CN110284057B - 一种高强度长寿命齿轮钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种高强度长寿命齿轮钢，该钢经淬火和低温回火处理后，抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ‑1≥750MPa。通过检验化学元素对抗拉强度、冲击韧性的贡献进行大量数据回归分析，重新设计化学成分使齿轮钢的抗拉强度和疲劳强度获得显著的提高，按质量百分比计％包括C0.22～0.32、Si0.17～0.37、Mn0.55～1.55、P≤0.015、S≤0.030、Cr0.60～1.65、Mo0.15～0.45、Ni0.65～1.65、Cu0.02～0.25、Al0.02～0.035、Nb0.01～0.06、B0.0003～0.0006。

Description

一种高强度长寿命齿轮钢

技术领域

本发明涉及铁基特钢冶金技术领域，具体涉及一种齿轮钢。

背景技术

汽车工业是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，西方发达国家都具有较高的汽车制造技术，发动机是汽车核心部件，发动机的性能直接决定汽车性能。齿轮钢主要用于发动机扇形齿轮和齿板的加工材料，作为重要的受力部件，承受巨大的扭距、冲击，受力状态特别复杂。要求材料具有极高的强度指标，良好的冲击韧性指标。φ20毛坯试样，在淬火+低温回火状态下(淬火：890℃±10℃，保温45分钟、油淬；回火：180℃±10℃，保温150分钟，空冷)，要求材料的抗拉强度Rm≥1650MPa，延伸率≥7％，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa。

目前国内外常用齿轮钢品种有Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列、CrNi系列、CrMnTi系列，φ20毛坯试样，淬火+低温回火后的强度指标在750-1150MPa，远远达不到汽车齿轮、齿板用户对材料的性能要求。

材料的强度、硬度指标和冲击韧性指标是相反的，存在此消彼长、相互制约的关系。一般来说，材料的强度、硬度指标越高，冲击韧性指标越低。而韧性指标是和材料的拉压疲劳强度σ-1息息相关，对于齿轮、齿板这类特殊零件而言，拉压疲劳强度σ-1比韧性更具有性能表征疑义。有相应的研究指出，提高材料的冲击韧性，有利于提高材料的疲劳强度。本材料(齿轮钢)的开发难度在于，既要大幅度提高材料的强度指标，又要保证材料良好的冲击韧性指标。

而检索当前国内外相关研究报告，齿轮材料在淬火+低温回火状态下，抗拉强度Rm≥1650MPa，，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa的研究还是空白。

为了开发汽车领域中核心零件：齿轮、齿板的高品质加工材料，有助于提高我国汽车领域在核心零件方面的竞争力。

发明内容

基于目前国内外齿轮钢的性能和生产现状，本申请发明人能够生产出一种淬透性好，经淬火和低温回火后材料的抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa，在相同的渗碳淬火条件下，得到合适的渗碳层深度和最佳的渗碳层含碳量，保证较好的接触疲劳寿命、良好的渗碳层的断裂韧性。

而要获得上述材料，需要对齿轮钢的化学成分作出创新改进：

通过检验C、Mn、Cr、Mo、Ni对抗拉强度、冲击韧性的贡献(或影响力)进行大量数据回归分析。数据回归分析采用单项因子方法和多项因子方法结合的方式。通过大量试验数据来分析比对不同系列的齿轮钢品种(：Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列、CrNi系列、CrMnTi系列)，不同合金元素对抗拉强度、冲击韧性指标的贡献。根据分析比对结果，重新设计化学成分，最后对化学成分进行实验验证，化学成分再修正，得到如下成分的高强度长寿命齿轮钢成分，依据该成分生产(包含淬火+低温回火)出的齿轮钢具有更高抗拉强度和拉压疲劳强度σ-1，获得一种高强度长寿命的高品质齿轮钢。

上述齿轮钢的化学成分遵循如下设计：

本发明中C的作用是提高钢的淬透性、提高钢的强度，相比其他合金成分，C对淬透性、强度的提高最为明显，但随着C的提高，零件在热处理后心部冲击韧性会恶化出现显著下降。为了保证零件心部冲击韧性，C优选0.25-0.29％。

本发明中合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo的设计成分是为了提高钢的淬透性，经过数据回归分析可知：合金元素对淬透性的贡献最大的是Mn、Cr，Mo、Ni Si对淬透性的贡献次之。

经过多次成分和强度、冲击韧性指标的试验分析，确定了合金元素的含量。

Mn的作用是提高钢的淬透性，提高钢淬回火后的强度。

Cr的作用是提高钢的淬透性，提高钢淬回火后的强度。Cr的另一个作用是和C形成碳化物，提高渗碳速度，提高渗碳层深度，提高渗碳层碳浓度。

Mo是强C化物形成元素，Mo的主要作用和Cr相近，提高渗碳速度，提高渗碳层深度，提高渗碳层碳浓度，Mo的另一个作用是抑制渗碳层表面氧化，从而提高渗碳层的冲击断裂抗力和过载疲劳抗力，一般重要用途的齿轮钢材料，都会加一点Mo。

Ni是非碳化物形成元素，它在钢材中的作用除了提高淬透性外，和Cr、Mo的作用相反，在相同的渗碳条件下，它降低渗碳层C浓度和渗碳层深度，Ni和其他元素Cr、Mo配合，保证渗碳层合适的碳浓度，从而改善渗碳层的韧性。Ni的另一个作用是提高钢的冲击韧性，最终提高材料的对称拉压疲劳强度σ-1。

Al是钢中的脱氧元素，铝和钢水中的氧结合生成Al₂O₃上浮到渣中，从而降低钢水中的氧含量，Al的另一个作用是细化晶粒，通过添加一部分Al,通过合适的加热、轧制、冷却制度，可确保齿轮在长时间渗碳时奥氏体不长大，从而提高渗碳层和基体的强度和韧性，提高对称拉压疲劳强度σ-1。

P是钢中的有害元素，P特别容易在晶界偏聚，降低晶界的强度和韧性，对最终淬火+低温回火后的材料冲击韧性有非常不利的影响，最终影响材料的疲劳性能，本发明对P要严格控制，控制P≤0.015，P优选≤0.010％，更优选≤0.008％。

B比P更易于在晶界偏聚，B的作用是在晶界把P挤出去，提高晶界的强度和韧性，提高材料的冲击韧性指标。本发明对B要加以控制，控制B:0.0003-0.0006％。

Nb的作用和Al相近，它主要是通过和Al的配合，在钢中形成NbC的质点，由于NbC的质点熔解温度高，它和AlN相互配合，通过合适的加热、轧制、冷却制度。进一步细化奥氏体晶粒尺寸的大小。有相关文献指出，通过细化奥氏体晶粒，可大幅提高材料的对称拉压疲劳强度σ-1。

NbC在钢中的存在形式，主要是钢加热时NbC熔解，冷却时NbC析出。NbC在加热超过一定温度，Nb和C分别熔入γ-Fe.在冷却到一定温度区间，以NbC的质点析出在钢中，在后道齿轮长时间渗碳保温时，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化奥氏体晶粒。经相关研究，析出的质点大小、形态、弥散程度，对细化奥氏体区别很大。

根据相关研究，NbC在钢中的固熔温度和Nb的含量有关，有研究表明Nb含量在0.039％时，Nb在钢中的固熔温度是1150℃。含Nb钢在900-1100℃，NbC大量析出。基于该特点，本申请进一步限定如下工艺。

①轧前加热工艺，把连铸坯加热至1150-1240℃，保温时间≥3小时，加热温度，保温时间的设定，将加热的最低温度设置在1150℃以上，使NbC、AlN充分熔解。

②轧制工艺，开轧温度不低于1050℃，终轧温度950℃以上，将开轧和终轧温度限定在NbC大量析出温度范围的比端点温度还要缩进50℃的小范围内，有利于消除轧制压缩对钢坯温度的影响，确保轧制时NbC、AlN的大量充分析出，细化奥氏体晶粒。

③冷却，轧后空冷，不可窜水冷却(水冷)，使在控轧结束后仍保证钢中NbC、AlN在≥950℃有足够时间析出，钢板轧后出现反温，使NbC、AlN持续析出，若轧后水冷，对钢板尤其是钢板的近表面产生骤冷作用，不利于NbC、AlN析出，抑制析出强化作用，并恶化钢板厚度方向的均匀性，影响钢板的强度指标。

综上，奥氏体晶粒得到细化，显著提高了材料的对称拉压疲劳强度σ-1。

本发明对H严格控制，H导致的延迟断裂对高强钢特别敏感，除了在冶炼过程中加强真空脱气外，在钢材轧制下线后，及时扩H退火，保证最终H≤0.5PPM。

本发明的特点在于：

对于齿轮钢而言，其钢品种较多，分Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列、CrNi系列、CrMnTi系列，对应的化学成分也是多种多样，不同钢种齿轮钢的元素组合中存在相同或不同的元素，不同钢种中相同元素对应含量的上下限取值又不同并存在部分重合的现象。对于现有技术人员而言，齿轮钢的化学成分多种多样，当行业对齿轮钢提出了新的性能指标，就性能指标针对性的重新设计化学成分包括元素的选择，元素含量的设定以及结合工艺的改进非常必要。

本申请针对齿轮钢材料在热处理后具有抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa的新指标，齿轮钢的化学成分重新设计，并结合新的化学成分对轧制的加热、控轧工艺、轧后冷却作出适应性匹配。从而达到特殊组织的齿轮钢，经淬火和低温回火处理后，具有优异的抗拉强度和疲劳强度。

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。

实施例1

熔炼40吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，制作截面尺寸200mm×200mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按质量百分比计包括：C：0.25％，Si：0.26％，Mn：0.85％，P≤0.008％，S≤0.006％，Cr：1.35％，Mo：0.21％，Al：0.022％，Nb：0.035％，Ni：0.75％，Ti：0.0004％，Cu：0.12％，N：0.0074％，O：0.0009％，B：0.0006％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

把连铸坯加热至1180-1240℃，保温3小时以上，不低于1050℃开轧，轧制成φ48mm的圆钢，终轧温不低于950℃，钢材下线后15小时内扩H退火，扩H退火后取样热处理，检验。

①从1/2半径上取φ20*200mm作为热处理毛坯；

②热处理方式：淬火：加热至890℃±10℃，保温45分钟，室温下油淬；回火：加热至180℃±10℃，保温150分钟，空冷；

力学性能：抗拉强度Rm：1678MPa/1667MPa/1685MPa.对称拉压疲劳强度指50％存活率，N＝10⁷周次的条件疲劳极限σ-1＝795MPa。

实施例2

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，制作截面尺寸200mm×200mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C：0.26％，Si：0.27％，Mn：0.86％，P≤0.010％，S≤0.003％,Cr：1.36％，Mo：0.25％，Al：0.020％，Nb：0.033％，Ni：0.80％，Ti：0.0008％，Cu：0.12％，N：0.0068％，O：0.0010％,B：0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

把连铸坯加热至1150-1200℃，保温3小时以上，1080℃开轧，终轧温度≥950℃，轧制成φ48，钢材下线后15小时内扩H退火，扩H退火后取样热处理，检验。

①从1/2半径上取φ20*200mm作为热处理毛坯；

②热处理：淬火加热890℃±10℃，保温45分钟，室温油淬；回火加热温度180℃±10℃，保温150分钟，空冷；

力学性能：抗拉强度Rm 1688MPa/1665MPa/1675MPa,对称拉压疲劳强度指50％存活率，N＝10⁷周次的条件疲劳极限σ-1＝789MPa。

实施例3

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，制作截面尺寸300mm×340mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C：0.26％，Si：0.26％，Mn：0.86％，P≤0.008％，S≤0.006％,Cr：1.38％，Mo：0.21％，Al：0.022％，Nb：0.033％，Ni：1.15％，Ti：0.0004％，Cu：0.06％，N：0.0078％，O：0.0008％，B：0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

把连铸坯加热至1150-1240℃，保温4.5小时以上，1050℃开轧，终轧温度不低于950℃，轧制成φ48，轧后空冷，钢材下线后15小时内扩H退火，扩H退火后取样热处理，检验。

①从1/2半径上取φ20*200mm作为热处理毛坯；

②热处理：加热至890℃±10℃，保温45分钟，油淬(室温)；低温回火，加热温度180℃±10℃，保温150分钟，空冷；

力学性能：抗拉强度Rm 1678MPa/1687MPa/1685MPa。对称拉压疲劳强度指50％存活率，N＝10⁷周次的条件疲劳极限σ-1＝826MPa。

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 (3)

1.一种高强度长寿命齿轮钢，其特征在于：该钢经淬火和低温回火处理后，抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa，其中淬火：890℃±10℃，保温45分钟、油淬；回火：180℃±10℃，保温150分钟，空冷；

钢的化学成分按质量百分比计为

；

制备方法是以符合化学成分的连铸方坯或浇铸方坯为钢坯，把钢坯加热至1150-1240℃，保温3小时以上；然后轧成圆钢，控制开轧温度不低于1050℃，终轧温度950℃以上；轧后空冷，不可水冷。

2.根据权利要求1所述的高强度长寿命齿轮钢，其特征在于：所述C含量为0.25～0.29%。

3.根据权利要求1所述的高强度长寿命齿轮钢，其特征在于：轧制下线后，在15小时内作扩H退火。