CN107604250A - 一种重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种21MnCrMoS齿轮用钢，化学成分为C：0.17～0.25%，Si：0.10～0.35%，Mn：0.95～1.35%，Cr：0.25～0.65%，S：0.020‑0.050%，P：≤0.025%，Mo：0.08～0.15%，Ni：≤0.10%，Cu：≤0.20%，Al：0.010～0.050%，Ca：≤0.0005%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢的末端淬透性满足：J5=38～43HRC、J8=30～35HRC、J13=22～28HRC，属于低成本渗碳齿轮钢种及生产方法。制造流程为电炉—炉外精炼—VD真空脱气—连铸—连轧—锯切—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装。

Description

一种重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，尤其是合金钢类，具体涉及采用连铸-连轧生产的21MnCrMoS齿轮钢。

背景技术

齿轮为重要的传动零件，传递动力，在传动过程中齿根要受到反复的弯曲、接触应力，易产生弯曲疲劳断裂、磨损、划痕擦伤、齿形剥落变形等失效现象。重型卡车因载重量大，变速器齿轮需要承受较大扭矩，所以重卡变速器齿轮常选用SAE8620H、SCM420H等具有良好淬透性，能承受较大冲击载荷、高的弯曲疲劳应力的钢铁材料。而这些钢材的合金和制造成本非常高，产品市场竞争力不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足重载卡车变速器用高性能、低成本的齿轮钢新材料。与重型卡车变带器齿轮普遍采用的SAE标准中的SAE8620H、JIS标准中的SCM420H钢相比，本发明的21MnCrMoS钢取消了贵重合金Ni的添加、降低Cr、Mo含量，在降低成本的同时，通过改进冶炼方法，使代表强度指标的淬透性仍能满足用于重型卡车变速器齿轮的要求。

区别于现有技术，本发明齿轮钢热轧材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，具有的突出性能即钢的末端淬透性满足：J5=38-43HRC、J8=30-35HRC、J13=22-28HRC。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢，化学成分按质量百分比计为，C：0.17～0.25%，Si：0.10～0.35%，Mn：0.95～1.35%，Cr：0.25～0.65%，S：0.020-0.050%，P：≤0.025%，Mo：0.08～0.15%，Ni：≤0.10%，Cu：≤0.20%， Al：0.010～0.050%，Ca：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

热轧钢材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，钢的末端淬透性满足：J5=38～43HRC、J8=30～35HRC、J13=22～28HRC。

本发明齿轮钢化学成分各元素对应的主要作用和设计依据是：

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。在所有元素中，碳提高钢强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮渗碳及淬火回火后心部有良好的的强韧性，钢中需有合适的碳含量，本发明碳含量范围确定为0.17～0.25%，属于表面渗碳钢。

Si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性，同时Si在钢渗碳时会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量，因此Si含量的范围确定为0.10～0.35%。

Mn对钢起固溶强化作用，并强烈提高钢的淬透性，本成分区别于常规CrMo或CrNiMo渗碳钢中的Mn含量控制范围，利用Mn的特点确定为0.95～1.35%。

Cr对钢起固溶强化作用，提高钢的淬透性。另外Cr降低C的活度，能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度，但过高的Cr会明显降低淬火回火钢材的韧性，综上考虑，本发明将Cr含量的范围确定为0.10～0.65%。

Mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性，细化晶粒，提高韧性，改善碳化物不均匀性，其碳化物稳定，高温也很难向固溶体转移，提高钢的热强性。对热处理的合金结构钢，能够降低钢的回火脆性，提高冲击韧性。本发明将Mo含量的范围确定为0.08～0.15%。

S的加入可以提高钢的切削性能，但会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，因此确定S含量范围为0.020～0.050%。

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝颗粒可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al2O3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为0.010～0.050%。

Ca 易与钢中S生成CaS、CaO，与钢中Al2O3或MgO结合生成不变形的夹杂物，对齿轮的疲劳寿命产生不利影响，因此控制Ca≤0.0005%。

本发明齿轮钢通区别于常规用于重卡变速器齿轮用CrMo或CrNiMo渗碳钢中Cr、Mo含量较高且CrNiMo钢中含有贵重元素Ni，通过取消贵重合金元素Ni，降低Cr和Mo元素的含量，充分利用Mn元素能强烈提高淬透性的作用的技术手段，其含量由通常的0.50～0.80%提高至0.95～1.35%，结合Cr、Mo对钢材淬透性不同深度的的影响效果，优化设计了满足重卡变速器用齿轮钢的淬透性要求，具有较高的市场的竞争力和推广价值。

本发明与现有技术相比，合金元素简单，易于控制，成本低，Mn元素可以在精炼后期通过喂线的方式精确补加，保证了淬透性的稳定。再次通过控制钢中细化晶粒的质点元素的含量Al，阻止渗碳过程中奥氏体晶粒的长大，提高了奥氏体晶粒的粗化温度，保证了重型卡车变速器齿轮长时间的高温渗碳处理后的晶粒细化。

本发明与现有生产SAE8620H、SCM420H的工艺相比，在VD脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中Al/N比，不但细化了晶粒，同时消除了因晶粒度的波动对淬透性的影响。

上述重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢的制造方法，工艺流程为按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤检测-入库，主要工序的说明如下

（1）初炼：按权利要求1所述的配比备料，将原料装入初炼炉中，入炉原料中经预处理的铁水占20～60%，其余为废钢。通电并辅以吹氧助熔，当熔炼终点C的含量在0.02～0.10%，控制钢水温度在1650～1680℃，采用EBT滑板机构档渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化，终点出钢碳不小于0.05%，防止钢水氧化。

（2）LF精炼：将初炼钢水包用行车吊至LF精炼炉，接通底吹氩装置，送电进行再加热，过程中加入造渣材料及扩散脱氧剂，造白渣，控制炉渣碱度在2.0～2.5以更好的保证钢中的[S]控制在0.025～0.050%，精炼时间大于30分钟；LF精炼过程中搅拌强度以不裸露钢水为宜，当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至VD炉处理。

优选地，LF炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入C粉、FeSi粉、SiC粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧。

（3）VD脱气：接通Ar气管，并盖上真空盖，抽真空，保持钢水在高真空度下的脱气时间不少于10分钟，在VD脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中Al/N比，以及对Mn元素进行精确补加。

（4）连铸：将VD脱气后的钢水包吊至连铸大包回转台，浇钢后全程保护浇注，控制中间包钢水过热度15～30℃，拉速控制在0.5～0.85m/min以改善内部质量，采用恒拉速浇注、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下工艺措施，得到合格的连铸坯。

（5）连铸坯500℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上，防止铸坯开裂，对缓冷后的连铸坯抛丸处理，提高其表面质量，减少铸坯轧制圆钢时表面原始缺陷的产生。

（6）轧制：将连铸坯重新加热至1120～1280℃并保温3～6小时，轧制前进行长时间高温扩散，高温扩散温度在1150℃以上，以改善钢材组织。铸坯经高压水除鳞后采用连轧机组轧制，开轧温度1000～1120℃，终轧温度860～980℃，轧后及时收集。钢材规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上。

附图说明

图1为本申请实施例1的齿轮钢棒材的金相组织图；

图2为本申请实施例2的齿轮钢棒材的金相组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

1.21MnCrMoS齿轮钢棒材的生产制造方法，其特征在于制造规格为φ50mm-φ120mm的生产工艺路线为：按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤等检测-入库。其中包括炼钢工艺、轧制工艺。

所述炼钢工艺：

1)入炉原料中经预处理的铁水占20～60%，其余为废钢；

2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：对电炉进行终点出钢碳控制，终点出钢碳不小于0.05%，防止钢水氧化；采用偏心炉底和留钢出钢，防止下氧化渣；

3)LF炉精炼：LF炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入C粉、FeSi粉、SiC粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧。LF精炼过程中吹氩搅拌强度与各操作目的相关，但搅拌强度以不裸露钢水为宜。当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至VD炉处理。

4)VD真空脱气：高真空度（133Pa）下保持时间大于10分钟；高真空度下观察炉内钢水沸腾情况适当调整吹氩压力和流量，破空后取样分析，根据分析结果调整成分进入标准范围。在VD脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中Al/N比，细化晶粒。

5)连铸全过程保护浇铸，并采用结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下技术。连铸钢水过热度目标控制在15～30℃，拉速控制在0.5～0.85m/min,改善内部质量。

6)连铸坯500℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上，防止铸坯开裂，对缓冷后的连铸坯抛丸处理。

所述轧制工艺：

1)连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热至1120～1280℃，保温4～6小时，出炉后铸坯经高压水除鳞处理高温去掉氧化铁皮；

2)开轧温度1000～1120℃，终轧温度860～980℃。

3)钢材冷却工艺：钢材规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上。

2.根据权利要求1所述的21NiCrMoS齿轮钢的制造方法，实施例1其特征在于钢材规格φ50mm，轧制比51.9。

1)电炉装炉量115吨，其中铁水装入量52吨，废钢63吨；电炉冶炼过程中，吹氧并造泡沫渣，出钢温度1662℃，终点碳含量0.08%；

2)LF炉到位送电，补加石灰100kg、萤石50kg ，炉渣化好后渣面分批加入SiC粉60kg，喂Al线400m，保持白渣时间25分钟。调整成分进入范围，LF炉出钢温度1660℃。

3)VD在高真空度（133Pa）下时间16分钟，破空后软吹氩20分钟，吊包温度1535℃。

4)连铸全过程保护浇铸，结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下参数按Ⅱ类钢标准。中包温度/拉速：1530℃/ 0.55m/min。

5)连铸坯560℃入缓冷坑保温28小时。

6)熔炼化学成分（w%），见表1。

7)连铸坯加热温度1190℃，加热总时间5.5小时；

8)开轧温度1052℃，终轧温度945℃。轧制后钢材堆冷。

3.根据权利要求1所述的21NiCrMoS齿轮钢的制造方法，实施例2其特征在于钢材规格φ120mm，轧制比9.0。

1)电炉装炉量113吨，其中铁水装入量53吨，废钢60吨；电炉冶炼过程中，吹氧并造泡沫渣，出钢温度1670℃，终点碳含量0.10%；

2)LF炉到位送电，补加石灰100kg、萤石50kg ，炉渣化好后渣面分批加入SiC粉60kg，喂Al线400m，保持白渣时间28分钟。调整成分进入范围，LF炉出钢温度1654℃。

3)VD在高真空度（133Pa）下时间14分钟，破空后软吹氩26分钟，吊包温度1530℃。

4)连铸全过程保护浇铸，结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下参数按Ⅱ类钢标准。中包温度/拉速：1528℃/ 0.55m/min。

5)连铸坯530℃入缓冷坑保温30小时。

6)熔炼化学成分（w%），见表1。

7)连铸坯加热温度1210℃，加热总时间5.4小时；

8)开轧温度1070℃，终轧温度962℃。轧制后钢材入坑缓冷28小时。

4.本发明实施例1、实施例2、参照例3 SAE8620H、参照例4 SCM420H指标对比。

1)化学成分如表1（wt%）:

表1

项目	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Al
											实施例1 21MnCrMoS	0.20	0.25	1.25	0.010	0.025	0.52	0.04	0.13	0.04	0.032
实施例2 21MnCrMoS	0.23	0.27	1.18	0.012	0.027	0.60	0.03	0.12	0.04	0.035
											参照例3 SAE8620H	0.20	0.25	0.82	0.012	0.024	0.58	0.55	0.22	0.03	0.030
参照例4 SCM420H	0.21	0.24	0.82	0.011	0.005	1.15	0.03	0.21	0.05	0.028

2)晶粒度如表2：

表2

3)末端淬透性如表3：

表3

图1、2分别显示了实施例1和实施例2热轧材的微观组织。从图1、2可知，该齿轮钢的热轧材微观组织为铁素体+珠光体。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为，C：0.17～0.25%，Si：0.10～0.35%，Mn：0.95～1.35%，Cr：0.25～0.65%，S：0.020-0.050%，P：≤0.025%，Mo：0.08～0.15%，Ni：≤0.10%，Cu：≤ 0.20%， Al：0.010～0.050%，Ca：≤0.0005%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢，其特征在于：热轧钢材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，钢的末端淬透性满足：J5=38-43HRC、J8=30-35HRC、J13=22-28HRC。

3.一种制造权利要求1所述的重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢的方法，其特征在于：工艺流程为按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤检测-入库，主要工序的说明如下

（1）初炼：按权利要求1所述的配比备料，将原料装入初炼炉中，通电并辅以吹氧助熔，当熔炼终点C的含量在0.02～0.10%，控制钢水温度在1650～1680℃，采用EBT滑板机构档渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化；

（2）LF精炼：将初炼钢水包用行车吊至LF精炼炉，接通底吹氩装置，送电进行再加热，过程中加入造渣材料及扩散脱氧剂，造白渣，控制炉渣碱度在2.0～2.5以更好的保证钢中的[S]控制在0.025～0.050%，精炼时间大于30分钟；LF精炼过程中搅拌强度以不裸露钢水为宜，当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至VD炉处理；

（3）VD脱气：接通Ar气管，并盖上真空盖，抽真空，保持钢水在高真空度下的脱气时间不少于10分钟，在VD脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中Al/N比，以及对Mn元素进行精确补加；

（4）连铸：将VD脱气后的钢水包吊至连铸大包回转台，浇钢后全程保护浇注，控制中间包钢水过热度15～30℃，拉速控制在0.5～0.85m/min以改善内部质量，采用恒拉速浇注、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下工艺措施，得到合格的连铸坯；

（5）连铸坯500℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上，防止铸坯开裂，对缓冷后的连铸坯抛丸处理，提高其表面质量，减少铸坯轧制圆钢时表面原始缺陷的产生；

（6）轧制：将连铸坯重新加热至1120～1280℃并保温3～6小时，铸坯经高压水除鳞后采用连轧机组轧制，开轧温度1000～1120℃，终轧温度860～980℃，轧后及时收集；钢材规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上。

4.根据权利要求3所述的重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢的制造方法，其特征在于：终点出钢碳不小于0.05%，防止钢水氧化。

5.根据权利要求3所述的重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢的制造方法，其特征在于：入炉原料中经预处理的铁水占20～60%，其余为废钢。

6.根据权利要求3所述的重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢的制造方法，其特征在于：LF炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入C粉、FeSi粉、SiC粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧。

7.根据权利要求3所述的21MnCrMoS齿轮用钢的制造方法，其特征在于：为减少成分偏析，连铸工艺采用结晶器电磁搅拌、二冷段电磁搅拌及轻压下技术。

8.根据权利要求3所述的21MnCrMoS齿轮用钢的制造方法，其特征在于：轧制前进行长时间高温扩散，高温扩散温度在1150℃以上，以改善钢材组织。