CN111471929B - 无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢及其生产方法，它的化学成分按重量百分比计为：C：≤0.10wt％、Si：0.70～0.80wt％、Mn：1.35～1.55wt％、Al：3.1～3.9wt％、P≤0.01wt％、S≤0.01wt％、Ni：0.1～0.3wt％、Ti：0.02～0.03wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明引入无碳化物贝氏体钢，采用一种高硅、含铝的全新成分体系和生产工艺，全面革新了齿轮钢成分体系、金相组织，为新一代齿轮钢发展提供了一种全新的解决方案，实现了齿轮钢免调质处理和近乎无变形的开创性结果。

Description

无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及齿轮钢及其生产方法，属于汽车零部件用钢(长材)及其生产方法，具体涉及一种无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢及其生产方法。
背景技术
伴随着中国制造业的快速崛起尤其是国内汽车工业的蓬勃发展，我国已成为世界第一齿轮制造大国，齿轮产业的持续发展极大地带动齿轮钢的需求。齿轮钢的使用范围较广，除轿车、货车、客车、农用车、摩托车等车辆制造业外，铁路、船舶、工程机械中的使用量也较大，是保证安全的核心部件制造材料。
齿轮是精密的机械部件，通常需经锻造、切削加工成齿后再进行渗碳淬火，其制造、装配精度对振动、噪音以及轮齿使用寿命有很大影响。齿轮在工作时，长期受到变载荷的冲击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用，还受到加工精度、装配精度、外来硬质点的研磨等多种因素的影响，是极易损坏的零件，因此要求制造齿轮的齿轮钢有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性。
当前，齿轮钢以中低碳合金钢为主，为提高齿的强度、硬度和耐磨性，成形后的齿轮部件需经过调质处理(高温渗碳+淬火)，不仅工艺流程长、能耗高(数据显示，齿轮调质工序费用占零部件加工费用的30％以上)，并且热处理工艺参数(加热温度、时间，渗碳工艺等诸多因素)直接影响齿轮的性能，而热处理中难以把控的变形(淬火形成马氏体，导致体积膨胀引起宏观变形)更是制约了齿轮质量进一步提升。因此，性能更优异、成本更低廉且环境友好型的齿轮钢需求日益迫切。
近年，高性能新型钢种研发出现了新的亮点，2004年Bhadeshia等人发现的无碳化物贝氏体钢(又称：超级贝氏体钢、纳米贝氏体钢等)，其组织由细长的贝氏体铁素体和富碳薄膜状的残余奥氏体交替组成，贝氏体组织中的铁素体与母相呈半共格关系，低温转变带来的细晶组织以及铁素体内部的微细结构和高密度位错共同决定了钢的高强度；而残奥属于面心立方结构，其滑移系多，能缓解应力集中，属于软相，显著提高了无碳化物贝氏体钢的韧性。
现有技术检索分析：齿轮钢主要是GB/T 3077、GB/T 5216或 AISI、EN等标准中的固定牌号或进行成分微调，其热轧态组织：铁素体+珠光体；调质后组织：回火马氏体，C含量通常在0.15％～ 0.45％并含有一定量的Cr、Ni、Mo、V、W等。公开号CN106967931 的中国发明专利公开了一种20Cr2Ni4齿轮钢及其生产工艺，其在传统成分基础上，将Mo的质量百分含量调整为0.15～0.30％，以满足用户对淬透性、晶粒度、热强性等要求。公开号CN100569983 的中国发明专利公开了一种Cr-Mn-Ti齿轮钢的制备方法，在考虑确保齿轮钢强度和疲劳极限的角度，该专利是将传统20CrMnTiH％中Ti含量进行下调，调整为0.01～0.038％。公开号CN109972024 的中国发明专利公开了一种齿轮钢钢棒用钢及其制备方法和钢棒的制备方法，其化学成分为：0.17％～0.24％C，0.85％～1.07％Mn， 0.19％～0.30％Si，0.98％～1.10％Cr，0.05％～0.10％Mo，0.15％～ 0.25％Ni，0.01％～0.05％Al，≤0.02％P，≤0.02％S。公开号 CN108531804的中国发明专利公开了一种铝镇静齿轮钢及其硫化物形貌控制方法，其化学成分为：0.15％～0.25％C，0.40％～ 1.60％Mn，0.05％～0.40％Si，0.8％～2.0％Cr，0～0.60％Mo，0～ 2.00％Ni，0.015％～0.06％Al，≤0.015％P，0.015％～0.040％S， 0.005％～0.040％Te,0.008％～0.015％[N]，≤0.0015％T.0，≤ 0.25％Cu。当前，齿轮钢专利文献均是针对现有产品或工艺的改进，生产中均要通过调质处理并且未能从根本上解决齿轮钢面临的强韧性、变形性的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有克服当前齿轮钢普遍存在的调质工序能耗大、淬火热处理变形控制难等不足，本发明引入无碳化物贝氏体钢，采用一种高硅、含铝的全新成分体系和生产工艺，全面革新了齿轮钢成分体系、金相组织，提供了一种无碳化物贝氏体的免调质齿轮钢及其生产方法，实现了齿轮钢免调质和近乎无变形的开创性结果。用于该钢制备的齿轮静音性、寿命等均超过20CrNiMo，降低了用户使用能耗和成本。另外，该钢为全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其中作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命。同时，由于不存在淬火变形的问题(无调质工序)，齿轮外形尺寸可以实现精准控制，提高了齿轮静音性、改善了受力状况并因此带来一系列优势。
为实现上述目的，本发明所设计一种无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢，所述钢的化学成分按重量百分比计为：C：≤0.10wt％、 Si：0.70～0.80wt％、Mn：1.35～1.55wt％、Al：3.1～3.9wt％、P≤0.01 wt％、S≤0.01wt％、Ni：0.1～0.3wt％、Ti：0.02～0.03wt％，其余为Fe及不可避免的杂质
进一步地，所述钢的化学成分按重量百分比计为：C：≤0.08 wt％、Si：0.75～0.80wt％、Mn：1.45～1.55wt％、Al：3.5～3.9wt％、 P≤0.01wt％、S≤0.01wt％、Ni：0.15～0.3wt％、Ti：0.025～0.03 wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
再进一步地，所述钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.05 wt％、Si：0.78wt％、Mn：1.50wt％、Al：3.7wt％、P：0.005wt％、 S：0.006wt％、Ni：0.20wt％、Ti：0.028wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
再进一步地，所述免调质齿轮用钢的轧态性能达到：抗拉强度为1100MPa～1300MPa，屈服强度为950MPa～1100MPa，断后延伸率为12％～40％，断面收缩率为50～80％，冲击功为60J～85J。
本发明还提供了一种上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度控制在850℃～950℃区间，并以3～6S-1的变形速率，进行最后 10％变形量的轧制，终轧温度≤850℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本发明相关工作机理如下：
C：碳是钢中重要的组成元素，对齿轮钢强度和塑性影响最显著。增加C含量会增加强度、降低韧性，延长无碳化物贝氏体相变时间，因此为平衡两者的要求，本发明与现有技术不同，创新性采用了超低碳的成分体系，改变了传统齿轮钢主要依赖碳含量提高强度的现状。本发明碳含量为≤0.10wt％。
Si：硅是钢中强化元素并能够抑制碳化物的形成，促进无碳化物贝氏体的形成，并且齿轮在工作中啮合面会产生高温，因此需要抗软化能力，也需要提高Si含量，但过量的Si会导致钢质边脆。因此综合分析，本发明Si含量控制在0.70～0.80wt％。
Mn：适量的锰可以提高强度和淬透性，可获得尺寸细小的板条贝氏体；另外，锰与硫结合生成MnS，进而减轻硫的危害，但过高的锰会增加钢材的过热敏感性，使热处理时晶粒容易长大。本发明Mn含量控制在1.35～1.55wt％。
Al：本发明中铝的作用主要是抑制碳化物的形成，促进无碳化物贝氏体的形成，是成分体系中的关键元素，可以显著缩短贝氏体相变时间，将常规需要几个小时乃至几天的相变过程缩短至满足工业生产的要求，但过高的铝对会造成冶炼连铸困难。本发明Al： 3.1～3.9wt％。
P、S：磷和硫在本钢种属于有害元素，磷容易产生冷脆，硫容易产生热脆，进而恶化钢丝拉拔和热处理加工条件，因此需要尽量降低其含量。本发明P≤0.01wt％、S≤0.01wt％。
Ni：能扩大奥氏体相区，提高冲击韧性，改善钢的耐腐蚀性，但Ni属于贵金属，使用成本较高，因此综合考虑本发明Ni：0.1～ 0.3wt％。
Ti：Ti对无碳化物贝氏体相变具有促进作用，并且在热轧动态再结晶过程能显著细化晶粒，但过量的Ti会造成TiCN颗粒粗大，失去细化晶粒作用并对齿轮钢疲劳寿命有害。本发明Ti：0.02～0.03 wt％。
轧制工艺(在850℃～950℃温度区间以3～6S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度≤850℃；轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h)：依据低温小变形可以加速无碳化物贝氏体的转变量，并显著缩短无碳化物贝氏体转变时间，有利于获得板条宽度约200nm的无碳化物贝氏体组织以提高强韧性。
本发明的有益效果：
本发明创造性的引入无碳化物贝氏体钢，采用一种高硅、含铝的全新成分体系和生产工艺，全面革新了齿轮钢成分体系、金相组织，为新一代齿轮钢发展提供了一种全新的解决方案，实现了齿轮钢免调质处理和近乎无变形的开创性结果。本专利以当前电动汽车用齿轮钢20CrNiMo性能为目标，开发出一种免调质齿轮用钢及生产方法，用其制备的齿轮静音性、寿命等均超过20CrNiMo，降低了用户使用能耗和成本。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命。同时，由于不存在淬火变形的问题(无调质工序)，齿轮外形尺寸可以实现精准控制，提高了齿轮静音性、改善了受力状况并因此带来一系列优势。
附图说明
图1为无碳化物贝氏体微观组织；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
实施例1
无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢1，其化学成分按重量百分比计为：C：0.05wt％、Si：0.78wt％、Mn：1.50wt％、Al：3.7wt％、 P：0.005wt％、S：0.006wt％、Ni：0.20wt％、Ti：0.028wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢1的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢1，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度为880℃，并以4S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度为850℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本实施例所制备的免调质齿轮用钢1，轧态性能达到：抗拉强度1150MPa，屈服强度980MPa，断后延伸率15％，断面收缩率55％，冲击功65J，各项力学性能全面优于对标钢种20CrNiMo调质后的性能，该钢种通过常规锻造后不需要经过调质处理，即可精加工成最终的成品齿轮，具有近乎零变形和节能环保的特点。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命和安全性。
实施例2
无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢2，其化学成分按重量百分比计为：C：0.03wt％、Si：0.73wt％、Mn：1.38wt％、Al：3.6wt％、 P：0.005wt％、S：0.004wt％、Ni：0.22wt％、Ti：0.024wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢2的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢2，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度为910℃，并以4S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度为800℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本实施例所制备的免调质齿轮用钢2，轧态性能达到：抗拉强度1200MPa，屈服强度1050MPa，断后延伸率25％，断面收缩率 65％，冲击功70J，各项力学性能全面优于对标钢种20CrNiMo调质后的性能，该钢种通过常规锻造后不需要经过调质处理，即可精加工成最终的成品齿轮，具有近乎零变形和节能环保的特点。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命和安全性。
实施例3
无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢3，其化学成分按重量百分比计为：C：0.03wt％、Si：0.74wt％、Mn：1.46wt％、Al：3.4wt％、 P：0.007wt％、S：0.005wt％、Ni：0.15wt％、Ti：0.026wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢3的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢3，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度为930℃，并以4S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度为830℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本实施例所制备的免调质齿轮用钢3，轧态性能达到：抗拉强度1200MPa，屈服强度1000MPa，断后延伸率32％，断面收缩率 70％，冲击功70J，各项力学性能全面优于对标钢种20CrNiMo调质后的性能，该钢种通过常规锻造后不需要经过调质处理，即可精加工成最终的成品齿轮，具有近乎零变形和节能环保的特点。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命和安全性。
实施例4
无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢4，其化学成分按重量百分比计为：C：0.08wt％、Si：0.75wt％、Mn：1.46wt％、Al：3.6wt％、 P：0.007wt％、S：0.006wt％、Ni：0.16wt％、Ti：0.025wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢4的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢4，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度为920℃，并以5S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度为840℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本实施例所制备的免调质齿轮用钢4，轧态性能达到：抗拉强度1250MPa，屈服强度1080MPa，断后延伸率30％，断面收缩率 75％，冲击功70J，各项力学性能全面优于对标钢种20CrNiMo调质后的性能，本发明钢种通过常规锻造后不需要经过调质处理，即可精加工成最终的成品齿轮，具有近乎零变形和节能环保的特点。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命和安全性。
实施例5
无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢5，其化学成分按重量百分比计为：C：0.06wt％、Si：0.72wt％、Mn：1.40wt％、Al：3.1wt％、 P：0.007wt％、S：0.007wt％、Ni：0.22wt％、Ti：0.024wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢5的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体的自强化齿轮用钢5，其中，
1)铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度为930℃，并以3S-1的变形速率，进行最后10％变形量的轧制，终轧温度为835℃；
2)轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
本实施例所制备的免调质齿轮用钢5，轧态性能达到：抗拉强度1200MPa，屈服强度1010MPa，断后延伸率28％，断面收缩率 80％，冲击功80J，各项力学性能全面优于对标钢种20CrNiMo调质后的性能，该钢种通过常规锻造后不需要经过调质处理，即可精加工成最终的成品齿轮，具有近乎零变形和节能环保的特点。另外，全新的新型金相组织---无碳化物贝氏体，其作为软相的残奥在应力作用下，发生TRIP效应形成马氏体减少裂纹的产生(微观组织通过相变可实现微裂纹的自我修复)，使得受力的区域强度变高、裂纹扩展收到抑制，显著提高了齿轮使用寿命和安全性。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢，其特征在于：所述钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.08 wt%、Si：0.75～0.80 wt%、Mn：1.45～1.55 wt %、Al：3.5～3.9 wt %、P≤0.01 wt %、S≤0.01 wt %、Ni：0.15～0.3 wt %、Ti：0.025～0.03 wt %，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，所述免调质齿轮用钢的轧态性能达到：抗拉强度为1100MPa～1300 MPa，屈服强度为950MPa～1100 MPa，断后延伸率为12%～40%，断面收缩率为50～80%，冲击功为60J～85 J。
2.根据权利要求1所述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢，其特征在于：所述钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.05 wt%、Si：0.78wt%、Mn：1.50 wt %、Al：3.7 wt %、P：0.005wt %、S：0.006 wt %、Ni：0.20 wt %、Ti：0.028 wt %，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.一种权利要求1所述无碳化物贝氏体的免调质齿轮用钢的生产方法，该方法根据上述化学成分按传统冶炼进行冶炼获得微观组织为无碳化物贝氏体，其特征在于：
1）铸坯过程中，经加热炉加热后进行控轧控冷：精轧阶段温度控制在850℃～950℃区间，并以3～6s-1的变形速率，进行最后10%变形量的轧制，终轧温度≤850℃；
2）轧后成品在缓冷坑，缓冷≥24h。
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