CN112301284A - 齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法 - Google Patents

齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法，涉及齿轮钢领域。按质量百分比计，齿轮钢包括：C：0.19‑0.21％，Si：0.20‑0.30％，Mn：0.95‑1.05％，P≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：1.05‑1.15％，Cu≤0.05％，Al：0.010‑0.015％，Ti：0.052‑0.058％，B≤0.0003％，O≤10ppm，N：61‑69ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。通过合理的Ti和N含量及配比，有效决定氮化钛的形态和数量，并有效细化氮化钛的晶粒，控制并细化奥氏体晶粒度，提高齿轮钢的性能。

Description

齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法
技术领域
本申请涉及齿轮钢领域，具体而言，涉及一种齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法。
背景技术
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方结构。奥氏体晶粒为钢在奥氏体化时所得到的晶粒，此时的晶粒尺寸称为奥氏体晶粒度。
奥氏体晶粒度对冷却后钢的组织和性能有很大的影响。一般地说，粗大的奥氏体实际晶粒往往导致冷却后获得粗大的组织，而粗大的组织又往往相应地具有较低的塑性和韧性。因此，在热处理时应严格控制奥氏体晶粒大小，以获得良好的综合性能。
因此，如何有效控制并细化齿轮钢的奥氏体晶粒度为本领域需要解决的技术问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法，其能够控制并细化齿轮钢的奥氏体晶粒度，有效改善上述技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种齿轮钢，按质量百分比计，齿轮钢包括：
C：0.19-0.21％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.95-1.05％，P≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：1.05-1.15％，Cu≤0.05％，Al：0.010-0.015％，Ti：0.052-0.058％，B≤0.0003％，O≤10ppm，N：61-69ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
在上述实现过程中，通过合理的Ti和N含量及配比，有效决定氮化钛的形态和数量，并有效细化氮化钛的晶粒，控制并细化奥氏体晶粒度。
在一种可能的实施方案中，齿轮钢于950±5℃保温11.5-12.5h后，直接水冷后检测获得的钢材的奥氏体晶粒度，其中，钢材的奥氏体晶粒度不小于7.5级。
第二方面，本申请实施例提供一种本申请第一方面提供的齿轮钢的奥氏体晶粒度的细化方法，其包括：
在连铸工艺中，结晶器电磁搅拌参数控制为(150A±5A)/2.5Hz，末端电磁搅拌参数为(200A±10A)/4Hz。
在上述实现过程中，通过上述参数配合，有效均匀成分，进一步提高产品的性能，其中结晶器电磁搅拌参数及末端电磁搅拌参数过大，容易导致成分偏析严重并产生白亮带。
在一种可能的实施方案中，连铸工艺中，采用恒定的钢水过热度以及恒定的拉速。
采用恒定的钢水过热度以及恒定的拉速，保证连铸过程的稳定性，避免产生较大的液面波动，影响产品质量。
在一种可能的实施方案中，钢水过热度为20-30℃。
在一种可能的实施方案中，拉速为0.85±0.02m/min。
在一种可能的实施方案中，连铸工艺中，二冷水冷却强度为0.46±0.02L/Kg。
在一种可能的实施方案中，连铸工艺中，采用的坯型的断面尺寸为280*280mm。
通过连铸工艺中各参数的优化，有效细化氮化钛，同时保证氮化钛分散均匀，进而有效细化奥氏体晶粒度并保证其分散均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本申请实施例1的齿轮钢的组织金相照片；
图2为本申请对比例1的齿轮钢的组织金相照片；
图3为本申请实施例1的齿轮钢中氮化钛分布情况照片；
图4为本申请对比例1的齿轮钢中氮化钛分布情况照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本领域技术人员知晓Al、V、Nb、Ti均为细化奥氏体晶粒度的元素，然而不同元素的添加及其配比对于最后的产品的性能具有较大的影响。例如Ti为细化奥氏体晶粒度的元素，但是实际操作过程中，利用Ti细化奥氏体的过程中，钢液中易析出大颗粒带有棱角的氮化钛夹杂物，不但起不到细化晶粒的作用，而且会成为裂纹源，对齿轮造成危害，降低其疲劳寿命。
因此，现有技术一般采用Al用于细化奥氏体晶粒度，Al含量高了之后，虽然形成的AlN粒子细小，能够起到很好的钉扎晶界、细化晶粒的效果。但是过高的Al含量对冶炼过程有一定影响，例如高Al含量很容易引起二次氧化，影响钢的洁净度；此外，齿轮钢中常常加入一定的S含量改善切削性能，高Al高S钢可浇性很差，影响实际生产效率。
因此，如何选择合适的方式细化奥氏体晶粒度，是本领域需解决的技术问题之一。
以下针对本申请实施例的齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法进行具体说明：
本申请提供一种齿轮钢，按质量百分比计，齿轮钢包括：C：0.19-0.21％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.95-1.05％，P≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：1.05-1.15％，Cu≤0.05％，Al：0.010-0.015％，Ti：0.052-0.058％，B≤0.0003％，O≤10ppm，N：61-69ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，Ti过高，则氮化钛尺寸过大，细化晶粒效果不明显，对钢材的疲劳性能产生负面影响，Ti过低产生不了足够的氮化钛，晶粒得不到细化。因此，采用Ti质量百分比为0.052-0.058％的较窄范围，具体例如Ti的质量百分比为0.052％、0.054％、0.055％、0.056％或0.058％等，N的质量百分比为61-69ppm，具体例如61ppm、63ppm、65ppm、67ppm或69ppm等，采用合理的Ti及N的含量及配比，可有效细化获得的氮化钛尺寸，细化奥氏体晶粒，同时改善晶粒的尺寸均匀性，避免制备过程中钢液中析出大颗粒带有棱角的氮化钛夹杂物进而降低疲劳裂纹源等，有效提高齿轮钢的综合性能。
Al的添加，可有效脱氧，控制钢中Al含量在0.01-0.015％，有效降低钢中氧含量，保证氮化钛收得率高且含量稳定，用于细化晶粒。
C的添加，保证齿轮钢具有足够的强度、硬度，例如C的质量百分比为0.19％、0.2％或0.21％。Si的质量百分比为0.20％、0.23％、0.25％、0.27％或0.30％等，Mn对钢起强化作用，提高钢的淬透性能，其质量百分比为0.95％、0.98％、1％或1.05％等。
可选地，齿轮钢于950±5℃保温11.5-12.5h后，直接水冷后检测获得的钢材的奥氏体晶粒度，其中，钢材的奥氏体晶粒度不小于7.5级，需要说明的是，此处的齿轮钢是指制得的齿轮钢圆钢。
除此以外，申请人发现，针对齿轮钢的奥氏体晶粒度，由于氮化钛等在连铸工艺析出，此步骤参数对后续奥氏体的尺寸影响较大，基于此，本申请还提供一种上述齿轮钢的奥氏体晶粒度的细化方法，其主要针对齿轮钢的制备工艺中，连铸工艺的参数的优化，有效细化齿轮钢的奥氏体晶粒度，并使得组织均匀。
具体地，齿轮钢的奥氏体晶粒度的细化方法包括：
在连铸工艺中，结晶器电磁搅拌参数控制为(150A±5A)/2.5Hz，末端电磁搅拌参数为(200A±10A)/4Hz。通过上述参数的控制，保证此步骤析出的氮化钛颗粒弥散及细小，防止其中结晶器电磁搅拌参数及末端电磁搅拌参数过大，容易导致成分偏析严重并产生白亮带。
可选地，连铸工艺中，采用恒定的钢水过热度以及恒定的拉速。采用恒定的钢水过热度以及恒定的拉速，保证连铸过程的稳定性，避免产生较大的液面波动，影响产品质量。
具体地，钢水过热度为20-30℃，具体例如钢水过热度为20℃、23℃、25℃、27℃、28℃或30℃等，上述条件下，过热度偏高，中心偏析严重，过热度过低则钢液容易凝固，因此选择合适的钢水过热度，使得连铸过程中析出的氮化钛颗粒进一步细化且不偏析。
具体地，拉速为0.85±0.02m/min，采用的坯型的断面尺寸为280*280mm的方坯。
其中，二冷水冷却强度对氮化钛尺寸影响大，二冷水冷却强度越大，获得的氮化钛尺寸越小，但是二冷水冷却强度过大则容易使齿轮钢产生裂纹。因此，二冷水冷却强度为0.46±0.02L/Kg，通过上述拉速、断面尺寸以及二冷水冷却强度的合理配合，有效控制方坯的冷却速度，利于晶粒细化。
综上，通过连铸工艺中各参数的合理控制，结合齿轮钢的成分优化，有效细化最终获得的齿轮钢的奥氏体晶粒度。
以下结合实施例对本申请的齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法作进一步的详细描述。
实施例1-3以及对比例1-2
实施例1-3以及对比例1-2分别提供一种齿轮钢，各自对应的化学成分(质量百分比)如表1以及表1-续表所示，余量为Fe和不可避免的杂质。
表1齿轮钢化学成分
熔炼成分 C Si Mn P S Cr
实施例1 0.20 0.24 0.99 0.009 0.008 1.11
实施例2 0.21 0.24 0.98 0.009 0.006 1.14
实施例3 0.20 0.23 0.98 0.008 0.010 1.13
对比例1 0.22 0.24 0.92 0.01 0.012 1.17
对比例2 0.21 0.25 0.91 0.01 0.011 1.16
表1-续表齿轮钢化学成分
Figure BDA0002751806320000061
Figure BDA0002751806320000071
实施例1-3以及对比例1-2的齿轮钢圆钢的生产工艺相同，如下：
高炉铁水→130t转炉→LF炉精炼→RH炉→连铸机(280*280mm)→铸坯加热→轧制→圆钢成品→性能检测。
(1)转炉冶炼及炉外精炼：
(1.1)转炉冶炼工艺要求：
(1.1.1)钢铁料清洁，有害元素含量低。
(1.1.2)转炉新炉衬、大补炉、新钢包第一炉不得冶炼本钢种。
(1.2)LF炉工艺：
确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时渣面进行扩散脱氧，Ar气压力控制以钢水不翻出渣面为原则。
(1.3)RH工艺：
(1.3.1)RH采用本处理，真空度在0.266kPa以下需保持20-25min，纯脱气时间15-20min。
(1.3.2)RH结束后保证软吹氩时间≥15分钟，软吹氩气控制渣面微动即可，严禁钢水裸露。
(2)方坯连铸：方坯断面的尺寸均为280mm*280mm，钢水过热度为20-30℃，拉速为0.85±0.02m/min，二冷水冷却强度为0.46±0.02L/Kg，采用结晶器电磁搅拌，具体每个实施例及对比例对应的结晶器电磁搅拌具体参数如表2所示。
(3)铸坯加热，具体每个实施例及对比例对应的铸坯加热温度及时间参数如表2所示。
(4)轧制：圆钢终轧温度控制在850-950℃。
(5)对制得的不同规格的圆柱状的齿轮钢进行热处理后采用直淬法检测奥氏体晶粒度，并依据GBT6394-2017金属平均晶粒度测定方法，确定奥氏体晶粒度等级，结果如表3所示。
直淬法检测奥氏体晶粒度的检测标准及操作步骤：
1、试样加工
试样截取的方向、部位及数量，应根据材料的种类，有关标准或协议的规定，一般在钢材半径或边长的1/2处截取，试样尺寸为：20mm*20mm，试样厚度15mm左右为宜。
2、试样热处理
检验面向上放置于托盘中，按照规定的热处理工艺对试样进行热处理，淬水冷却。
3、试样磨制
将检验面铣1mm以上厚度，依次经粗磨、细磨、抛光处理。
4、试样浸蚀
将抛光好的试样置于饱和苦味酸水溶液中，浸没检验面，保持一定时间后取出，浸蚀完毕立即洗净吹干。
5、晶粒度评定
通过与GB/T 6394-2017标准系列评级图对比来评定晶粒度。
表2连铸工艺生产参数
Figure BDA0002751806320000091
表3热处理工艺及对应的奥氏体晶粒度等级
Figure BDA0002751806320000101
根据表3可以看出，在采用相同的热处理工艺进行预处理的前提下，本申请提供的齿轮钢基于成分的优化和连铸工艺的优化，其奥氏体晶粒度为8级，相比于对比例1及对比例2的1级，有效细化奥氏体晶粒度，同时本申请提供的齿轮钢的氮化钛颗粒成弥散分布，且最大颗粒氮化钛尺寸远远小于对比例1、2。
其中，图1为实施例1获得的齿轮钢的组织金相照片，图2为对比例1的获得的齿轮钢的组织金相照片。
对比图1以及图2，可以明显看出，本申请提供的齿轮钢的奥氏体尺寸明显小于对比例1，且分散更为均匀。依据GBT6394-2017金属平均晶粒度测定方法，本申请实施例1的齿轮钢的奥氏体晶粒度达到了8级。
图3为实施例1获得的齿轮钢中氮化钛分布情况照片，图4为对比例1的获得的齿轮钢中氮化钛分布情况照片。其中，图3以及图4中深色部分为氮化钛。
对比图3以及图4，可以明显看出，本申请获得的齿轮钢中氮化钛的尺寸远远小于对比例1中的氮化钛的尺寸，并且本申请获得的齿轮钢中氮化钛呈弥散分布于齿轮钢中。
也即是说明本申请的方案，通过齿轮钢的钢种成分及制备工艺的优化，主要将齿轮钢Ti控制0.052-0.058％，N控制61-69ppm，钢水过热度控制在20-30℃，拉速为0.85±0.02m/min的恒温恒拉速，二冷水冷却强度为0.46±0.02L/Kg，结晶器电磁搅拌参数控制为150A/2.5Hz左右，末端电磁搅拌参数为200A/4Hz左右的连铸工艺参数，使得钢水凝固过程中析出小颗粒弥散分布的氮化钛，有效起到细化奥氏体晶粒度的作用。
综上，本申请提供的齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法，齿轮钢的钢种成分及制备工艺的优化，有效细化氮化钛，同时保证氮化钛分散均匀，进一步有效细化奥氏体晶粒度并保证其分散均匀性，有效提高齿轮钢的性能。
以上仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种齿轮钢，其特征在于，按质量百分比计，所述齿轮钢包括：C：0.19-0.21％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.95-1.05％，P≤0.020％，S：≤0.015％，Cr：1.05-1.15％，Cu≤0.05％，Al：0.010-0.015％，Ti：0.052-0.058％，B≤0.0003％，O≤10ppm，N：61-69ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的齿轮钢，其特征在于，所述齿轮钢于950±5℃保温11.5-12.5h后，直接水冷后检测获得的钢材的奥氏体晶粒度，其中，所述钢材的奥氏体晶粒度不小于7.5级。
3.一种如权利要求1所述的齿轮钢的奥氏体晶粒度的细化方法，其特征在于，包括：
在连铸工艺中，结晶器电磁搅拌参数控制为(150A±5A)/2.5Hz，末端电磁搅拌参数为(200A±10A)/4Hz。
4.根据权利要求3所述的细化方法，其特征在于，所述连铸工艺中，采用恒定的钢水过热度以及恒定的拉速。
5.根据权利要求4所述的细化方法，其特征在于，所述钢水过热度为20-30℃。
6.根据权利要求4所述的细化方法，其特征在于，所述拉速为0.85±0.02m/min。
7.根据权利要求3-6任意一项所述的细化方法，其特征在于，所述连铸工艺中，二冷水冷却强度为0.46±0.02L/Kg。
8.根据权利要求3-6任意一项所述的细化方法，其特征在于，所述连铸工艺中，采用的坯型的断面尺寸为280*280mm的方坯。
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