2
将实施例1中“RH真空精炼”工艺步骤2中的铝线、钛铁线和硅钙线先加入后，5分钟后加入硼铁，各成分加入量同实施例1，其余操作同实施例1。
将实施例1制得含硼高级齿轮钢(18CrMnBHZ)和常规制备方法制得的含硼齿轮钢(18CrMnBH)进行比较，各项参数比较如表1-5所示。同时将实施例1和对比例1、对比例2的淬透性进行比较，比较结果如表4所示。
表1化学成分
表2低组织
牌号 方框偏析 中心疏松 一般疏松
18CrMnBHZ 0 0.5 0.5
18CrMnBH 1.0 1.5 1.0
通过连铸工艺的改进，铸坯的低倍组织得到了明显提高。
表3非金属夹杂物
牌号 A粗 A细 B粗 B细 C粗 C细 D粗 D细
18CrMnBHZ 0 1.0 0.5 0 0 0 0 0
18CrMnBH 0.5 1.0 1.5 1.0 0 0 0.5 0.5
通过真空处理，改进后的含硼高级齿轮钢18CrMnBHZ的夹杂物级别明显降低，因而钢水纯净度得到了有效提高。
表4末端淬透性比较
牌号 J5 J10 J25 J50
技术要求 36～43 31～39 23～30 ≥20
18CrMnBHZ 39 34 27 23
18CrMnBH 44 42 34 29
对比例1 45 42 35 29
对比例2 44 40 35 30
通过“固氮保硼”工艺的有效实施，使得改进后的含硼高级齿轮钢18CrMnBHZ末端淬透性明显提高并更加稳定，完全满足技术要求。
表5晶粒度及冲击功比较
牌号 晶粒度 冲击功/Ak(≥55J/CM2)
18CrMnBHZ 7级 98
18CrMnBH 5级 62
通过优化钢水的脱氧工艺，钢水纯净度得到改善，也提高了钢中铝和钛的收得率，从而得到了细晶组织，晶粒度得到了明显改善，再加上添加镍元素，从而冲击功也明显提高。
本发明通过添加Al、Ti、Ni等元素，改进连铸工艺，采用“固氮保硼”工艺，优化脱氧工艺等一系列工艺的改进，最终使得材料的纯净度、淬透性、晶粒度、组织均匀性、冲击韧性等综合性能得到大幅度提高。

Claims (4)

1.一种汽车用含硼高级齿轮钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼、软吹、连铸和轧制工艺，具体过程如下：
(1)转炉冶炼，转炉冶炼钢铁料采用铁水、干燥洁净的生铁和废钢，铁水加入量为121～123吨/炉，生铁加入量为8-9吨/炉，废钢加入量为4吨/炉，返矿加入量为2吨/炉，出钢量119-122吨/炉；采用顶底复合吹炼转炉，冶炼过程全程底吹氩气；转炉终点碳含量控制在0.06～0.16％，并采用滑板挡渣加留钢操作出钢；转炉出钢时依次加入电石、铝铁、硅钙钡合金、低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁、700千克/炉的预熔渣和500千克/炉的石灰；
(2)LF精炼，控制LF精炼时间40～60分钟，钢水进入LF工序后便立即往钢包中加入经过连铸红热坯烘烤过的镍板；LF前期使用铝粒及硅铁粉进行钢水的渣面扩散脱氧，并控制LF精炼终渣碱度2.5～3.5；
(3)RH真空精炼，正常抽真空炉次，进行真空处理，真空处理条件为确保负压≤66.7Pa，保压时间≥15分钟，环流时间＞30min；真空处理结束后先喂入Al线，控制成品铝含量，再喂入钛铁线，控制成品Ti含量，然后再喂入200m/炉硅钙线对钢水进行钙处理，最后间隔5分钟再加入硼铁；
(4)软吹，RH处理结束后，保证软吹氩时间控制在30～50min，氩气流量为10～14升/分钟；
(5)连铸，采用220毫米*260毫米断面生产，连铸二冷采用气雾弱冷模式，结晶器采用四孔水口浇注；中间包采用低碳覆盖剂加碳化稻壳双层保护；
(6)轧制，轧制前对铸坯进行抛丸检查，然后再对铸坯表面进行磁粉探伤检查，对超出标准要求的表面缺陷进行修磨处理，轧材采用进坑缓冷工艺，要求坑冷至100度以下出坑，制得汽车用含硼高级齿轮钢；
其中，该齿轮钢按重量百分比其成分为：C 0.15～0.20％、Si 0.15～0.40％、Mn 1.00～1.30％、Cr 1.00～1.30％、B 0.0005～0.0030％、P 0～0.030％、S 0～0.035％、Cu 0～0.30％、Ni 0.12～0.18％，Al 0.020～0.045％、Ti 0.015～0.035％，余量是Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的汽车用含硼高级齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤(3)所述的成品Al含量为0.030％，成品钛含量为0.020％。
3.根据权利要求1所述的汽车用含硼高级齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤(3)所述的硼铁加入量为0.15千克/吨钢。
4.根据权利要求1所述的汽车用含硼高级齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤(5)所述的连铸工艺为：连铸拉速为0.8m/min，过热度为20～30℃，比水量为0.30L/kg。
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