CN107254624A - 一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法 - Google Patents

一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法，通过成分控制、连铸工艺控制、以及轧制工艺控制等多环节控制相结合的手段，使得直径90mm以上大规格齿轮钢的带状组织控制在2级以内，并且具有良好的淬透性。

Description

一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法
技术领域
本发明属于齿轮钢生产技术领域，具体涉及一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法。
背景技术
齿轮钢是制造汽车和其他各种机械变速箱的关键材料，齿轮钢对带状组织级别要较高要求。带状组织会影响齿轮钢的切削性能、纵横向力学性能差别、渗碳淬火硬度波动、以及热处理变形。
Cr-Mo系齿轮钢容易产生带状组织，尤其是直径90mm以上大规格Cr-Mo齿轮钢棒材，普遍存在带状组织问题，且一旦形成不易消除。
为保证齿轮钢的加工和使用性能，齿轮钢带状组织级别一般要求不高于3级，较高时要求不高于2级。
凝固枝晶偏析是带状组织产生的根本原因。齿轮钢钢液在凝固过程中以树枝状生长，由于选分结晶导致枝晶干和枝晶间化学成分不均匀，枝晶间后凝固富集较多的C、Mn、Cr、Mo等元素，而枝晶干由于先凝固合金元素偏低。在铸坯轧制时，粗大的树枝晶沿变形方向拉长，逐渐与变形方向一致，形成碳和合金元素的贫化带和富集带，在轧后缓冷过程中铁素体优先在贫化带形成，并向两侧富集带排碳，最后富集带形成珠光体，从而形成铁素体和珠光体交替排列的带状组织。
通常通过优化连铸工艺、轧前对铸坯进行高温长时间均匀化退火、降低合金元素偏析程度等手段来减轻齿轮钢带状组织。实用新型专利CN101381803A通过控制不同轧制工艺和参数来减轻带状组织，但对大规格棒材实用性差。CN102876868A提出高温均匀化、增加奥氏体晶粒、轧后冷却进行风冷等手段来减轻低碳锰钢的组织和性能均匀性。但对于淬透性高的Cr-Mo齿轮钢容易因得到贝氏体组织而导致加工性能难度增加。采用传统的齿轮钢生产工艺难以满足带状组织要求严格的高品质齿轮钢的生产要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法，该生产方法能够将直径自90mm以上大规格齿轮钢的带状组织级别控制在2级以下。
本发明采取的技术方案为：
一种直径90mm以上大规格齿轮钢的生产方法，包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中C、Mn、Si、P、S、Cr、Mo的含量，确保Ar3点温度在850℃～860℃之间；
(2)LF+RH精炼；
(3)圆坯连铸；
(4)初轧开坯+6机架连轧，铸坯加热温度为1200-1255℃；
(5)精整。
所述步骤(3)中，连铸过热度≤25℃，优选为15～20℃。
所述步骤(4)中，保温时间≥4小时；终轧温度为900-1000℃；轧后冷却速度控制在0.5-1.5℃/s。优选为：保温时间为5小时；终轧温度为950℃；轧后冷却速度控制在0.8～1.3℃/s。
进一步地，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.22％；Mn：0.74％；Si0.27％；P0.011％；S0.003％；Cr0.97％；Mo0.37％的含量，Ar3点温度为858℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为20℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1240℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.2℃/s；
(5)精整。
进一步地，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.23％；Mn：0.74％；Si0.27％；P0.012％；S0.004％；Cr0.97％；Mo0.36％的含量，Ar3点温度为855℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为18℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1230℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.0℃/s；
(5)精整。
进一步地，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.23％；Mn：0.75％；Si0.27％；P0.009％；S0.001％；Cr1.08％；Mo0.38％的含量，Ar3点温度为856℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为15℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1255℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.0℃/s；
(5)精整。
进一步地，所述步骤(3)中，连铸拉速为0.35m/min；结晶器水量为4000L/min；二冷区比水量为0.2L/Kg。
本发明还提供了根据上述生产方法生产的直径90mm以上大规格齿轮钢，所述齿轮钢的带状组织级别低于2级。
本发明采用成分控制、连铸工艺控制、以及轧制工艺控制等多环节控制相结合的手段来，提供一种适合90mm以上大规格齿轮钢棒材带状组织控制方法，使带状组织控制在2级以内。
在成分控制方面，合金元素的性质都会影响到带状组织的形成和消除。根据碳和合金元素对Ar3点温度的影响可以分成两类：一类是可以降低Ar3点温度的元素，包括C、Mn、Cr等元素；另一类是可以升高Ar3点温度的元素，包括Si、Mo、P等元素。在Cr-Mo系高品质齿轮钢成分控制时，在考虑淬透性的前提下，考虑平衡以上两类元素对Ar3的影响，提高Ar3点温度和降低Ar3点温度的不同元素的搭配可有效降低各区域Ar3点温度的差别，从而减轻带状组织倾向。
在连铸工艺控制方面，通过优化连铸工艺参数，改善铸坯凝固组织，获得细小二次枝晶，有助于改善带状组织。从连铸工序来看，首先需要降低或抑制铸坯宏观缺陷如疏松、裂纹的产生，其次致密、细小的凝固组织的获得是促进合金元素均匀分布的前提条件。目前通常用铸坯的二次枝晶间距大小来表征元素偏析状况，二次枝晶间距越小表明元素分布越均匀，进而形成带状组织的级别越低。即便是在存在合金元素带状偏聚的条件下，若奥氏体晶粒尺寸相对于二次枝晶间距较大，即二次枝晶间距相对于奥氏体晶粒尺寸较小时，带状组织也不会形成。连铸工序方面，影响二次枝晶间距的因素非常复杂，受到化学成分、断面尺寸、过热度、冷却速率等多方面的共同影响，需要系统优化各工艺参数，以保证获得尽可能小的二次枝晶间距。
在轧制工艺控制方面，即便是在存在元素偏聚的情况下，若采取合理的轧制工艺措施,有可能消除带状组织。这些轧制工艺措施主要包括铸坯的加热工艺、终轧温度和轧后冷却工艺措施。铸坯加热温度高、时间长，成分均匀化越充分，但氧化也越严重。对于大齿轮齿轮钢棒材轧制铸坯最佳加热温度1200-1255℃为宜。终轧温度和冷却速度对带状组织的影响可通过相对晶粒δ的大小来判断。相对晶粒δ的计算公式如下：
δ＝(d-s)/s (1)
式中s为富合金元素带带间距(μm)，d为过冷奥氏体转变后的铁素体平均晶粒枝晶(μm)。根据d和δ的关系分以下三种情况：(1)当d＝s时，铁素体在两个富合金元素带间形核长大，过饱和析出的碳原子扩散至两侧富合金元素区，形成该处较大的碳和合金元素富集，使带状组织加重；(2)当d<<s时，铁素体易在中间形核，但在终轧温度低时，由于形变储存能高引起形核率较高，则在贫合金元素带间也会析出，从而降低了碳原子和合金元素的富集，最终减轻了偏析程度；(3)当d>>s时，铁素体形核也处于中间位置，在终轧温度较高时形核率较低，当中间晶粒长大至合金元素富集带时，在其外侧还存在未转变的奥氏体。若此时元素富集带还未达到转变温度，中间晶粒就会超过富集带并继续长大，这就在合金元素富集带出现了铁素体组织，减轻了合金元素富集带形成珠光体的趋势。因此d和s偏差越大，带状组织越轻。
基于以上分析，本发明将连铸和轧制中的工艺参数控制在以下范围之内：
连铸过热度≤25℃；
铸坯加热温度1200-1255℃，保温时间≥4小时；
终轧温度应控制在900-1000℃；
轧后冷却速度控制在0.5-1.5℃/s。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点和突出特点：
(1)充分考虑了成分控制对Ar3点温度的影响和带状组织形成的重要作用；
(2)考虑通过优化连铸工艺来控制二次枝晶臂间距，从而减轻带状组织；
(3)轧制工艺考虑铸坯的加热均匀化和轧制变形和冷却过程控制相结合。
附图说明
图1为实施例1中齿轮钢棒材的带状组织的金相照片；
图2为实施例2中齿轮钢棒材的带状组织的金相照片；
图3为实施例3中齿轮钢棒材的带状组织的金相照片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例1～3对本发明进行详细说明。
一种直径150mm大规格齿轮钢的生产方法，包括以下步骤：采用110t电弧炉冶炼→LF+RH精炼→Φ450mm圆坯连铸→初轧开坯+6机架连轧，得到Ф150mm圆钢→精整。流程生产高品质22CrMoH齿轮钢。
为保证带状组织控制在2级以下，实施例1～3分别在成分控制、连铸工艺控制、轧制工艺控制等方面采取措施如下。成分控制如表1所示，确保Ar3点温度波动小；连铸工艺参数如表2所示，过热度控制在20℃以下；轧制工艺参数见表3，终轧温度控制在900-1000℃；各实施例得到的齿轮钢的淬透性性能数据见表4。
实施例1～3得到的22CrMoH齿轮钢150mm圆棒的典型带状组织分别如图1、图2和图3所示，其带状组织级别分别为2级、2级和0.5级。从图中可见采用本发明公开的方法得到的齿轮钢棒材的带状组织级别可以稳定控制在2级以下。
表1 各实施例中齿轮钢的化学成分及重量百分比(％)和Ar3点温度(℃)
C Mn Si P S Cr Mo Ar3
实施例1 0.22 0.74 0.27 0.011 0.003 0.97 0.37 858
实施例2 0.23 0.74 0.27 0.012 0.004 0.97 0.36 855
实施例3 0.23 0.75 0.27 0.009 0.001 1.08 0.38 856
表2 各实施例主要连铸工艺参数
过热度 拉速 结晶器水量 二冷区比水量
实施例1 20℃ 0.35m/min 4000L/min 0.2L/kg
实施例2 18℃ 0.35m/min 4000L/min 0.2L/kg
实施例3 15℃ 0.35m/min 4000L/min 0.2L/kg
表3 各实施例主要轧制工艺参数
铸坯加热温度 保温时间 终轧温度 轧后冷却速度
实施例1 1240℃ 5h 950℃ 1.2℃/s
实施例2 1230℃ 5h 950℃ 1.0℃/s
实施例3 1255℃ 5h 950℃ 1.2℃/s
表4 各实施例得到的齿轮钢的淬透性性能：
上述参照实施例对一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直径90mm以上大规格齿轮钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中C、Mn、Si、P、S、Cr、Mo的含量，确保Ar3点温度在850℃～860℃之间；
(2)LF+RH精炼；
(3)圆坯连铸；
(4)初轧开坯+6机架连轧，铸坯加热温度为1200-1255℃；
(5)精整。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中，连铸过热度≤25℃。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，连铸过热度为15～20℃。
4.根据权利要求1或2所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(4)中，保温时间≥4小时；终轧温度为900-1000℃；轧后冷却速度控制在0.5-1.5℃/s。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，保温时间为5小时；终轧温度为950℃；轧后冷却速度控制在0.8～1.3℃/s。
6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.22％；Mn：0.74％；Si0.27％；P0.011％；S0.003％；Cr0.97％；Mo0.37％的含量，Ar3点温度为858℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为20℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1240℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.2℃/s；
(5)精整。
7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.23％；Mn：0.74％；Si0.27％；P0.012％；S0.004％；Cr0.97％；Mo0.36％的含量，Ar3点温度为855℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为18℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1230℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.0℃/s；
(5)精整。
8.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
(1)电弧炉冶炼，控制齿轮钢中各成分的重量百分比为C：0.23％；Mn：0.75％；Si0.27％；P0.009％；S0.001％；Cr1.08％；Mo0.38％的含量，Ar3点温度为856℃；
(2)LF+RH精炼；
(3)Φ450mm圆坯连铸，连铸过热度为15℃；
(4)初轧开坯+6机架连轧得到Ф150mm圆钢，铸坯加热温度为1255℃，保温5小时；终轧温度为950℃，轧后冷却速度为1.0℃/s；
(5)精整。
9.根据权利要求1或6或7或8所述的生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中，连铸拉速为0.35m/min；结晶器水量为4000L/min；二冷区比水量为0.2L/Kg。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的生产方法生产的直径90mm以上大规格齿轮钢，其特征在于，所述齿轮钢的带状组织级别低于2级。
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