CN111482567A - 一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺。包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯加热、轧制和冷却工序，所述连铸工序后，进行铸坯角部修磨，修磨完成后进行铸坯加热，加热炉加热段温度1080～1120℃，均热段温度1090～1130℃，加热时间120‑160min，加热炉残氧量≤5%。本发明生产的齿轮轴可满足用户直接冷加工成型，冷加工不出现开裂，极大的提高了用户加工正品率，降低用户因冷加工开裂造成的损失。

Description

一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺
技术领域
本发明涉及热轧齿轮轴的生产工艺，尤其涉及一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺。
背景技术
随着中国汽车行业的快速发展，汽车零部件需求量不断增加，冷锻技术逐步得到广泛的应用，对于一些小规格的齿轮轴不再采用传统的热加工成型后机加工方式生产，而是采用直接冷锻成型，减少了后续切削加工，生产效率高，提高了原材料成材率且加工工艺简单，既降低了制造成本，又缩短了生产周期，提高了经济效益，符合未来制造业发展趋势。
齿轮轴冷锻加工技术的快速发展，对原材料齿轮轴用钢也提出了更高的要求，要求热轧圆钢硬度适中、韧性好、显微组织无硬相组织、表面脱碳轻、无裂纹缺陷。普通工艺生产的热轧齿轮轴用钢硬度高，硬度一般在185-230HB之间，冷锻加工过程模具消耗量大；显微组织存在贝氏体、马氏体等硬相组织，冷锻加工过程锻件内部易产生内部裂纹；表面脱碳较为严重，脱碳层深度一般在1.5%D-2%D（D为圆钢直径），同时圆钢表面存在细小裂纹，冷锻加工过程中锻件表面易出现开裂。因此，采用普通工艺生产的热轧齿轮轴用钢冷锻过程开裂率高，开裂后造成工件报废，增加了用户生产成本，已不能满足冷锻加工需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，生产的齿轮轴可满足用户直接冷加工成型，冷加工不出现开裂，极大的提高了用户加工正品率，降低用户因冷加工开裂造成的损失。
本发明所采用的技术方案为：
一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯加热、轧制和冷却工序，所述连铸工序后，进行铸坯角部修磨，修磨完成后进行铸坯加热，加热炉加热段温度1080～1120℃，均热段温度1090～1130℃，加热时间120-160min，加热炉残氧量≤5%。
上述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，所述连铸工序，铸坯下线避风堆冷不少于12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度10-20mm。
上述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，所述铸坯加热工序，出加热炉后除鳞水压≥18MPa；所述轧制工序，开轧温度1020～1060℃，终轧温度控制在890～930℃；所述冷却工序，圆钢下线堆垛缓冷温度不低于350℃，圆钢避风堆冷不低于12小时。
上述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，所述转炉冶炼工序，控制终点成分碳为0.08-0.12wt%，控制终点成分磷≤0.012wt%；LF精炼工序白渣保持时间15～30分钟；RH精炼工序真空度在60Pa及以下，纯脱气时间10～15min，软吹时间10～15min；连铸工序采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，连浇包钢水温度1520～1540℃，拉速控制在1.10±0.1m/min，开启结晶器电磁搅拌，电流350±10A、频率3.0±0.3Hz；开启末端电磁搅拌，电流250±10A、频率8.0±0.3Hz。
上述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，所述热轧齿轮轴用钢化学成分的重量百分含量分别为：C 0.16％～0.18％、Si 0.18％～0.25％、Mn 0.90％～0.96％、Cr 1.08％～1.14％、Ti 0.04％～0.06％、S≤0.008％、P≤0.015％、Als 0.015％～0.030％、Ca 0.0015％～0.0030％、Ni≤0.03％、Mo≤0.03％、B≤0.0006％、O≤0.0015％、N≤0.0045％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，所述连铸坯端面尺寸为200mm×200mm，所述热轧齿轮轴成品直径为Φ20mm～Φ32mm；显微组织为铁素体和珠光体。
本发明工艺设计思路如下：
本发明化学成分采用低碳、低磷、低氮、铝微合金化设计，四种元素相互协调配合为热轧齿轮轴用钢获得良好的韧塑性奠定了基础。目前齿轮轴用钢技术条件大都执行GB/T5216-2014，国标规定C 0.17～0.23wt％、P≤0.030wt％，国标对N含量、Als含量没有明确规定，按国标生产的圆钢更适合于热锻加工。碳是影响钢材强度、硬度、韧性最重要的元素，较高的碳含量增加钢材强度、硬度，降低钢材的韧性，不利于钢材冷加工变形，太低的碳含量又不能保证钢材获得足够的强度。通过采用V型冲击实验对比研究在相同生产工艺条件下碳含量分别为0.16wt％～0.18wt％和0.19wt％～0.23wt％圆钢的冲击功，实验结果显示碳含量为0.16wt％～0.18wt％的圆钢冲击功值为165-190J，而碳含量为0.19wt％～0.23wt％圆钢的冲击功值为70-105J，可见碳含量为0.16wt％～0.18wt％的圆钢具有很好的韧性，更适合于冷锻加工，同时碳含量为0.16wt％～0.18wt％的圆钢经880℃淬火、200℃回火后，仍具有很高的强度，抗拉强度为1150-1230MPa，兼顾强度和韧性，本发明碳含量设计不同于国标，设计C 0.16wt％～0.18wt％。磷增加钢材的冷脆性，降低钢的塑性和韧性，恶化钢材冷加工性能，控制太低的磷含量会显著增加生产制造成本，在满足用户冷锻需求的同时兼顾生产制造成本，设计P≤0.015wt％；氮提高钢材强度和硬度，降低钢材韧性和塑性，特别是在形变时效的情况下，塑性和韧性的降低比较显著，不利于冷加工变形，本发明不同于国标，对氮含量进行了限制，设计N≤0.0045wt％；铝可显著细化晶粒，从而提高钢材韧性，改善钢材冷加工性能，较低的铝含量起不到细化晶粒的作用，而过高的铝含量虽然能显著细化晶粒，但同时易在钢中生成脆性夹杂物氧化铝，氧化铝在冷锻变形中极易成为裂纹源引起工件开裂，本发明设计Als 0.015wt％～0.030wt％。
本发明铸坯下线进行角部修磨处理，是圆钢获得无缺陷高表面质量的关键。热轧齿轮轴用钢在连铸过程中由于结晶器冷却、二冷配水、拉速、钢水液面波动、结晶器振动、保护渣性能等工艺波动的影响，铸坯角部往往产生大量深浅不一的裂纹。铸坯在加热轧制后，铸坯角部部分较深的裂纹会保留在热轧齿轮轴用钢表面。如果圆钢在用户使用过程采用热锻加工，热锻后工件表面要进行车削加工，热轧齿轮轴用钢表面微裂纹就会被车削掉，从而不影响工件的使用。如果圆钢在用户使用过程采用冷锻加工，则热轧齿轮轴用钢表面微裂纹就会成为裂纹源出现开裂，造成锻件报废。因此本发明对热轧齿轮轴用钢铸坯下线后进行角部修磨处理，铸坯角部修磨处理后可避免因热轧齿轮轴用钢表面存在微裂纹而出现冷锻开裂。通过采用冷顶锻实验研究铸坯角部不同修磨量对圆钢表面质量的影响，结果显示铸坯角部修磨后角部斜边长度小于10mm轧制的圆钢冷顶锻后，顶锻试样表面仍然存在轻微开裂，而铸坯角部修磨后角部斜边长度为10-20mm轧制的圆钢冷顶锻后，顶锻试样表面完好、无裂纹，同时考虑太大的修磨量会降低成材率，因此本发明设计铸坯角部修磨后，角部斜边长度为10-20mm。
本发明采用加热温度、轧制温度、加热时间、残氧量、缓冷温度高匹配性协调设计，是圆钢获得低硬度、轻表面脱碳、细小均匀的铁素体、珠光体组织的根本保障。由于Φ20mm～Φ32mm小规格圆钢轧后冷速快，易形成贝氏体、马氏体硬相组织，不利于冷锻变形，需要对轧后冷速进行控制。为了降低小规格冷速，通常采用轧制过程圆钢穿水冷却来降低终轧温度，从而达到降低冷速目的。由于轧制过程穿水冷却，在小规格圆钢表面很容易形成贝氏体、马氏体硬相组织，不利于冷锻变形。本发明采用降低铸坯在加热炉加热温度，从而降低了开轧温度、终轧温度，实现了降低圆钢轧后冷速，避免了圆钢轧后形成硬相组织。较低的加热温度、开轧温度、终轧温度配合较短的加热时间和较低的残氧量，可显著减轻圆钢表面脱碳深度，有利于冷锻加工成型，同时较低的加热温度、开轧温度、终轧温度可显著细化晶粒，提高圆钢韧塑性。圆钢下线进行堆垛缓冷，进一步降低了热轧圆钢硬度、提高了圆钢塑性，有利于冷锻成型。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明铸坯端面尺寸200mm×200mm，生产的规格为Φ20mm～Φ32mm的热轧齿轮轴用钢具有表面质量高、硬度低、韧塑性好等特点，硬度165-190HB，显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面总脱碳层深度不大于0.8D%，可满足用户直接冷加工成型，冷加工齿轮轴不出现开裂，极大的提高了用户加工正品率，降低了用户因冷加工开裂造成的损失。
以下通过具体实施例对本发明做进一步详细的说明：
实施例1：生产Φ20mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.16％、Si 0.21％、Mn0.92％、Cr 1.09％、Ti 0.05％、S 0.005％、P 0.013％、Als 0.018％、Ca 0.0030％、Ni0.03％、Mo 0.01％、B 0.0004％、O 0.0010％、N 0.0036％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.10wt%，终点成分磷0.010wt%；LF精炼白渣保持时间15分钟；RH精炼真空度33Pa，纯脱气时间15min，软吹时间12min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1531℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流360A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流250A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度13mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1080～1115℃，均热段温度1090～1120℃，加热时间120min，加热炉残氧量3.5%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1025℃，终轧温度控制在890℃；圆钢下线堆垛缓冷温度350℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度179-190HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.7D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。
实施例2：生产Φ22mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.17％、Si0.25％、Mn 0.90％、Cr 1.10％、Ti 0.04％、S 0.008％、P 0.012％、Als 0.015％、Ca0.0021％、Ni 0.02％、Mo 0.01％、B 0.0006％、O 0.0015％、N 0.0040％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.08wt%，终点成分磷0.010wt%；LF精炼白渣保持时间25分钟；RH精炼真空度26Pa，纯脱气时间12min，软吹时间10min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1520℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流350A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流240A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度10mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1080～1110℃，均热段温度1090～1115℃，加热时间150min，加热炉残氧量4.0%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1020℃，终轧温度控制在895℃；圆钢下线堆垛缓冷温度355℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度175-189HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.8D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。
实施例3：生产Φ25mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.16％、Si0.18％、Mn 0.95％、Cr 1.08％、Ti 0.06％、S 0.003％、P 0.015％、Als 0.030％、Ca0.0018％、Ni 0.02％、Mo 0.03％、B 0.0005％、O 0.0011％、N 0.0045％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.09wt%，终点成分磷0.012wt%；LF精炼白渣保持时间30分钟；RH精炼真空度40Pa，纯脱气时间11min，软吹时间13min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1535℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流350A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流250A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度16mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1085～1115℃，均热段温度1095～1120℃，加热时间160min，加热炉残氧量5.0%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1030℃，终轧温度控制在915℃；圆钢下线堆垛缓冷温度380℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度171-185HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.7D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。
实施例4：生产Φ28mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.17％、Si0.22％、Mn 0.96％、Cr 1.12％、Ti 0.05％、S 0.006％、P 0.011％、Als 0.026％、Ca0.0015％、Ni 0.03％、Mo 0.03％、B 0.0004％、O 0.0008％、N 0.0038％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.12wt%，终点成分磷0.009wt%；LF精炼白渣保持时间20分钟；RH精炼真空度45Pa，纯脱气时间10min，软吹时间15min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1540℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流340A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流260A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度20mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1090～1120℃，均热段温度1105～1130℃，加热时间130min，加热炉残氧量3.5%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1060℃，终轧温度控制在930℃；圆钢下线堆垛缓冷温度390℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度169-183HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.6D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。
实施例5：生产Φ30mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.17％、Si0.21％、Mn 0.92％、Cr 1.10％、Ti 0.05％、S 0.003％、P 0.010％、Als 0.021％、Ca0.0018％、Ni 0.03％、Mo 0.01％、B 0.0004％、O 0.0006％、N 0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.12wt%，终点成分磷0.008wt%；LF精炼白渣保持时间28分钟；RH精炼真空度23Pa，纯脱气时间13min，软吹时间15min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1526℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流350A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流250A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度12mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1080～1105℃，均热段温度1090～1110℃，加热时间120min，加热炉残氧量3.5%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1022℃，终轧温度控制在895℃；圆钢下线堆垛缓冷温度380℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度165-172HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.3D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。
实施例6：生产Φ32mm齿轮轴用钢经转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯角部修磨工序得到200mm×200mm合格铸坯。铸坯化学成分的重量百分含量为：C 0.18％、Si0.20％、Mn 0.91％、Cr 1.14％、Ti 0.05％、S 0.005％、P 0.012％、Als 0.020％、Ca0.0016％、Ni 0.03％、Mo 0.01％、B 0.0005％、O 0.0009％、N 0.0033％，余量为Fe和不可避免的杂质。转炉冶炼终点成分碳0.11wt%，终点成分磷0.010wt%；LF精炼白渣保持时间22分钟；RH精炼真空度60Pa，纯脱气时间11min，软吹时间13min；连铸采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，钢水温度1529℃，拉速1.10m/min，结晶器电磁搅拌电流350A、频率3.0Hz，末端电磁搅拌电流250A、频率8.0Hz，铸坯下线避风堆冷12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度15mm。
铸坯在加热炉加热，依次经过除鳞、轧制、剪切、收集、打捆、堆垛缓冷等工序。加热炉加热段温度1085～1115℃，均热段温度1105～1125℃，加热时间125min，加热炉残氧量4.0%；铸坯出炉后除鳞水压18MPa，开轧温度1055℃，终轧温度控制在920℃；圆钢下线堆垛缓冷温度395℃，圆钢避风堆冷12小时。经检验，圆钢硬度165-179HBW，圆钢表面总脱碳层深度0.4D%，圆钢显微组织为铁素体和珠光体，圆钢表面质量良好。

Claims (6)

1.一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、铸坯加热、轧制和冷却工序，其特征在于：所述连铸工序后，进行铸坯角部修磨，修磨完成后进行铸坯加热，加热炉加热段温度1080～1120℃，均热段温度1090～1130℃，加热时间120-160min，加热炉残氧量≤5%。
2.如权利要求1所述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，其特征在于：所述连铸工序，铸坯下线避风堆冷不少于12小时；铸坯缓冷后角部进行修磨处理，修磨后角部斜边长度10-20mm。
3.如权利要求1所述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，其特征在于：所述铸坯加热工序，出加热炉后除鳞水压≥18MPa；所述轧制工序，开轧温度1020～1060℃，终轧温度控制在890～930℃；所述冷却工序，圆钢下线堆垛缓冷温度不低于350℃，圆钢避风堆冷不低于12小时。
4.如权利要求1所述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，其特征在于：所述转炉冶炼工序，控制终点成分碳为0.08-0.12wt%，控制终点成分磷≤0.012wt%；LF精炼工序白渣保持时间15～30分钟；RH精炼工序真空度在60Pa及以下，纯脱气时间10～15min，软吹时间10～15min；连铸工序采用全过程保护浇注，结晶器使用低碳钢保护渣，连浇包钢水温度1520～1540℃，拉速控制在1.10±0.1m/min，开启结晶器电磁搅拌，电流350±10A、频率3.0±0.3Hz；开启末端电磁搅拌，电流250±10A、频率8.0±0.3Hz。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，其特征在于：所述热轧齿轮轴用钢化学成分的重量百分含量分别为：C 0.16％～0.18％、Si0.18％～0.25％、Mn 0.90％～0.96％、Cr 1.08％～1.14％、Ti 0.04％～0.06％、S≤0.008％、P≤0.015％、Als 0.015％～0.030％、Ca 0.0015％～0.0030％、Ni≤0.03％、Mo≤0.03％、B≤0.0006％、O≤0.0015％、N≤0.0045％，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.如权利要求1所述的一种改善热轧齿轮轴用钢冷加工开裂的生产工艺，其特征在于：所述连铸坯端面尺寸为200mm×200mm，所述热轧齿轮轴成品直径为Φ20mm～Φ32mm；显微组织为铁素体和珠光体。
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