CN112063928A - 一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及特殊钢制造技术领域，具体涉及一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法，齿轮钢化学成分为C：0.17％‑0.23％，Si：0.18％‑0.30％，Mn：0.80％‑1.10％，Cr：1.00％‑1.20％，S≤0.030％，P≤0.030％，Ti：0.04％‑0.08％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.05％，O≤15ppm，H≤2ppm，N≤80ppm，RE：5‑150ppm，其余为铁和杂质；制备方法包括转炉冶炼、LF精炼处理、VD炉真空处理、连铸、轧制和钢材缓冷。本发明通过添加稀土净化齿轮钢杂质、细化表层组织，使齿轮钢淬透性和渗碳性得到明显提升。

Description

一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及特殊钢制造技术领域，具体涉及一种用于车辆制造、工程机械等的变速箱、齿轮、桥传动总成用的高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法。
背景技术
齿轮钢是对可用于加工制造齿轮的钢材的统称，20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢、40Cr、42CrMo、35CrMo等中碳合金钢都可以被称为齿轮钢。齿轮钢在汽车、铁路、船舶和工程机械领域应用广泛，常被用作保证安全的核心部件的制造材料。目前齿轮钢正朝向高洁净、高性能、低成本、易加工的方向发展，其中淬透性能和渗碳性能是两个非常重要的性能指标，这些性能是齿轮心部的硬度以及齿轮热加工后变形量大小的重要影响因素之一；而淬透性能不稳定，渗碳过程耗能高、时间长，渗碳层性能不理想等正是现阶段CrMnTi系齿轮钢面临的主要问题。
基于此，十分有必要提出一种新的高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法。
发明内容
针对现有齿轮钢淬透性能不稳定，渗碳过程耗能高、时间长，渗碳层性能不理想的技术问题，本发明提供一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢及其制备方法，通过向CrMnTi系齿轮钢中添加稀土的方式净化齿轮钢杂质、细化表层组织，确保了钢水成分充分均匀化、晶粒细化、带状组织均匀，从而保证齿轮钢产品的高洁净、高淬透性和高渗碳性，且质量稳定。
第一方面，本发明提供一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢，所述稀土CrMnTi系齿轮钢的化学成分及其质量百分比为：
C：0.17％-0.23％，Si：0.18％-0.30％，Mn：0.80％-1.10％，Cr：1.00％-1.20％，S≤0.030％，P≤0.030％，Ti：0.04％-0.08％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.05％，O≤15×10-6，H≤2×10-6，N≤80×10-6，RE：5×10-6-150×10-6，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述RE为La和Ce。
第二方面，本发明提供一种上述稀土CrMnTi系齿轮钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：严格控制终点C≥0.07％，P≤0.015％，出钢温度1600-1640℃，控制好终点出钢下渣；
(2)LF精炼处理：对步骤(1)制备好的钢包进行测温、取样，分批次加入调整好流动性的造渣材料，并逐步加入脱氧剂进行渣面扩散脱氧，精炼中后期根据渣的情况加入脱氧剂护好渣，精炼过程控制好精炼渣的碱度在3.0-6.0mmol/L范围内，精炼过程中不断吹入氩气并充分搅拌，促进钢渣反应令脱氧产物上浮，精炼过程逐步微调包括C、Si、Mn、Cr、Ti的各个元素，将出站成分调整到接近目标成分，确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时控制好氩气压，防止钢水翻滚厉害，裸露钢液面和产生卷渣，出LF炉扒渣，进VD炉；
其中，造渣材料可以选择石灰造渣材料和/或其他用于炼钢领域的普通造渣材料；
脱氧剂可以选择纯铝粒、高纯碳化硅、硅铝复合脱氧剂和/或其他用于炼钢领域的普通脱氧剂。
(3)VD炉真空处理：在VD盖包盖前采用压入法，将稀土原料加入钢水中，之后在真空压力67Pa的VD炉内进行真空脱气处理，处理时间≥15min，将钢中的溶解氧含量控制在2.5ppm以下，尽量加长高真空处理时间从而最大限度排除钢中的气；破真空投入覆盖剂保温，并进行软吹氩处理，处理时间≥20min，尽可能使夹杂物上浮；
其中，覆盖剂为碳化稻壳、齿轮钢碱性覆盖剂和/或其他用于炼钢领域的普通覆盖剂。
(4)连铸：采用20-30℃的低过热度，拉速在(0.25-0.35)±0.01m/min(浇注断面Φ500mm拉速在0.35±0.01m/min，浇注断面Φ650mm拉速在0.25±0.01m/min)；全程保护浇铸，中包使用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，保持黑渣面，结晶器加入低碳保护渣，采用结晶器电磁搅拌、二冷弱冷控制，确保铸坯矫直温度≥850℃，控制好连铸坯的结构组织，生产出无表面缺陷的高品质连铸坯；
(5)轧制：对缓冷处理后的铸坯或红送钢坯进行加热，控制加热炉均热温度在1200-1240℃，加热时间≥6.5h(Φ500mm加热时间≥6.5h，Φ650mm加热时间≥8.0h)，开轧温度1100-1200℃，终轧温度≥850℃；
(6)钢材缓冷：>500℃入坑缓冷，缓冷时间>24h，且保证<200℃出缓冷坑，最后制得CrMnTi系齿轮钢。
进一步的，所述步骤(1)中，在电炉出钢时，向钢包中加入纯铝块、高锰合金、高铬合金、硅锰合金，进行钢包合金化。
进一步的，所述步骤(2)中，根据情况补喂铝线0.5-1.0m/t钢加强脱硫，禁止喂钙线进行钢中夹杂物处理。
进一步的，所述步骤(3)中，在盖包盖抽真空前加入稀土原料进行稀土处理，保证稀土压入钢水深度≥300mm，保持时间≥30s。
进一步的，所述稀土原料的加入量为0.03-0.3kg/t钢。
进一步的，所述稀土原料为轻稀土。
进一步的，所述轻稀土的化学成分及其质量百分比为：La+Ce≥99.7％，O≤0.01％，其余为不可避免的杂质元素，其中不可避免的杂质元素包括痕量的其他轻稀土元素(镨、钕、钷、钐和铕)。
本发明的有益效果在于，
(1)稀土资源，是全球重要的工业战略资源，也是我国的优势资源，储量(占全球总量的37％)、生产量、出口量和消费量均为世界第一，且轻稀土价格比较便宜，较少的添加量就能发挥很好的作用，本发明利用稀土能够在钢中净化杂质的作用，深度降低氧和硫的含量以及磷和低熔点元素的有害作用；
(2)通过精准控制稀土加入量，使其充分发挥变质夹杂的作用，使钢液中夹杂物数量减少，并能够将链状、尖角状、长条状等有害非金属性夹杂物变形为球状或者椭球状；
稀土元素在钢液凝固过程中还可以降低碳、氮、铌、钛等元素的活度，降低其扩散系数，起到减少成分偏析、细化晶粒、降低带状组织级别以及提高淬透性等作用，从而显著提高稀土钢的综合性能；
(3)稀土还兼具夹杂物细化作用，能将大尺寸的硫化物、氧化物改性为小尺寸的稀土氧硫化物；
稀土元素的存在也使得表层组织明显细化，碳化物形态为弥散度较大的细块状和粒状，晶界面积增大，有利于渗碳过程；同时稀土的存在使晶胞能量升高、体积增大，晶胞稳定性降低，有利于碳原子的扩散，从而加速渗碳过程；另一方面，稀土的存在使晶胞和碳原子的稳定性降低，部分铁原子的稳定性也降低，这都有利于碳原子的扩散；奥氏体晶胞总电荷密度增加，碳原子与稀土原子也有较强的离子键作用，使渗层表面硬度提高；碳原子易于沿成键作用较弱的晶面扩散，稀土使碳原子在晶胞中的扩散激活能降低，有利于渗碳过程，提高CrMnTi系齿轮钢的渗碳性能；
(4)目前对稀土齿轮钢的连铸生产还鲜有报道，本发明以大包压入方式加入稀土，充分保证氩气搅拌时间，精准控制加入量，有效解决了稀土齿轮钢连铸顺行问题，为得到性能良好的产品奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例2样品的金相照片；
图2是本发明对比例1样品的金相照片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高淬透性高渗碳性CrMnTi系齿轮钢，该CrMnTi系齿轮钢的制备方法为：
转炉冶炼→LF精炼处理→VD炉真空处理→连铸→轧制→钢材缓冷，其中，
(1)转炉冶炼：加入纯铝块、高锰合金、高铬合金、硅锰合金、进行钢包合金化，钢坯的化学成分及其质量百分比为：
C：0.17％-0.23％，Si：0.18％-0.30％，Mn：0.80％-1.10％，Cr：1.00％-1.20％，S≤0.030％，P≤0.030％，Ti：0.04％-0.08％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；
严格控制终点C≥0.07％，P≤0.015％，出钢温度1620℃，控制好终点出钢下渣；
(2)LF精炼处理：对步骤(1)制备好的钢包进行测温、取样，分批次加入调整好流动性的石灰造渣材料，并逐步加入纯铝粒和高纯碳化硅进行渣面扩散脱氧，精炼中后期根据渣的情况加入纯铝粒和高纯碳化硅护好渣，根据情况补喂铝线0.5-1.0m/t钢加强脱硫，补喂铝线上线为100m，禁止喂钙线进行钢中夹杂物处理，精炼过程控制好精炼渣的碱度在2.0-4.0mmol/L范围内，精炼过程中不断吹入氩气并充分搅拌，促进钢渣反应令脱氧产物上浮，精炼过程逐步微调包括C、Si、Mn、Cr、Ti的各个元素，将出站成分调整到接近目标成分，确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时控制好氩气压，防止钢水翻滚厉害，裸露钢液面和产生卷渣，出LF炉扒渣，进VD炉；
(3)VD炉真空处理：在盖包盖抽真空前采用压入法，将稀土原料(La、Ce，RE≥99.7％，O≤0.01％)加入钢水中，稀土原料的加入量为0.05kg/t，保证稀土压入钢水深度≥300mm，保持时间30s，之后在真空压力67Pa的VD炉内进行真空脱气处理，处理时间20min，将钢中的溶解氧含量控制在2.5ppm以下，尽量加长高真空处理时间从而最大限度排除钢中的气；破真空投入碳化稻壳保温，并进行软吹氩处理，处理时间20min，尽可能使夹杂物上浮；
(4)连铸：采用采用五流Φ650mm连铸机，在20-30℃的低过热度、0.25±0.01m/min的拉速下将钢水浇铸成断面为Φ650mm的圆坯；全程保护浇铸，中包使用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，保持黑渣面，结晶器加入低碳保护渣，采用结晶器电磁搅拌、二冷弱冷控制，确保铸坯矫直温度880℃，控制好连铸坯的结构组织，生产出无表面缺陷的高品质连铸坯；
(5)轧制：对红送钢坯进行加热，控制加热炉均热温度在1220℃，加热时间9.0h，开轧温度1180℃，终轧温度870℃；
(6)钢材缓冷：550℃入坑缓冷，缓冷时间>24h，160℃出缓冷坑，最后制得CrMnTi系齿轮钢。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤(3)稀土原料的加入量为0.1kg/t。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，步骤(3)稀土原料的加入量为0.2kg/t。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，步骤(3)稀土原料的加入量为0。
成分检测
下表1为实施例1-3及对比例1最终制得的齿轮钢样品的实际化学成分及其质量百分比，可以看出实施例1-3样品中稀土含量分别为11ppm、27ppm和58ppm，根据稀土加入量，计算可得稀土元素的收得率分别为22％、27％和29％。
表1样品实际化学成分对比(单位：％，余量为铁和不可避免的杂质元素)
试验 C Si Mn P S Cr Al
实施例1 0.18 0.221 0.850 0.0166 0.003 1.039 0.0304
实施例2 0.18 0.220 0.853 0.0175 0.003 1.034 0.0285
实施例3 0.18 0.215 0.855 0.0180 0.002 1.036 0.0294
对比例1 0.18 0.223 0.854 0.0174 0.002 1.035 0.0293
试验 Nb Ti V B O RE加入量 RE
实施例1 0.0023 0.0617 0.0062 0.0006 0.0010 0.05kg/t 0.0011
实施例2 0.0023 0.0625 0.0059 0.0006 0.0010 0.1kg/t 0.0027
实施例3 0.0025 0.0621 0.0066 0.0005 0.0009 0.2kg/t 0.0058
对比例1 0.0020 0.0653 0.0060 0.0006 0.0012 0 0
性能检测
(1)夹杂物统计
对实施例1-3及对比例1最终制得的齿轮钢样品进行取样检测，检测面积为100mm2，并统计不同尺寸夹杂物数量变化情况，结果如表2所示，可以看出加入稀土后，夹杂物数量和尺寸都明显减小。
表2样品夹杂物数量及尺寸分布对比(单位：个)
Figure BDA0002687284960000071
Figure BDA0002687284960000081
(2)金相对比
对实施例2及对比例1最终制得的齿轮钢样品的金相进行观察，如图1、图2所示，加入稀土对轧材带状组织影响不大，但对晶粒度有明显的细化作用。
(3)淬透性能
对实施例1-3及对比例1最终制得的齿轮钢样品的淬透性进行测试，测试结果如表3所示，可以看出，加入稀土后样品的淬透性明显提高，其中实施例2样品淬透性达到了20CrMnTiH6的性能。
表3样品淬透性能对比(单位：HRC)
试验 J9 J15
实施例1 37 33
实施例2 40 37
实施例3 35 30
对比例1 32 27
(4)渗碳性能
对实施例1-3及对比例1最终制得的齿轮钢样品的渗碳性能进行测试，渗碳温度选取920℃和880℃，测试结果如表4所示，可以看出，稀土元素的存在，降低了渗碳温度和缩短了扩渗的工艺周期，对于实际生产中工件而言，降低了生产成本，提高了生产效率。
表4样品渗碳性能对比
Figure BDA0002687284960000082
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高淬透性高渗碳性稀土CrMnTi系齿轮钢，其特征在于，所述稀土CrMnTi系齿轮钢的化学成分及其质量百分比为：
C：0.17％-0.23％，Si：0.18％-0.30％，Mn：0.80％-1.10％，Cr：1.00％-1.20％，S≤0.030％，P≤0.030％，Ti：0.04％-0.08％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，Mo≤0.05％，O≤15×10-6，H≤2×10-6，N≤80×10-6，RE：5×10-6-150×10-6，其余为铁元素和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的稀土CrMnTi系齿轮钢，其特征在于，所述RE为La和Ce。
3.一种如权利要求1所述的稀土CrMnTi系齿轮钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：严格控制终点C≥0.07％，P≤0.015％，出钢温度1600-1640℃，控制好终点出钢下渣；
(2)LF精炼处理：对步骤(1)制备好的钢包进行测温、取样，分批次加入调整好流动性的造渣材料，并逐步加入脱氧剂进行渣面扩散脱氧，精炼中后期根据渣的情况加入脱氧剂护好渣，精炼过程控制好精炼渣的碱度在3.0-6.0mmol/L范围内，精炼过程中不断吹入氩气并充分搅拌，促进钢渣反应令脱氧产物上浮，精炼过程逐步微调元素，将出站成分调整到接近目标成分，确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时控制好氩气压，防止钢水翻滚厉害，裸露钢液面和产生卷渣，出LF炉扒渣，进VD炉；
(3)VD炉真空处理：在VD盖包盖前采用压入法，将稀土原料加入钢水中，之后在真空压力67Pa的VD炉内进行真空脱气处理，处理时间≥15min，将钢中的溶解氧含量控制在2.5ppm以下，尽量加长高真空处理时间从而最大限度排除钢中的气；破真空投入覆盖剂保温，并进行软吹氩处理，处理时间≥20min，尽可能使夹杂物上浮；
(4)连铸：采用20-30℃的低过热度，拉速在(0.25-0.35)±0.01m/min；全程保护浇铸，中包使用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低碳覆盖剂，保持黑渣面，结晶器加入低碳保护渣，采用结晶器电磁搅拌、二冷弱冷控制，确保铸坯矫直温度≥850℃，控制好连铸坯的结构组织，生产出无表面缺陷的高品质连铸坯；
(5)轧制：对缓冷处理后的铸坯或红送钢坯进行加热，控制加热炉均热温度在1200-1240℃，加热时间≥6.5h，开轧温度1100-1200℃，终轧温度≥850℃；
(6)钢材缓冷：>500℃入坑缓冷，缓冷时间>24h，且保证<200℃出缓冷坑，最后制得CrMnTi系齿轮钢。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在电炉出钢时，向钢包中加入纯铝块、高锰合金、高铬合金、硅锰合金、进行钢包合金化。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据情况补喂铝线0.5-1.0m/t钢加强脱硫，禁止喂钙线进行钢中夹杂物处理。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在盖包盖抽真空前加入稀土原料进行稀土处理，保证稀土压入钢水深度≥300mm，保持时间≥30s。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述稀土原料的加入量为0.03-0.3kg/t钢。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述稀土原料为轻稀土。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述轻稀土的化学成分及其质量百分比为：La+Ce≥99.7％，O≤0.01％，其余为不可避免的杂质元素。
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