CN109402517A - 一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法，属于齿轮钢技术领域。该齿轮钢化学元素的质量百分数为：碳：0.15‑0.25wt％；硅：0.05‑0.1wt％；锰：0.3‑0.8wt％；磷：0.03wt％以下；硫：0.01wt％以下；铬：0.8‑1.5wt％；铌：0.01‑0.05wt％；硼：0.0005‑0.003wt％；余量由铁和不可避免的杂质。轧制工艺上还需要满足：使用低温精轧+大变形量+轧后缓冷。优点在于，可以省略冷锻前的软化退火处理和冷锻后的正火处理，且能保证经过常规工艺渗碳后其晶粒不发生粗化，并达到齿轮要求的各种特性。

Description

一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法
技术领域
本发明属于齿轮钢技术领域，特别是提供了一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法。
背景技术
齿轮传统的加工方法是利用热锻毛坯通过滚齿、插齿、铣齿、刨齿等方法切削而成。切削加工的方法材料利用率低、加工工时长、生产成本高，最重要的是将毛坯的锻造流线切断而使齿轮的力学性能降低。
为了克服齿轮切削加工的种种缺点，各国学者将注意力集中到了齿轮精锻成形上来。冷锻成形工艺不仅具有节材、节能、成本低、效率高等显著优势，而且冷精锻齿轮因金属流线沿齿廓分布且组织致密，使得齿轮的强度、齿面的耐磨能力、热处理性能和啮合噪声都比切削加工的齿轮优越。与切削加工比较，冷精锻齿轮的强度可提高20％，抗弯疲劳寿命可提高20％，热处理变形减少30％，生产成本降低20％以上。用精锻工艺快速生产高质量的齿轮已经成为全球趋势。
尽管齿轮冷锻有许多优点，但是也存在一些问题。1)冷锻齿轮时，金属是在冷态下发生塑性变形，变形抗力很大，过大的变形抗力会严重降低模具的寿命。目前采用球化退火的方式降低轧材的硬度，退火时间往往十几小时，甚至几十小时，大幅增加了成本，降低了生产效率。2)冷锻后，渗碳淬火后粗晶组织产生等问题。目前采用二次淬火来解决粗晶问题，同样提高了成本。
因此，需要研发一种免退火冷锻钢材，其变形抗力小，变形能力强，渗碳时晶粒不易粗大。此外，对钢材的合金化、纯洁度、尺寸公差以及表面质量等均有特殊要求。免退火冷锻齿轮钢的开发和使用，不仅使冷锻生产效率有很大提高，更主要是从材料上充分满足了冷锻的工艺要求，提高了冷锻工艺水平，降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种免退火冷锻齿轮钢及其制备方法。
本发明免退火冷锻齿轮钢具有以下的成分及重量百分比：碳：0.15-0.25wt％；硅：0.05-0.1wt％；锰：0.3-0.8wt％；磷：0.03wt％以下；硫：0.01wt％以下；铬：0.8-1.5wt％；铌：0.01-0.05wt％；硼：0.0005-0.003wt％；余量由铁和不可避免的杂质构成。
本发明新型免退火冷锻齿轮钢的制备工艺步骤如下：
(1)钢坯常温入炉，加热温度控制在1150℃-1200℃，加热时间为设定为1.5-2.5h；
(2)开轧温度为1050℃-1100℃，出加热炉后采用高压水除磷，除磷水压力采用18-22Mpa，确保表面铁皮有效去除，避免后续氧化铁皮压入等表面缺陷产生；
(3)精轧机温度设定为850℃-950℃，精轧机组变形量总变形量30％-60％，根据不同的规格，优选总变形量区间宜为40-60％。一方面Nb合金的形变诱导析出，细化原始奥氏体晶粒，另一方面采用控轧控冷，积累后续组织转变所需的形变能，控制组织状态。
(4)精轧后冷速建议采用0-2℃/s的冷速冷却，最佳的冷速区间为0-0.5℃/s，可以考虑再冷床上加保温罩，同时采取措施减少冷床附近的空气对流以减小棒材的冷却速度，以获得最佳的组织状态；
(5)上冷床后亦可采用入缓冷坑进行保温缓冷工艺，入缓冷坑温度为550-650℃，出坑温度低于250-300℃，以使钢材在较缓慢的冷速下完成珠光体转变，避免出现组织异常。
本发明的渗碳齿轮钢及其涉及成分配方的理论依据如下所述：
常规的齿轮热锻工艺流程中需要两次热处理，一次是在锻成齿坯之前，为了降低坯料的变形抗力，需要将坯料加热到1200℃左右，在高温下对坯料进行热加工；第二次是对冷锻后工件进行正火处理，以改善切削性和渗碳晶粒度。
为了降低生产成本、提高生产效率和锻件质量，国内外研究人员进行了大量研究。比较通用的方式是采用冷锻，即在室温下进行加工，其成材率高、成型尺寸精度好，要求钢种具有较高的变形能和低的变形抗力，通常使用Cr钢、CrMo钢等。但目前的生产过程中，冷锻之前还需要对轧材坯料进行软化退火，以降低坯料的变形抗力，而且冷锻后工件也需进行正火，以消除冷锻导入的加工应变。因此对其生产成本的降低有限，对生产过程的简化也打了折扣。
本钢种是一种新型免退火冷锻齿轮钢，成分中降低了铁素体强化元素Si和Mn的含量，来降低坯料的变形抗力；添加了Nb元素，从而在对冷锻后的工件进行渗碳时，通过其析出相的钉扎作用，阻止奥氏体晶粒的长大，保证热处理变形较小；添加了B元素，弥补因Si、Mn元素的降低造成的淬透性下降，并满足成品齿轮的使用性能。
本发明工艺方法上的特点是低温精轧+增大变形量+轧后缓冷。轧材的组织为铁素体+珠光体。降低精轧温度，铁素体率提高，轧材硬度降低，可有效降低变形抗力，当形变温度处于850-950℃之间，尤其是900℃左右时，铁素体组织符合预期效果，轧材硬度也比较低。当变形量大于50％时，在变形的奥氏体晶界和晶粒内部会形成大量的位错和变形带，积聚巨大的应变能，在后续缓冷的条件下，使相变后组织中铁素体比例提高，珠光体比例降低，从而得到比较理想的组织和硬度的配比。
采用本发明成分的钢在制造齿轮时，可以省略冷锻前的软化退火处理和冷锻后的正火处理，且能保证经过常规工艺渗碳后其晶粒不发生粗化，并达到齿轮要求的各种特性。
附图说明
图1为本发明钢与20Cr钢的淬透性曲线对比图。
图2为本发明钢与20Cr、球化退火态20Cr的应力-应变曲线对比图。
图3为本发明钢在930℃保温1h后的晶粒状态。
图4为20Cr钢在930℃保温1h后的晶粒状态。
图5为球化退火态20Cr钢在930℃保温1h后的晶粒状态。
图6为本发明钢在930℃保温6h后的晶粒状态。
图7为20Cr钢在930℃保温6h后的晶粒状态。
图8为球化退火态20Cr钢后在930℃保温6h后的晶粒状态。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1：本实施例中，采用齿轮钢的组成成分及其重量百分比如下：
C 0.18％，Si 0.07％，Mn 0.5％，Cr 1.1％，Nb0.02％，B0.0015％，
P 0.01％，S 0.01％，Fe余量。
本实施例中，齿轮钢的轧制工艺过程和步骤如下：
(1)钢坯常温入炉，加热温度控制在1150℃，加热时间为2h；
(2)开轧温度为1050℃，轧制前采用高压水除磷；
(3)轧制规格为125×125mm的小方坯，导卫和轧槽重新更换，保证表面质量；
(4)轧件进入精轧机温度为900℃，精轧机组变形量55％，精轧后冷速0.45℃/s，冷床上加保温罩；
(5)入缓冷坑温度大于520℃，出坑温度280℃。
对上述齿轮钢样品作性能测试，同时与20Cr及球化退火后的20Cr进行性能对比。
20Cr的成分如下表所示：
成分(wt％) C Si Mn P S Cr Al
20Cr 0.2 0.25 0.7 0.015 0.015 0.9 0.02
20Cr的球化退火工艺：790℃保温1.5小时，炉冷至690℃保温3小时，炉冷至600℃，出炉缓冷。
对比结果如下：
(1)新型齿轮钢硬度：HV154；20Cr硬度：HV161；球化退火20Cr：HV152。
(2)淬透性：根据《GBT 5216-2014保证淬透性结构钢》和《GBT 225-2006钢淬透性的末端淬火试验方法》设计试验。附图1为本发明钢与20Cr钢的淬透性曲线对比图。从图中可看出，本发明钢的淬透性满足国家标准，并优于20Cr。
(3)冷变形抗力：将试样加工成Ф10×20mm的小样，在液压万能材料试验机上进行冷顶锻试验，分别压缩至1/3位置处，观察试样冷变形情况，同时得到真实应力-应变曲线。附图2为本发明钢与20Cr、球化退火态20Cr的应力-应变曲线对比图。从图中可以看出，发明钢在变形中的应力低于20Cr，说明其冷变形能力优于20Cr，且发明钢在冷变形过程中的应力情况更接近球化退火态20Cr。
(4)模拟渗碳后晶粒度：选择渗碳温度为930℃，对冷变形后的试样进行模拟渗碳处理。将1/3顶锻的试样分别在930℃保温1h和6h后水冷，在金相显微镜下观察奥氏体晶粒的变化。附图3为本发明钢与20Cr、球化退火态20Cr在模拟渗碳后晶粒状态。从对比图片可以看出，发明钢在变形量1/3、保温1h和6h后均可以保持细晶，但20Cr及其球化退火态试样的组织中则出现了混晶。

Claims (4)

1.一种免退火冷锻齿轮钢，其特征在于，具有以下的成分及重量百分比：碳：0.15-0.25wt％；硅：0.05-0.1wt％；锰：0.3-0.8wt％；磷：0.03wt％以下；硫：0.01wt％以下；铬：0.8-1.5wt％；铌：0.01-0.05wt％；硼：0.0005-0.003wt％；余量为铁和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述齿轮钢的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
(1)钢坯常温入炉，加热温度控制在1150℃-1200℃，加热时间为设定为1.5-2.5h；
(2)开轧温度为1050℃-1100℃，出加热炉后采用高压水除磷，除磷水压力为18-22Mpa，确保表面铁皮有效去除，避免后续氧化铁皮压入表面缺陷产生；
(3)精轧机温度设定为850℃-950℃，精轧机组变形量总变形量30％-60％，一方面Nb合金的形变诱导析出，细化原始奥氏体晶粒，另一方面采用控轧控冷，积累后续组织转变所需的形变能，控制组织状态；
(4)精轧后冷速采用0-2℃/s的冷速冷却，在冷床上加保温罩；
(5)上冷床后采用入缓冷坑进行保温缓冷工艺，入缓冷坑温度为550-650℃，出坑温度低于250-300℃，以使钢材在较缓慢的冷速下完成珠光体转变，避免出现组织异常。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中总变形量区间为40-60％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的冷速区间为0-0.5℃/s。
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