CN109371332A - 一种16MnCrS5齿轮钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种16MnCrS5齿轮钢及其生产方法,其包括按重量百分数计的如下元素:C:0.14%~0.19%、Mn:1.00%~1.30%、Cr:1.00%~1.20%、Si:≤0.25%、Ni:0.10~0.40%、N:0.0060%~0.0150%、Al:0.020%~0.045%,余量为铁和不可避免的杂质元素,其中,P:≤0.020%、S:0.020%~0.040%、As≤0.04%、Sn≤0.02%、Sb≤0.010%、Pb≤0.008%、Bi≤0.010%、B≤0.0003%,Nb≤0.01%,Ti≤0.01%,[O]≤15×10‑6。本发明的齿轮钢具有以下有效效果:低成本,高纯净度、窄淬透性、高疲劳强度,性能稳定。

Description

一种16MnCrS5齿轮钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金制造技术领域,特殊钢类,涉及一种钢及其生产工艺,具体来说是用于汽车变速箱的一种控氮、硫、镍的16MnCrS5齿轮钢及其生产工艺。
背景技术
16MnCrS5属于Mn-Cr系齿轮钢,渗碳钢类。Mn-Cr系齿轮钢是我国从德国引进的钢号,是高标准轿车齿轮系列用钢。该系列钢种淬透性很好、热处理变形小、低温韧性好、切削加工性能好,可作为渗碳件和截面较大的调质件。由于汽车行业生产的自动化程度较高,采用流水线自动生产,对材料的要求较高。国内外对Mn-Cr系齿轮钢要求纯净度高、表面质量好、尺寸公差窄、冷加工性能好、组织均匀、晶粒细小、淬透性带窄等。目前,国内对Mn-Cr系齿轮钢要求钢中氧含量控制在20ppm以下,一些高端用户要求钢中的氧含量≤15ppm;淬透性带为4个HRC。为保证齿轮钢产品质量,现有技术中的生产工艺主要有:
公开号:CN102517521A,名为“一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法”的专利介绍了一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法,其组成按质量百分数为:C:0.25~0.30%、Si:≤0.12%、Mn:0.60~0.80%、Cr:0.80~1.10%、P:≤0.035%、S:0.020~0.050%、Al:0.020~0.055、[O]≤20ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。但未提及钢中Al/N的配比要求。
公开号:CN101864540A名为“一种含微量Ti的20MnCr5棒材”的专利介绍了20MnCr5包括以下成份:C:0.15%~0.22%,Cr:1.00%~1.30%,Mn:1.10%~1.50%,Ti:0.010%~0.015%,Si:≤0.40%,P:≤0.035%,S:≤0.035%,Al:0.015%~0.050%,余量是Fe。该成分配比可以减少钢中氮化铝的生产量,进而减少铸坯在生产20MnCr5棒材时出现裂纹的现象,从而提高棒材成品表面质量,提高探伤合格率。但加入Ti后,容易生产硬而脆的TiN夹杂,影响齿轮的疲劳寿命。
《河北冶金》中2015年2月公开的“铝氮比对轿车用渗碳钢晶粒混晶的影响”文献中介绍的组分重量百分比(Wt%)为:C:0.17%~0.22%,Si:0.15%~0.40%,Mn:1.10%~1.40%,Cr:Cr:1.00%~1.30%,S:0.015%~0.035%,P:≤0.020%、Al:0.020%~0.045%的20MnCr5钢,钢中的铝含量≥0.025%且[Al]/[N]≥3时,能够保证在930℃保温6h的热处理工艺下不发生混晶现象。但该品种Si控制较高,齿轮渗碳过程中晶间易发生氧化的问题,影响渗碳质量,同时钢中合金含量控制范围较宽,不利于淬透性窄带化控制。
公开号CN105039867A名为“一种加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法”的专利介绍了C:0.18%~0.21%,Si:≤0.12%,Mn:1.25%~1.35%,Cr:1.16%~1.24%,P:≤0.020%,S:0.020%~0.030%,Al:0.025%~0.045%,N:0.0060%~0.0100%,还包括如下重量百分比(Wt%)的残余成分:Ni:≤0.10%,Cu:≤0.10%,B≤0.0003%,[O]≤15*10-6;剩余的为Fe和一些其它微量残余元素。但未提及钢中Ni对钢的力学性能。
以上提供的Mn-Cr系齿轮钢的生产方法不利于同时满足高纯净度、窄淬透性、性能稳定性要求。
发明内容
本发明的目的是:为解决现有N及AL/N控制不稳定,S成分的精确控制及A类夹杂物控制,组织不均匀,性能不稳定等问题。
为克服上述生产技术缺点,本发明提供一种纯净度高、淬透性窄、性能稳定、易加工且生产成本低的16MnCrS5齿轮钢及其制造产方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种16MnCrS5齿轮钢,其包括按重量百分数计的如下元素:
C:0.14%~0.19%、Mn:1.00%~1.30%、Cr:1.00%~1.20%、Si:≤0.25%、Ni:0.10~0.40%、N:0.0060%~0.0150%、Al:0.020%~0.045%,余量为铁和不可避免的杂质元素,其中,P:≤0.020%、S:0.020%~0.040%、As≤0.04%、Sn≤0.02%、Sb≤0.010%、Pb≤0.008%、Bi≤0.010%、B≤0.0003%,Nb≤0.01%,Ti≤0.01%,[O]≤15×10-6
作为优选方案,所述Al和N的重量百分数之比不小于3。
根据产品具体性能要求,各元素内控范围为,C:目标值±0.01%,Mn、Cr合金元素:目标值±0.04%,残余有害元素尽可能低。
成分设计理由或原理:
碳:是提高钢强度的主要元素,极大提高材料的淬透性。保证一定的强度必须一定的碳含量,但是碳元素对塑性不利。保证碳含量稳定,控制范围为目标值±0.01%,保证淬透性稳定且范围较窄。
锰:锰在钢中起固溶强化、细化晶粒的作用来提高强度,能显著提高淬透性;但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点,锰的含量控制在1.00~1.30%能在本发明钢中发挥良好的作用。
硅:在钢中能显著提高屈服强度,但是硅的增加,齿轮渗碳过程中晶间易发生氧化的问题,影响渗碳质量,控制≤0.25%的硅含量,提高材料韧性。
铬:可以增大奥氏体的过冷能力,提高淬透性,同时细化组织,得到强化的效果。同时,铬能发挥一定的耐腐蚀性能,还对冲击韧性有良好的影响。1.00~1.20%铬能起到上述的有益作用。
镍:可以增大奥氏体的过冷能力,提高淬透性,同时细化组织,得到强化的效果。同时,镍还对冲击韧性有良好的影响。0.10~0.40%镍能起到上述的有益作用。
铝:属于细化晶粒元素。铝元素与上述元素配合可进一步细化晶粒,增加淬透性,并提高强韧性。但经验表明过多的铝易增加钢中夹杂物产生的机会,因此0.020~0.045%铝的是本发明钢适宜的含量。
氮:和铝结合,形成AlN,主要分布于晶界,起到钉扎晶界阻止晶粒长大以细化晶粒。因此控制N含量在0.0060%~0.0150%,可以形成足够的AlN。
同时磷、铅、锑、铋在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量,以减少原奥氏体晶界处的偏聚,提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平,使钢具有相当高的纯净度,提高材料的疲劳性能。碳元素与各元素之间达到理想的最佳配比含量,并且保证成分的稳定性和均匀性,从而为材料的窄带化控制和后续加工生产的批量稳定生产奠定了基础。
一种如前述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其包括如下步骤:
S1:按照16MnCrS5齿轮钢的元素计量比配料,采用电炉冶炼及炉外精炼,得到钢水。
电炉终点控制要求:C(%)≥0.03%、P≤0.015%,目标温度(℃)=1600~1680。
LF炉全程检测N含量;分批补加石灰;渣面脱氧用SiFe粉C粉;Ar气压力控制以钢水不翻出渣面为原则。吊包温度不低于1680℃
S2:将所述钢水进行VD真空脱气,随后进行连铸,得到连铸坯;
进泵时间力争≤8min,66.7Pa时间≥10min,VD完毕喂Al、S、吹N、吊包前喂SiCa线。
中间包过热度按20~40度控制,连铸拉速控制控制在0.50~0.60m/min。
S3:将所述连铸坯进行加热开坯及坯料处理后,加热轧制,得到所述16MnCrS5齿轮钢。
连铸坯加热,总加热时间不低于240min;高温段加热温度为1200~1280℃,控制钢坯在高温段时间40~120min。冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
对轧坯进行加热,控制加热温度为1180~1260℃,总加热时间不低于180min,终轧温度950-1020℃,制得16MnCrS5齿轮钢材。
作为优选方案,步骤S1的具体操作为:
采用电炉冶炼,氧化期流渣去P,拉渣干净,出渣毕加脱氧剂、石灰,化渣均有;终点[C]=0.10~0.15%、[P]≤0.012%、[Si]≤0.05%,出钢温度1640~1680℃;
LF炉造碱性渣,分批补加石灰,确保炉渣流动性良好,渣色变白,渣面脱氧用硅铁粉、碳粉,同时控制氩气压力,以钢水不翻出渣面为准;将S脱至≤0.010%情况下加硅石调整碱度。
取初样后根据钢水成分喂入铝线及合金,抽气前将Al调整到0.030%;同时按目标成分调整到位,同时按该钢种的专用淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包,吊包温度1640-1680℃。
作为优选方案,步骤S2的具体操作为:
对钢水进行真空脱气处理,在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于15min,退泵后根据分析结果决定是否吹氮及吹氮时间,根据分析结果及内控成分要求喂铝线、钙线、硫线,保证底吹氩弱搅拌时间不低于10分钟,真空保持Ar压力0.20-0.40MPa。按淬透性计算程序SEP1664(如SEP1664:2009)计算成分合格后才可以吊包;
中间包过热度按25~35度控制,拉速控制控制在0.55~0.60m/min,同时采用液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电池搅拌技术,使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注;连铸坯进行缓冷处理,要求铸坯入坑温度≥650℃,出坑温度≤180℃,缓冷时间>48h。
作为优选方案,步骤S3具体包括如下操作:
对缓冷处理后的连铸坯进行加热,总加热时间不低于240min;高温段加热温度为1220~1260℃,控制钢坯在高温段时间50~100min,使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长,铸坯出炉后采用高压水除鳞保证轧坯表面质量;冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
对轧坯进行加热,控制加热温度为1200~1240℃,总加热时间不低于180min,轧坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净;终轧温度950-980℃,在轧制结束后送上冷床冷却,按照合同要求长度进行定尺剪切,制得16MnCrS5齿轮钢材。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、成分优化设计,发明钢制成的齿轮具有精确的末端淬透性窄控制,良好的疲劳性能及稳定的力学性能。各工序严格按照目标成分进行控制,同时按该钢种的专用淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包,确保钢的成分精准化、钢材的带化;
2、LF造碱度渣,有效提高钢的洁净度,使钢中夹杂物弥散、细小分布;通过VD对钢水进行真空脱气处理,在小于66.7Pa真空度以下处理时间≥10min,保证底吹氩弱搅拌时间≥10分钟。除了钢中有害气体[H]、保证夹杂物充分上浮。提高钢材的洁净度;
3、采用低过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电池搅拌及氩气保护浇注等技术,保证钢材成分及组织的均匀性,
铸坯进行加热温度为1240±20℃,总加热时间≥240min,控制钢坯在高温段时间50~100min,使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长,铸坯出炉后采用高压水除鳞保证轧坯表面质量;冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
4、其控制方法与常规控制方法比具有工序成本低的优势。通过冶炼、轧制钢坯加热工艺、定尺工艺的综合控制实现低成本生产性能稳定、表面质量良好的16MnCrS5齿轮钢。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种如前述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其包括如下步骤:
S1:按照16MnCrS5齿轮钢的元素计量比配料,具体组成分别如表1、5和9中所示,采用电炉冶炼及炉外精炼,得到钢水。
电炉终点控制要求:C(%)≥0.03%、P≤0.015%,目标温度(℃)=1600~1680。
LF炉全程检测N含量;分批补加石灰;渣面脱氧用SiFe粉C粉;Ar气压力控制以钢水不翻出渣面为原则。吊包温度不低于1680℃
S2:将所述钢水进行VD真空脱气,随后进行连铸,得到连铸坯;
进泵时间力争≤8min,66.7Pa时间≥10min,VD完毕喂Al、S、吹N、吊包前喂SiCa线。
中间包过热度按20~40度控制,连铸拉速控制控制在0.50~0.60m/min。
S3:将所述连铸坯进行加热开坯及坯料处理后,加热轧制,得到所述16MnCrS5齿轮钢。
连铸坯加热,总加热时间不低于240min;高温段加热温度为1200~1280℃,控制钢坯在高温段时间40~120min。冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
对轧坯进行加热,控制加热温度为1180~1260℃,总加热时间不低于180min,终轧温度950-1020℃,制得16MnCrS5齿轮钢材。
作为优选方案,步骤S1的具体操作为:
采用电炉冶炼,氧化期流渣去P,拉渣干净,出渣毕加脱氧剂、石灰,化渣均有;终点[C]=0.10~0.15%、[P]≤0.012%、[Si]≤0.05%,出钢温度1640~1680℃;
LF炉造碱性渣,分批补加石灰,确保炉渣流动性良好,渣色变白,渣面脱氧用硅铁粉、碳粉,同时控制氩气压力,以钢水不翻出渣面为准;将S脱至≤0.010%情况下加硅石调整碱度。
取初样后根据钢水成分喂入铝线及合金,抽气前将Al调整到0.030%;同时按目标成分调整到位,同时按该钢种的专用淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包,吊包温度1640-1680℃。
作为优选方案,步骤S2的具体操作为:
对钢水进行真空脱气处理,在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于15min,退泵后根据分析结果决定是否吹氮及吹氮时间,根据分析结果及内控成分要求喂铝线、钙线、硫线,保证底吹氩弱搅拌时间不低于10分钟,真空保持Ar压力0.20-0.40MPa。按淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包;
中间包过热度按25~35度控制,拉速控制控制在0.55~0.60m/min,同时采用液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电池搅拌技术,使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注;连铸坯进行缓冷处理,要求铸坯入坑温度≥650℃,出坑温度≤180℃,缓冷时间>48h。
作为优选方案,步骤S3具体包括如下操作:
对缓冷处理后的连铸坯进行加热,总加热时间不低于240min;高温段加热温度为1220~1260℃,控制钢坯在高温段时间50~100min,使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长,铸坯出炉后采用高压水除鳞保证轧坯表面质量;冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
对轧坯进行加热,控制加热温度为1200~1240℃,总加热时间不低于180min,轧坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净;终轧温度950-980℃,在轧制结束后送上冷床冷却,按照合同要求长度进行定尺剪切,制得16MnCrS5齿轮钢材。
实施例1
表1 16MnCrS5化学成分(Wt,%)
元素 C Si Mn P S Cr Ni Al O N
实例1 0.164 0.11 1.17 0.008 0.024 1.02 0.11 0.028 0.0018 0.0123
本实施例制备的16MnCrS5齿轮钢的低倍组织性能、高倍组织性能和力学性能分别如表2、3和4所示。
表2 16MnCrS5低倍组织性能
表3 16MnCrS5高倍组织性能
表4 16MnCrS5力学性能
实施例2
表5 16MnCrS5化学成分(Wt,%)
元素 C Si Mn P S Cr Ni Al O N
实例2 0.152 0.15 1.14 0.007 0.028 1.03 0.16 0.032 0.0014 0.0103
本实施例制备的16MnCrS5齿轮钢的低倍组织性能、高倍组织性能和力学性能分别如表6、7和8所示。
表6 16MnCrS5低倍组织性能
表7 16MnCrS5高倍组织性能
表8 16MnCrS5力学性能
实施例3
表9 16MnCrS5化学成分(Wt,%)
元素 C Si Mn P S Cr Ni Al O N
实例3 0.155 0.14 1.12 0.007 0.025 1.05 0.13 0.030 0.0018 0.0101
本实施例制备的16MnCrS5齿轮钢的低倍组织性能、高倍组织性能和力学性能分别如表10、11和12所示。
表10 16MnCrS5低倍组织性能
表11 16MnCrS5高倍组织性能
表12 16MnCrS5力学性能
综上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用来限定本发明实施的范围,凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰,均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种16MnCrS5齿轮钢,其特征在于,包括按重量百分数计的如下元素:
C:0.14%~0.19%、Mn:1.00%~1.30%、Cr:1.00%~1.20%、Si:≤0.25%、Ni:0.10~0.40%、N:0.0060%~0.0150%、Al:0.020%~0.045%,余量为铁和不可避免的杂质元素,其中,P:≤0.020%、S:0.020%~0.040%、As≤0.04%、Sn≤0.02%、Sb≤0.010%、Pb≤0.008%、Bi≤0.010%、B≤0.0003%,Nb≤0.01%,Ti≤0.01%,[O]≤15×10-6
2.如权利要求1所述的16MnCrS5齿轮钢,其特征在于,所述Al和N的重量百分数之比不小于3。
3.一种如权利要求1和2中任意一项所述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:按照16MnCrS5齿轮钢的元素计量比配料,采用电炉冶炼及炉外精炼,得到钢水;
S2:将所述钢水进行真空脱气后,进行连铸,得到连铸坯;
S3:将所述连铸坯进行加热开坯及坯料处理后,加热轧制,得到所述16MnCrS5齿轮钢。
4.如权利要求3所述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其特征在于,步骤S1的具体操作为:
采用电炉冶炼,氧化期流渣去P,拉渣干净,出渣毕加脱氧剂、石灰,化渣均有;终点[C]=0.10~0.15%、[P]≤0.012%、[Si]≤0.05%,出钢温度1640~1690℃;
炉外精炼时造碱性渣,分批补加石灰,确保炉渣流动性良好,渣色变白,渣面脱氧用硅铁粉、碳粉,同时控制氩气压力,以钢水不翻出渣面为准;
取初样后根据钢水成分喂入铝线及合金,按目标成分调整到位,同时按该钢种的专用淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包,吊包温度不低于1680℃。
5.如权利要求3所述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其特征在于,步骤S2的具体操作为:
对钢水进行真空脱气处理,在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于10min,退泵后根据分析结果决定是否吹氮及吹氮时间,根据分析结果及内控成分要求喂铝线、钙线、硫线,保证底吹氩弱搅拌时间不低于10分钟。同时按该钢种的专用淬透性计算程序SEP1664计算成分合格后才可以吊包,吊包温度不低于1580℃;
采用不低于35℃的过热度、根据不同坯型严格控制恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电池搅拌技术,使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注;连铸坯进行缓冷处理,要求铸坯入坑温度≥650℃,出坑温度≤180℃,缓冷时间>48h。
6.如权利要求3所述的16MnCrS5齿轮钢的生产方法,其特征在于,步骤S3具体包括如下操作:
对缓冷处理后的连铸坯进行加热,加热温度为1220~1260℃,总加热时间不低于240min,控制钢坯在高温段时间50~100min,使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长,铸坯出炉后采用高压水除鳞保证轧坯表面质量;冷却后对轧坯表面进行检查,有缺陷的地方予以清除;
对轧坯进行加热,控制加热温度为1200~1240℃,总加热时间不低于180min,轧坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净;控制轧制温度,在轧制结束后送上冷床冷却,按照合同要求长度进行定尺剪切,制得16MnCrS5齿轮钢材。
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