CN107604253A

CN107604253A - 一种高淬透性Mn‑Cr系列渗碳钢

Info

Publication number: CN107604253A
Application number: CN201710760560.0A
Authority: CN
Inventors: 皇百红; 朱蕴策; 高亮庆
Original assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-19

Abstract

一种高淬透性Mn‑Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.18～0.22，Si≤0.20，Mn 1.20～1.40，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.25～1.40，Mo≤0.10，Al 0.017～0.035，N 0.010～0.020，Ni≥0.10，Cu 0.10～0.20，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明具有较小的热处理变形能力和较高的可靠性，适用于商用车重载变速箱及驱动桥齿轮。

Description

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢

技术领域

本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，适用于商用车重载变速箱及驱动桥齿轮。

背景技术

目前，Mn-Cr系列渗碳钢在国内被广泛应用于齿轮零件，其中GB/T5216对于Mn-Cr系列渗碳钢的要求是：淬透性控制范围为J9＝30～43HRC、J15＝25～39HRC，材料合金元素C0.17％～0.22％、Si≤0.37％、Mn 1.10％～1.40％、Cr 1.00％～1.30％，残余元素P≤0.035％、S≤0.035％、Cu≤0.25％、Ni≤0.30％，奥氏体晶粒度不小于5级。中国齿轮专业协会制订标准CGMA001-1中，Mn-Cr系列渗碳钢淬透性控制范围J10＝32～38HRC，材料合金元素C 0.17％～0.23％、Si≤0.12％、Mn 1.10％～1.50％、Cr 1.00％～1.30％，残余元素P≤0.030％、S 0.02％～0.35％、Cu≤0.20％、Ni≤0.30％，奥氏体晶粒度不小于5级。

上述国标和齿轮协会标准规定的Mn-Cr系列渗碳钢主要适应于乘用车零件，而商用车重载变速箱及驱动桥齿轮对于渗碳钢的淬透性要求较高，目前商用车用渗碳钢以Cr-Mn-Ti系列、Cr-Mo系列、Cr-Ni-Mo系列和Cr-Ni系列为主。

中国专利：公布号为CN105839015A，公布日为2016年8月10日的发明专利公开了一种Mn-Cr系高性能齿轮钢的生产方法，该齿轮钢的成分配比为：C 0.17％～0.22％、Si0.15％～0.25％、Mn 1.10％～1.40％、Cr 1.00％～1.30％、Mo≤0.08％、B≤0.0005％、Cu≤0.02％、Ni≤0.02％、Al 0.025％～0.055％、P≤0.015、S 0.020％～0.035％、N≤130ppm，其余为铁。虽然该设计保证了钢液良好的可浇性及齿轮钢优良的切削性，但制得的钢材淬透性检测值仅为J9：36.5～38.5HRC，J15：30.5～32.5HRC，而商用车重载变速箱及驱动桥齿轮用钢的淬透值要求为J9：40～46HRC，J15：34～40HRC，因此该齿轮钢根本无法满足商用车重载变速箱及驱动桥齿轮的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的Mn-Cr系渗碳钢无法适用于商用车重载变速箱及驱动桥齿轮的问题，提供一种能够适用于商用车重载变速箱及驱动桥齿轮的高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.18～0.22，Si≤0.20，Mn 1.20～1.40，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.25～1.40，Mo≤0.10，Al 0.017～0.035，N 0.010～0.020，Ni≥0.10，Cu 0.10～0.20，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述渗碳钢的成分及其质量百分比含量为：C 0.20～0.22，Si 0.18～0.19，Mn1.33～1.38，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.35～1.40，Mo≤0.10，Al 0.022～0.029，N0.013～0.018，Ni≥0.10，Cu 0.11～0.13，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述Al、N的质量比为Al∶N＝1.7～1.9∶1。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢的成分及质量百分比含量为：C 0.18～0.22，Si≤0.20，Mn 1.20～1.40，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.25～1.40，Mo ≤0.10，Al 0.017～0.035，N 0.010～0.020，Ni≥0.10，Cu 0.10～0.20，B≤0.0003.，其余为Fe和不可避免的杂质，一方面，该设计通过提高C、Mn、Cr元素的含量下限，即将C、Mn、Cr元素的含量控制在较高范围内，有效提升了钢材料的淬透性，使其满足商用车重载变速箱及驱动桥齿轮的要求；另一方面，通过控制Al、N的含量范围，尤其是Al∶N＝1.7～1.9∶1，可确保AlN在高温加热阶段形成大量的弥散质点，短时间内锻造加热温度不高于1250℃时能阻止奥氏体晶粒的粗化，当渗碳温度950℃时多数ALN未溶解，保证了渗碳过程中奥氏体晶粒不发生明显长大，晶粒度变化不超过1级，晶粒细于7级，最大晶粒尺寸不大于60μm；另外，本设计通过控制Si元素的含量可降低齿根晶间氧化，在残余元素要求范围内控制Ni含量可提升渗层强韧性，将Cu含量控制在大于等于0.10的范围内能够提升表面耐腐蚀性、保证齿轮后续表面化学处理，上述改进使得本钢种能够获得较小的热处理变形能力和较高的可靠性。因此，本发明具有较小的热处理变形能力和较高的可靠性，适用于商用车重载变速箱及驱动桥齿轮。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

所述渗碳钢的成分及其质量百分比含量为：C 0.20～0.22，Si 0.18～0.19，Mn1.33～1.40，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.35～1.40，Mo≤0.10，Al 0.022～0.029，N0.013～0.018，Ni≥0.10，Cu 0.11～0.13，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述Al、N的质量比为Al∶N＝1.7～1.9∶1。

本发明钢的成分及作用如下：

C：碳钢通常为碳含量在0.17％～0.24％的低碳钢，较低含碳量能保证零件心部具有良好韧性，较高碳含量可保证渗碳淬火后心部强度高，因此本发明将C含量设定为0.18％～0.22％。

Si：作为钢冶炼时脱氧的有效元素，过低Si含量将增加炼钢成本，过高的Si含量会显著增加渗碳齿轮表面非马氏体组织及晶间氧化层深，本发明设定Si含量≤0.20％。

Mn：能显著推迟过冷奥氏体的“铁素体-珠光体”相变，有效提高淬透性，同时也可固化S，防止提高S含量导致的热脆性，但Mn含量过高反而会导致Mn偏析，因此设定为1.20～1.40％。

P：易导致韧性恶化，增加钢的冷脆性，作为有害元素控制，上限设定为0.035％。

S：易与Mn结合生成MnS非金属夹杂物，利于提高零件切削加工性能，硫化物夹杂容易过多或形态不好，容易降低力学性能，因此S含设定为0.015％～0.040％。

Cr：能提高渗层及心部的淬透性，含量过高会降低韧性，设定为1.25％～1.40％。

Mo：能提高材料淬透性及热强性，防止回火脆性，由于Mo合金成本较高，作为钢中残余元素允许存在，为避免成分偏析及剪切困难，将其含量设定为≤0.10％。

Al：Al是钢中的主要脱氧元素，也是细化晶粒元素，固溶于奥氏体中AlN高温形变过程及形变后沿奥氏体晶界弥散析出，推迟再结晶，保证热变形再结晶奥氏体晶粒细化。为达到细化晶粒的效果，并避免钢中存在大量B类非金属夹杂物，本发明将Al含量设定为0.017％～0.035％。

N：N是钢种常存元素之一，易与Ti、Nb、Al等元素结合，有效的阻止奥氏体晶粒粗化。经过设计计算和试验，既要保证与Al形成弥散的足够细小的氮化物第二相质点，又避免了在炼钢过程中需要额外增加去氮或增氮操作引起的成本增加。因此N含量设定为0.010％～0.020％。

Ni：Ni能有效提升渗层与心部韧性，降低韧-脆转变温度,由于NI合金成本较高，作为钢中残余元素允许存在，含量设定为≥0.10％。

Cu：Cu能提升钢的强度及韧性，含量高会增加热加工的热脆性，含量低会导致耐腐蚀降低，为保证齿轮后续表面化学处理，作为残余元素控制，含量设定为0.10％～0.20％。

B：B偏聚于晶界上，能显著增加奥氏体稳定性，降低Ar3，抑制先共析铁素体或珠光体转变，从而提高钢的淬透性。在钢中只有固溶硼能有效影响淬透性，作为残余元素控制，含量设定为B≤0.0003％。

实施例1：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.18，Si 0.20，Mn 1.40，P 0.035，S 0.028，Cr 1.35，Mo 0.10，Al 0.017，N 0.010，Ni 0.10，Cu 0.11，B0.0001，其余为Fe和不可避免的杂质。

实施例2：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.20，Si 0.19，Mn 1.38，P 0.013，S 0.021，Cr 1.39，Mo 0.022，Al 0.022，N 0.013，Ni 0.14，Cu 0.10，B0.00025，其余为Fe和不可避免的杂质。

实施例3：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.21，Si 0.18，Mn 1.33，P 0.012，S 0.019，Cr 1.40，Mo 0.021，Al 0.029，N 0.018，Ni 0.14，Cu 0.13，B0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

实施例4：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.22，Si 0.20，Mn 1.20，P 0.005，S 0.015，Cr 1.25，Mo 0.015，Al 0.035，N 0.020，Ni 0.15，Cu 0.20，B0.0002，其余为Fe和不可避免的杂质。

实例5：

一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其成分及质量百分比含量为：C 0.22，Si 0.20，Mn 1.37，P 0.014，S 0.021，Cr 1.40，Mo 0.015，Al 0.035，N 0.011，Ni 0.14，Cu 0.13，B0.0002，其余为Fe和不可避免的杂质。

以下为上述实施例钢的性能检测结果，其中，表1为实施例1～4的淬透性检测结果，表2为加热温度950℃±10℃进行保温12h,按照GB/T 6394金属平均晶粒度测定方法测材料晶粒度变化趋势，表3为上述实施例钢试制零件经过渗碳淬火处理，齿轮冶金质量结果。

表1不同实施例的淬透性值

淬透性带	J1.5	J3	J5	J7	J9	J11	J13	J15	J20	J25
											协议要求	-	-	-	-	40～46	-	-	34～40	-	-
实施例1	44.5	44.0	43.0	42.0	40.0	38.0	36.5	34.0	31.5	30.5
											实施例2	46.0	46.0	45.0	44.0	42.0	40.5	39.5	37.0	34.0	33.0
实施例3	46.5	46.0	45.0	43.5	41.0	39.0	37.5	34.5	32.0	31.5
											实施例4	47.5	46.5	45.0	44.0	42.0	38.5	36.5	35.0	33.0	31.5
实施例5	47.0	47.0	46.0	45.0	44.0	43.0	41.5	38.0	35.0	33.5

由表1能够看出，实施例1～4所述渗透钢的J9和J15值均在商用车重载变速箱及驱动桥齿轮要求的范围内。

表2不同保温时间的晶粒度变化

保温时间(h)	3	6	7.5	9	10.5	12
							实施例1	8	8.5	8.5	9	9	9
实施例2	9.5	9.5	10	9.5	9.5	9.5
							实施例3	9.5	10	10	10	10	10
实施例4	9	9	9.5	9.5	9.5	10
							实施例5	8	8	8.5	8	8	7.5

由上表可以发现，本发明晶粒细于7级，晶粒度变化不超过1级，尤其是实施例2、3，晶粒达到9.5级，晶粒度变化控制在0.5级，能够满足渗碳钢的热处理要求。

表3齿轮渗碳热处理冶金质量

表3显示，采用本发明渗碳钢制得的齿轮质量符合商用车重载变速箱及驱动桥齿轮的技术要求。

Claims

1.一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其特征在于：

所述渗碳钢的成分及其质量百分比含量为：C 0.18～0.22，Si≤0.20，Mn 1.20～1.40，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.25～1.40，Mo≤0.10，Al 0.017～0.035，N 0.010～0.020，Ni≥0.10，Cu 0.10～0.20，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其特征在于：

所述渗碳钢的成分及其质量百分比含量为：C 0.20～0.22，Si 0.18～0.19，Mn 1.33～1.38，P≤0.035，S 0.015～0.040，Cr 1.35～1.40，Mo≤0.10，Al 0.022～0.029，N 0.013～0.018，Ni≥0.10，Cu 0.11～0.13，B≤0.0003，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种高淬透性Mn-Cr系列渗碳钢，其特征在于：所述Al、N的质量比为Al∶N =1.7～1.9∶1。