CN110565018B - 一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法 - Google Patents

一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法。通过成分优化控制、连铸工艺控制、轧制工艺控制以及退火工艺控制等多个工艺控制手段，控制此类钢种退火态带状组织不超过2.5级，同时退火硬度控制在160～240HBW之间。

Description

一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法
技术领域
本发明属于齿轮钢冶金制造技术领域，提供了一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法。
背景技术
在热轧态低碳钢显微组织中，铁素体晶粒与珠光体晶粒沿着轧制方向平行排列且形成层状或条带状分布形态，这称之为带状组织。对于齿轮钢而言，带状组织是一种很严重的内部缺陷，其破坏了钢基体的连续性，使力学性能出现各向异性，降低了横向性能；恶化了钢的切削性能，使齿轮表面光洁度降低；导致齿轮渗碳硬度不均匀、淬火变形不均匀，影响齿轮的使用寿命。因此，对于一般齿轮钢而言，一般要求其热轧态带状组织控制在2.5级以下即可。但对于高合金齿轮钢，由于热轧态硬度偏高(超过300HBW)，影响下游用户机加工，同时其在热轧态下组织为非平衡态组织，因此对于高合金齿轮钢，需进行退火处理，使其组织成为铁素体+珠光体类平衡态组织，带状组织也应保证退火态下带状组织级别不超过2.5级。由于退火处理其后续冷却速度远低于空冷或坑冷，因此退火态带状组织级别远高于热轧态带状组织级别。
本发明针对低碳高合金齿轮钢的特性，通过合理的成分及工艺优化控制，保证此类钢种退火态带状组织不超过2.5级，同时退火硬度控制在160～240HBW之间。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法。该控制方法可以控制此类钢种退火态带状组织不超过2.5级，同时退火硬度控制在160～240HBW之间。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
1)电炉冶炼+LF精炼+VD真空处理：
按重量百分比计，控制低碳高合金齿轮钢的化学终成分中，Si、Mn、Cr、P、Ni、Mo、Al、Cu满足公式系数1为2.90～3.10，公式系数1为2.24×Si-12×Mn-2.2×Cr+1050×P-3.04×Ni+12.6×Mo+8×Al-4×Cu；合金含量总量Si+Mn+Cr+Mo+Ni≥4.00％，且其中Ni≥1.40％；
2)连铸；
3)轧制：铸坯均热温度为1240～1280℃，均热时间≥2小时；开轧温度1145～1160℃，终轧温度950～960℃；
4)退火：退火温度为750±30℃，保温时间为4～8小时；钢材退火硬度控制在160～240HBW之间。
进一步地，低碳高合金齿轮钢的化学终成分重量百分比为：C:0.15～0.20％、Si:0.20～0.40％、Mn:0.50～0.70％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Cr:1.50～1.70％、Mo:0.25～0.35％、Ni:1.35～1.65％、Cu:0.01～0.05％、Al:0.020～0.050％。。
本发明中，Si、Mn、Cr、P、Ni、Mo、Al、Cu满足公式系数1控制在3.0左右，优选为2.90～3.10。
本发明中，齿轮钢组成成分中碳含量C：0.15～0.20％；合金含量总量Si+Mn+Cr+Mo+Ni≥4.00％，且其中Ni≥1.40％。
本发明的公式系数1优选的控制在2.90～3.10之间；电炉出钢过程中，硅锰、低锰、低铬、钼铁、镍铁合金量按控制要求所需合金总量的85％加入，后根据系数1的控制要求，剩余的15％合金加入量进行微调控制，并在精炼过程中加入。
本发明的步骤2)中，正常炉次中间包过热度控制在15～25℃，稳定生产节奏，连浇炉次(正常炉次)中间包温度差控制在5℃以下。
本发明的步骤3)中，根据铸坯尺寸，保证在铸坯中心处温度达到1250℃以上时，其保温时间还能保证在3小时以上。
本发明的步骤4)中，根据圆钢规格不一样，制定不同的退火工艺。在
Figure BDA0002214962370000021
Figure BDA0002214962370000022
规格范围退火工艺为加热温度为720～740℃，保温时间为4～5小时；在
Figure BDA0002214962370000023
规格范围退火工艺为加热温度为730～760℃，保温时间为5～6小时；在
Figure BDA0002214962370000024
规格范围退火工艺为加热温度为750～780℃，保温时间为6～8小时。同时优选的，圆钢退火硬度控制在180～220HBW。
根据本发明的一个优选实施例，所述控制方法包括以下步骤：
1)电炉冶炼+LF精炼+VD真空处理，齿轮钢终成分为C：0.16％、Si:0.24％、Mn:0.55％、P:0.013％、S:0.004％、Cr:1.63％、Mo:0.27％、Ni:1.47％、Cu:0.05％、Al:0.025％；系数1为2.93；
2)连铸，中间包过热度为22℃，坯型为260mm*300mm，拉速为0.53m/min；
3)轧制，铸坯均热温度为1264℃，均热时间为3.2小时，总加热时间为6小时，成材圆钢规格为
Figure BDA0002214962370000031
4)退火，退火温度为725℃，保温时间为4小时；钢材退火硬度为183/187/183HBW。
根据本发明的另一个优选实施例，所述控制方法包括以下步骤：
1)电炉冶炼+LF精炼+VD真空处理，齿轮钢终成分为C：0.17％、Si:0.23％、Mn:0.60％、P:0.014％、S:0.005％、Cr:1.65％、Mo:0.25％、Ni:1.50％、Cu:0.04％、Al:0.020％；系数1为2.98；
2)连铸，中间包过热度为20℃，坯型为
Figure BDA0002214962370000032
拉速为0.35m/min；
3)轧制，铸坯均热温度为1270℃，均热时间为4小时，总加热时间为10小时，成材圆钢规格为
Figure BDA0002214962370000033
4)退火，退火温度为740℃，保温时间为5小时；钢材退火硬度为183/192/197HBW。
根据本发明的再一个优选实施例，所述控制方法包括以下步骤：
1)电炉冶炼+LF精炼+VD真空处理，齿轮钢终成分为C：0.17％、Si:0.26％、Mn:0.51％、P:0.012％、S:0.003％、Cr:1.58％、Mo:0.28％、Ni:1.45％、Cu:0.02％、Al:0.032％；系数1为2.97；
2)连铸，中间包过热度为18℃，坯型为
Figure BDA0002214962370000034
拉速为0.24m/min；
3)轧制，铸坯均热温度为1275℃，均热时间为5.5小时，总加热时间为12小时，成材圆钢规格为
Figure BDA0002214962370000035
4)退火，退火温度为765℃，保温时间为6.5小时；钢材退火硬度为207/212/197HBW。
本发明还提供了根据上述生产方法生产的低碳高合金齿轮钢，所述齿轮钢的退火态带状组织级别低于2.5级，且退火态硬度控制在160～240HBW。
本发明采用成分优化控制、连铸工艺控制、轧制工艺控制以及退火工艺控制等多个工艺控制手段，提供了一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法，使退火态带状组织控制在2.5级以内，同时退火硬度控制在160～240HBW之间。
在成分优化控制方面，从带状组织产生的最根本原因出发，进行成分优化控制。带状组织是由于枝晶偏析导致的，但枝晶偏析只是表面现象，其最根本的原因是在于各元素的偏析导致了钢中枝晶和枝干部分Ar3温度不一致，进而影响了先共析铁素体形核时间与速率；在冷却过程中，Ar3温度较高的区域优先析出铁素体，随着温度的下降，此区域的碳元素向Ar3温度较低区域富集，最终此区域转变为珠光体，从而形成铁素体-珠光体带状组织。因此可以从降低各区域之间Ar3温度差方面着手进行带状组织控制。结合各元素在凝固过程中枝晶偏析情况、对Ar3温度的影响情况以及本钢种成分情况，得出系数1控制3.0左右，可较好的从源头上控制Ar3温度差，从而可实现对带状组织的控制。
在连铸工艺控制方面，优化连铸各项工艺参数，采用低过热度浇注、“三恒”操作(恒拉速、恒液面、恒温度)、加大末端电搅强度等控制手段来改善铸坯的枝晶偏析和促进合金元素的均匀化，可达到减轻带状组织的作用。同时为减少连浇过程中的非稳态时间，控制正常炉次相邻炉次中间包温度差在5℃以下。
在轧制工艺控制方面，由于圆钢成材后要进行退火处理，因此在轧制流程中不考虑轧后冷速对带状组织的影响。主要从轧制加热制度优化方面着手，适当提高加热温度和延长高温段保温时间，使铸坯中元素扩散更加充分、更加均匀，可以达到改善带状组织的作用。同时通过较长时间加热可以使钢中奥氏体晶粒长大，使铁素体形核核心减少，也可以达到改善带状组织的作用。根据研究，需在1250℃温度以上，保温时间达到3小时以上，才能达到改善带状组织的作用。但在实际生产中，加热炉所测量的温度为炉气温度，其不能代表铸坯整个截面的温度情况，因此需采用加热炉黑匣子技术，实测加热过程中本钢种各种坯型心部、表面等位置实际温度，来得到加热炉内铸坯实际的温度控制曲线，再制定相应的加热制度，从而保证各种坯型心部温度达到1250℃以上，均热保温时间还需控制在3小时以上。
在退火工艺控制方面，根据圆钢规格大小，对退火工艺进行优化；原则上是规格越大，加热温度更高、加热保温时间更长，可以更好的保证本钢种退火硬度批量稳定性。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
附图说明
图1为实施例1齿轮钢退火态带状组织图；
图2为实施例2齿轮钢退火态带状组织图；
图3为实施例3齿轮钢退火态带状组织图。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面结合实施例1-3对本发明作进一步说明。
实施例1-3
一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法，包括以下步骤：电炉冶炼—LF精炼—VD真空处理—连铸—轧制—退火。
为保证退火态带状组织控制在2.5级以内，同时退火硬度控制在160～240HBW之间，实施例1-3分别在成分控制、连铸工艺控制、轧制工艺控制以及退火工艺控制等方面采取的措施如下。成分控制见表1，确保系数1在2.90～3.10之间；连铸工艺控制见表2，改善铸坯均匀性；轧制工艺控制见表3，促进各合金元素均匀化扩散；退火工艺控制见表4。
实施例1-3所制得的齿轮钢退火态带状组织图见图1、图2、图3；其带状组织级别分别为2.0级、1.0级、2.0级，均为均匀的铁素体+珠光体类平衡态组织；退火硬度见表4。从此检验结果可看出，采用本发明方法可稳定控制低碳高合金齿轮钢退火态带状组织在2.5级以下，同时退火硬度控制在160～240HBW之间。
表1化学成分(重量，％)和系数1
Figure BDA0002214962370000051
表2主要连铸工艺参数
Figure BDA0002214962370000052
Figure BDA0002214962370000061
表3主要轧制工艺参数
Figure BDA0002214962370000062
表4主要退火工艺参数
Figure BDA0002214962370000063
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种改善低碳高合金齿轮钢退火态带状组织的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
1)电炉冶炼+LF精炼+VD真空处理：
按重量百分比计，控制低碳高合金齿轮钢的化学终成分中，Si、Mn、Cr、P、Ni、Mo、Al、Cu满足公式系数1为2.90～3.10，公式系数1为2.24×Si-12×Mn-2.2×Cr+1050×P-3.04×Ni+12.6×Mo+8×Al-4×Cu；合金含量总量Si+Mn+Cr+Mo+Ni≥4.00％，且其中Ni≥1.40％；
2)连铸；
3)轧制：铸坯均热温度为1240～1280℃，均热时间≥2小时；
4)退火：退火温度为750±30℃，保温时间为4～8小时；低碳高合金齿轮钢的退火态带状组织级别低于2.5级，退火硬度控制在160～240HBW之间；
低碳高合金齿轮钢的化学终成分重量百分比为：C:0.15～0.20％、Si:0.20～0.40％、Mn:0.50～0.70％、P:≤0.015％、S:≤0.005％、Cr:1.50～1.70％、Mo:0.25～0.35％、Ni:1.35～1.65％、Cu:0.01～0.05％、Al:0.020～0.050％；
所述步骤2)中，正常炉次中间包过热度控制在15～25℃，正常炉次中间包温度差控制在5℃以下；
所述步骤3)中，铸坯中心处温度达到1250℃以上时，保温3小时以上；
所述步骤4)中，
Figure FDA0002957013210000011
退火温度为720～740℃，保温时间为4～5小时；
Figure FDA0002957013210000012
退火温度为730～760℃，保温时间为5～6小时；
Figure FDA0002957013210000013
退火温度为750～780℃，保温时间为6～8小时。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，电炉出钢过程中，硅锰、低锰、低铬、钼铁、镍铁合金量按控制要求所需合金总量的85％加入，后根据系数1的控制要求，剩余的15％合金加入量进行微调控制，并在精炼过程中加入。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，低碳高合金齿轮钢的退火硬度控制在180～220HBW之间。
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