CN109266979A

CN109266979A - 一种重载齿轮用合金钢锻圆及其制备方法

Info

Publication number: CN109266979A
Application number: CN201811228500.5A
Authority: CN
Inventors: 徐国庆
Original assignee: JIANGSU ZHUHONG FORGING Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ZHUHONG FORGING Co Ltd
Priority date: 2018-10-20
Filing date: 2018-10-20
Publication date: 2019-01-25

Abstract

本发明公开了一种重载齿轮用合金钢锻圆，解决了渗碳淬火的形变率大且力学性能弱的问题，涉及合金领域，主要按质量百分数计，包括C0.33～0.38％，Mn0.55～0.80％，Si0.15～0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr1.50～1.70％，Ni1.50～1.70％，Mo0.23～0.30％，Al0.020～0.040％，Cu≤0.20％，V≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。其渗碳淬火的形变率小，且力学性能更强，适合生产齿轮使用，并且其制备方法较为简便适合规模化生产。

Description

一种重载齿轮用合金钢锻圆及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金钢领域，特别涉及一种重载齿轮用合金钢锻圆及其制备方法。

背景技术

随着车辆发动机功率的提高，要求传动系统能够承受更高的载荷。同时，为提高功率密度，要求传动系统体积减小，因而对齿轮的承载能力提出了更高的要求。为提高齿轮的承载能力，齿轮材料往往采用合金元素含量较高的重载齿轮钢，如20Cr2Ni4和20CrNi2Mo等。然后，这些重载齿轮钢都存在渗碳淬火变形大的缺点，结果往往导致齿轮后续加工难度大、加工后渗层厚度不均匀、尺寸精度难以保证、以及使用寿命短等问题。影响齿轮渗碳淬火变形的因素较多，其中以淬透性和晶粒度的影响较大。研究表明，降低淬透性和增加晶粒度级别都可以使齿轮渗碳淬火变形降低。不过，重载齿轮钢必须具有一定的淬透性，才能保证大截面齿轮能够淬透。因此，对渗碳淬火变形要求严格的重载齿轮钢，有必要采用细化晶粒的方法。

对此，传统采用的方法是控制Al和[N]的含量、或添加Ti和B等微合金化元素，这些方法冶炼工艺控制难度大、晶粒细化效果不稳定。

另一方面，晶粒细化又容易影响到合金的机械性能。例如，一些重载齿轮要求抗拉强度R_a高于1400MPa、冲击功A_ku高于100J，同时还要求有较高的疲劳强度，包括齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。因而，有必要研制出一种机械性能强，且渗碳淬火变形小的合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种重载齿轮用合金钢锻圆，不仅渗碳淬火的形变率小，同时，又具有高抗拉强度和高冲击功，有效地提高了齿轮的抗疲劳强度，并且其生产过程较为方便，适合规模化生产。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种重载齿轮用合金钢锻圆，按质量百分数计，包括C0.33～0.38％，Mn0.55～0.80％，Si0.15～0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr1.50～1.70％，Ni1.50～1.70％，Mo0.23～0.30％，Al0.020～0.040％，Cu≤0.20％，V≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，首先Cr能够有效地提高合金的淬透性，以获得所需的强度。为确保大截面重载齿轮淬透，应不低于1.50％，但Cr含量超过1.70％时会恶化钢的冷加工性能，因此，Cr含量应控制在Cr1.50～1.70％。

而Ni也有助于提高合金的淬透性和改善低温韧性。低于1.50％时难以起到上述作用，但超过1.70％使会使渗碳层残余奥氏体含量增加，恶化渗碳层性能。

另外，V以细小的碳化物形成存在时，能够细化晶粒，从而减小变形和改善韧性；当其融入于合金之后，并以固体形式存在时，能够有效提高淬透性及机械强度。

优选为，还包括Ce0.64～0.86％和Sn0.73～0.89％。

通过采用上述技术方案，铈不仅能够细化晶柱，增加塑性，改善加工性能，同时由于铈拥有较强亲锡能力，因而会优先与Sn化合，这些优先析出、分布均匀的化合物能够成为进一步的非均质形核中心，使得合金的组织进一步的细化，同时也减少了合金中块状的Cu₆Sn₆化合物的数量，改善了合金的组织分布，从而使合金的力学性能得到提高。

优选为，还包括Ca1.3～1.5％和In0.8～1.2％。

通过采用上述技术方案，Ca能与合金当中的多种组分进行组合，Ca与In形成共晶，且Ca在In中可溶解10％为性能优良的β固溶体，Ca-Cu形成包晶型二元状态，使得合金具备优良塑性、可变形加工。

一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其包括以下步骤：

S1、按质量分数计，将含有C1.65～1.79％、Mn0.67～0.93％、P0.13～0.25％、S0.16～0.20％和Al0.13～0.19％的钢加入到转炉中进行冶炼，之后依次向转炉中加入人造石墨、脱氧剂、铜、硅、铬、镍、钼、铝、钒和其他金属元素，且全程从转炉炉底吹入Ar，控制氧压≥0.8Mpa，而冶炼的终点为C0.56～0.64％、P≤0.016％，铁水的温度达到1620～1645℃，之后进行出钢；

S2、将S1中出钢的钢水被转移到LF炉进行精炼中，并从LF炉炉底吹入Ar，同时向LF炉加入石灰、碳化硅、电石和萤石进行通电造渣，之后钢包吊出；

S3、将S2中钢包吊入到VD炉中，并从VD炉炉底吹入Ar，同时进行合盖真空脱气处理，经软吹处理之后，吊包出炉；

S4、将钢包通过连铸机注铸坯，控制连铸中间包钢温度为1483～1498℃；

S5、对钢坯进行锻造，并进行调质热处理，得到钢锭；

S6、将钢锭吊运至锻压机，锻压得到锻圆。

通过采用上述技术方案，在冶炼和精炼的过程中都通入Ar气，这样有利于对钢水起到保护，保证了钢水的正常脱氧，同时也降低了钢水被再次氧化的概率。另外，最终生产出来的锻圆具有较强的硬度，从而也提高了其制成齿轮后所具备的较强耐磨性。

优选为，S1中铜和硅是以铜硅合金的方式进行添加的。

通过采用上述技术方案，Si通过采用铜硅合金的方式引入到合金中，而Sn能使铜硅合金的枝晶偏析加重，使得浇铸完成之后的合金中合金热轧组织的细化，使得合金力学性能的影响显著，便于对合金进行后续的加工。

优选为，S5中调质过程选用油淬，且油淬温度为850℃，而回火温度为600℃。

通过采用上述技术方案，这样有利于防止合金抗拉强度过高或过低，并将抗拉强度控制在一定范围。

优选为，S2中通电造渣分为两次通电，第一次通电采用6级电压化渣，送电加热造渣10min，第二次通电采用4级电压，同时白灰加2～3批，总量≥500Kg。

通过采用上述技术方案，首先利用6级电压化渣，这是为了能够使钢水中的各杂质物质和元素快速地与钢水的主要元素发生化学键的断裂而分离，之后采用4级电压，并同时加入白灰，这样能够使白灰和杂质物质及杂质元素发生化学反应，生成新的稳定炉渣，进而便于被除去。

优选为，S3中软吹过程中，向VD炉加入碳化稻壳覆盖全渣面。

通过采用上述技术方案，此处碳化稻壳相当于表面助溶剂，当金属熔融时，表面助熔剂在熔融金属表面形成保护层，使金属与气体介质分开，既可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度，最大限度的防止了在钢材制作过程中的氧化和烧损，同时木炭代替传统生产方法的草木灰作为覆盖物，消除了K元素对钢材后续防锈性能的不利影响。

优选为，S4中中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入中包覆盖剂，待中包钢液达到最高后，加入碳化稻壳。

分多次向中包中加入覆盖剂，这样能够形成多层保护，从而一方面能够减少熔融金属的飞溅损失，另一方面也能够降低熔融物中气体的饱和度，最大限度地防止了中包浇铸过程中的氧化和烧损。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、添加Cr、Ni和V等金属元素后，有效的提高了最终合金的淬透性、细化了合金组织的晶粒，进而降低了渗碳淬火的形变率小；同时，V还有利于提高合金的本身的力学强度，有效提高了最终锻圆的抗拉强度；

2、Ce不仅能够细化合金组织的晶粒，同时其也能够改善合金的组织分布，从而使合金的力学性能得到提高；

3、本申请整个制备过程中也较为简便，适合规模化进行生产。

具体实施方式

一种重载齿轮用合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按质量分数计，将含有C1.65～1.79％、Mn0.67～0.93％、P0.13～0.25％、S0.16～0.20％和A10.13～0.19％的钢加入到转炉中进行冶炼，之后依次向转炉中加入人造石墨、脱氧剂、铜硅合金、铬、镍、钼、铝、钒和其他金属元素，且全程从转炉炉底吹入Ar，控制氧压≥0.8Mpa，而冶炼的终点为C0.56～0.64％、P≤0.016％，铁水的温度达到1620～1645℃，之后进行出钢；

步骤二、将步骤一中出钢的钢水被转移到LF炉进行精炼中，并从LF炉炉底吹入Ar，同时向LF炉加入石灰、碳化硅、电石和萤石进行通电造渣，第一次通电采用6级电压化渣，送电加热造渣10min，第二次通电采用4级电压，同时白灰加2～3批，总量≥500Kg，之后向LF炉喂硅钙线150～200m/炉，喂线速度为3～5m/s，最后再将钢包吊出；；

步骤三、将步骤二中钢包吊入到VD炉中，并从VD炉炉底吹入Ar，同时进行合盖真空脱气处理，当真空度达到0.5托以下后，保持时间≥15min，之后在进行软吹处理，同时向VD炉加入碳化稻壳覆盖全渣面，继续保持20min，最后进行吊包出炉；

步骤四、将钢包通过连铸机注铸坯，且中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入中包覆盖剂，待钢液达到最高后，加入碳化稻壳，同时整个过程控制连铸中间包钢温度为1483～1498℃，并利用结晶器保护高碳保护渣，最终得到钢坯；

步骤五、对钢坯进行锻造，并在850℃温度对钢坯油淬进行调质，之后于600℃回火进行热处理，得到钢锭；

步骤六、将钢锭再加热至1190～1200℃，之后吊运至锻压机中，先锻为方形，后压棱，最后压为圆形，得到锻圆。

此处，脱氧剂为硅铝钡脱氧剂，覆盖剂选用的是干馏后的木炭。

根据上述的操作方法，分别得到表一中实施例一至实施例八锻圆的组分含量：

表一

将上述得到的锻圆最终制成齿轮，并对齿轮进行抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击功平均值、晶粒度级别和形变率测试，得到如下表2所示的结果：

表二

从上表二可以看出，本申请的锻圆的晶粒度级别高，从其整体的渗碳淬火变形小，同时其抗压力强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击功等机械性能都比较的强，有利于延长其使用寿命。再者，从实施例六至实施例八与实施例四、实施例五和实施例二的对比可以看出，添加有Ce、Sn、Ca和In后，锻圆的整体性能够有又进一步得到了提升。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种重载齿轮用合金钢锻圆，其特征在于：按质量百分数计，包括C0.33～0.38％，Mn0.55～0.80％，Si0.15～0.35％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr1.50～1.70％，Ni1.50～1.70％，Mo0.23～0.30％，Al0.020～0.040％，Cu≤0.20％，V≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆，其特征在于：还包括Ce0.64～0.86％和Sn0.73～0.89％。

3.根据权利要求2所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆，其特征在于：还包括Ca1.3～1.5％和In0.8～1.2％。

4.如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其包括以下步骤：

S5、对钢坯进行锻造，并进行调质热处理，得到钢锭；

S6、将钢锭吊运至锻压机，锻压得到锻圆。

5.根据权利要求4所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其特征在

S1中铜和硅是以铜硅合金的方式进行添加的。

6.根据权利要求4所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：

S5中调质过程选用油淬，且油淬温度为850℃。

7.根据权利要求4所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：S2中通电造渣分为两次通电，第一次通电采用6级电压化渣，送电加热造渣10min，第二次通电采用4级电压，同时白灰加2～3批，总量≥500Kg。

8.根据权利要求4所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：S3中软吹过程中，向VD炉加入碳化稻壳覆盖全渣面。

9.根据权利要求4所述的一种重载齿轮用合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：S4中中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入中包覆盖剂，待中包钢液达到最高后，加入碳化稻壳。