CN112831723A - 一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢及控制方法，属于齿轮钢技术领域。利用转炉或电炉+炉外精炼+连铸或模铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢连铸坯或铸锭：化学成分重量百分数为：C：0.15～0.22％，Si：≤0.40％，Mn：0.51～0.90％，Cr：1.5～1.8％，Ni：1.4～1.7％，Mo：0.25～0.35％，Nb：0.02～0.09％，Al：0.01～0.04％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.005～0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。并且需满足Al：N的比值在1.95～4.50，以及Nb+Al≥0.045％。优点在于，可以获得晶粒尺寸细小、均匀的渗碳齿轮毛坯。

Description

一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢及控制方法
技术领域
本发明属于齿轮钢技术领域，特别是提供了一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢及控制方法；适用于重载汽车、轨道交通机车的齿轮箱用主、从动齿轮毛坯的生产及渗碳热处理，以及风电齿轮毛坯的生产及热处理，亦可用于其他大型器械齿轮零件毛坯的生产及热处理。
背景技术
目前国内常用的齿轮钢渗碳温度一般不超过930℃，在930℃以下温度渗碳时，由于热力学条件限制，晶粒长大缓慢，同时齿轮钢中AlN的析出相可以稳定存在，不会溶解，可以起到对晶界的钉扎作用，防止晶界迁移，从而能够抑制渗碳时晶粒长大。但当渗碳温度提高到960℃以上时，起到钉扎晶界作用的AlN析出相会不断溶解，且温度越高、时间越长，溶解越充分，从而导致晶界不受钉扎不断迁移，导致晶粒长大。
齿轮钢高温渗碳的主要技术难题就在于将渗碳温度提高后齿轮钢容易出现晶粒异常长大或混晶现象，从而影响齿轮的精度和稳定性，对齿轮材料可靠性会产生较大影响，为了保证渗碳齿轮性能，一般要求齿轮钢渗碳热处理后，晶粒度在5.0级以上，晶粒度级别差不超过3级。为了达到渗碳热处理后齿轮晶粒控制效果，一些微合金化技术被开发和应用。
中国专利CN101096742A公开了一种高强度汽车用齿轮钢，钢中复合加入了Nb、V、Al等合金元素，可以起到细化晶粒的效果，但是Nb、V的复合添加提高了材料的生产成本，尤其是V，当前V的原材料成本比过去提高了几倍。
中国专利CN103361559B公开了一种Nb、Ti复合微合金化高温渗碳齿轮钢，其在Mn-Cr系齿轮钢的基础上，通过加入适量的Nb、Ti进行微合金化，与传统20CrMnTiH相比，添加Nb并减少Ti的加入量，Nb含量为0.06％，Ti含量为0.02～0.06％，实现Nb、Ti复合析出，可以提高齿轮钢的渗碳温度，所发明的齿轮钢可用于1000℃及以上高温渗碳。
中国专利CN102560255B公开了一种高温真空渗碳齿轮钢，其在Mn-Cr系齿轮材料的基础上，通过添加0.001～0.009的微量Ti，并控制Al/N质量摩尔浓度在0.60～1.80范围内，实现高温真空渗碳时奥氏体晶粒的细小化控制。
中国专利CN104894353B公布了一种含Nb高温渗碳齿轮钢的轧制方法，其控制轧制过程温度和终轧温度控制，避开在Nb析出的鼻温区900～950℃轧制，可以使含Nb齿轮钢Nb的析出相分布合理，有利于后续渗碳过程中钉扎晶界。
目前我国齿轮钢为抑制渗碳时晶粒长大采用的微合金元素主要为Al、Nb、V、Ti等，Al是一种最常用的细化晶粒元素，通过析出相AlN起到阻止晶粒长大的作用，但其960℃以上高温渗碳时容易失效，Nb在齿轮钢中可以形成Nb(C、N)析出相，在高温渗碳时，可以较稳定的存在，V在齿轮钢中通常与Nb进行复合微合金化，起到细化晶粒作用，但V的成本偏高，限制了其大量应用，而Ti作为一种低成本元素，可以解决材料成本的问题，但齿轮钢中少量的Ti含量，即可能导致钢中形成危害性更大的TiN夹杂物，严重影响齿轮的疲劳性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢及控制方法。
根据上述目标，本发明所采用的控制方案为：
利用转炉(或电炉)+炉外精炼+连铸(或模铸)的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢连铸坯(或铸锭)：化学成分重量百分数如下：
C：0.15～0.22％，Si：≤0.40％，Mn：0.51～0.90％，Cr：1.5～1.8％，Ni：1.4～1.7％，Mo：0.25～0.35％，Nb：0.02～0.09％，Al：0.01～0.04％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.005～0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。并且需满足Al：N的比值在1.95～4.50，以及Nb+Al≥0.045％。
齿轮钢中添加了0.02～0.09％的Nb，还设定了Al：N的值，保证齿轮钢中存在大量NbC析出相的同时，还有更多的AlN析出相，利用NbC析出相在高温下比较稳定起到钉扎晶界的作用，以及AlN析出相细小均匀的特点，在获得初始细小晶粒的同时，高温渗碳时起到进一步阻碍晶界扩展的作用，NbC、AlN复合作用保证了高温渗碳晶粒度的控制效果。另外，Nb+Al≥0.045％，保证了钢中总析出相的含量，确保高温渗碳时有足够的析出相，可起到有效限制晶粒长大的作用。
本发明的控制方法为利用转炉或电炉+炉外精炼+连铸或模铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢连铸坯或铸锭：
将获得的连铸坯或铸锭加热至1160～1280℃，并按照规格大小利用传热理论设置不同的保温时间，规格较大的适当延长保温时间，随后进行轧制或锻造，终轧/终锻温度≥900℃，保证含Nb析出相均匀析出的同时，避免表面裂纹产生，获得表面质量良好的齿轮钢棒材。
将获得的齿轮钢棒材或将先前获得铸锭加热至1160～1240℃，根据材料具体规格设置保温时间，保温后进行齿轮毛坯锻造，终锻温度≥900℃，保证材料锻造过程中良好塑性，尤其是表面，获得流线和表面质量良好的锻造齿轮毛坯。
对锻造齿轮毛坯进行渗碳前预处理，首先将齿轮毛坯加热到950～1000℃，并根据齿轮毛坯规格保温2～12h，随后空冷，当温度冷却到300～600℃时，转移到另一加热炉再次加热到650～750℃进行保温处理，保温时间不小于2h。该预处理可以提高C、Nb等元素的均匀性，同时保证AlN等析出相大量形成，为后续高温渗碳提供基础条件。
热处理后的齿轮毛坯材料经机械加工制成齿轮件，随后在960～1050℃温度区间进行高温渗碳处理，碳势0.80～1.35％，渗碳过程分为强渗和扩散两个阶段，两阶段时间比例为2.5～4.5，强渗阶段碳势控制在1.0～1.35％，扩散阶段碳势控制在0.8～1.0％，且应小于1.0％。扩散结束后降温至860～940℃并保温1～4h，同时保持碳势在0.65～0.90％，随后以20～4200℃/min的冷却速度冷却至550℃以下，根据工件需要可进行高温回火，一般有效截面≥100mm的大规格齿轮件需要进行高温回火处理，去除应力，防止产生裂纹。
对冷却至550℃以下的齿轮件或经高温回火后的齿轮件进一步加热升温，升温速度10～100℃/min，升温至800～860℃保温60～300min，随后进行油淬或水淬冷却至室温。为防止淬火后齿轮件内部存在热应力，导致后续齿轮件产生裂纹，需进行低温回火处理。
经过以上齿轮钢生产及齿轮零件热处理工艺控制方法，可以实现齿轮材料在960～1050℃高温渗碳后，仍然具有细小均匀性的晶粒度，可满足晶粒度≥6级的要求，且不存在异常粗大的晶粒，晶粒度级别差在3级以内。
附图说明
图1为实施例1获得的齿轮件晶粒控制效果金相组织图。
图2为实施例2获得的齿轮件晶粒控制效果金相组织图。
图3为对比例获得的齿轮件晶粒控制效果金相组织图
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的具体实施方法进行进一步的说明。
实施例1：
利用转炉+炉外精炼+连铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢钢锭：C：0.16％，Si：0.05％，Mn：0.69％，Cr：1.70％，Ni：1.65％，Mo：0.30％，Nb：0.032％，Al：0.03％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.009％，其余为Fe及不可避免的杂质。铸锭加热至1210℃并保温后进行锻造，终锻温度920℃，获得齿轮钢棒材。随后将齿轮钢棒材加热至1200℃并保温后进行锻造，终锻温度930℃，获得锻造齿轮毛坯。然后将锻造齿轮毛坯加热到980℃保温4h后空冷，当温度冷却到350℃时，再次加热到730℃进行保温处理，保温时间3.5h。热处理后的齿轮材料经加工后在1020℃进行渗碳处理，碳势0.80～1.35％，渗碳时强渗和扩散两个阶段时间比例为4.2，控制渗碳层深在1.5～2.0mm。结束后降温至900℃并保温2.0h，此时碳势为0.80％，随后以120℃/min的冷却速度冷却至450℃，并进行高温回火。高温回火后的齿轮件进一步加热升温，升温速度60℃/min，升温至850℃保温200min，随后进行油淬冷却至室温。
最后对齿轮件晶粒度进行分析，如图1所示为齿轮件心部晶粒度形貌，晶粒度评级为6～8级，没有异常粗大的晶粒或出现明显混晶现象。
实施例2：
利用电炉+炉外精炼+模铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢铸锭：C：0.19％，Si：0.20％，Mn：0.57％，Cr：1.67％，Ni：1.58％，Mo：0.28％，Nb：0.047％，Al：0.023％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.006％，其余为Fe及不可避免的杂质。铸锭加热至1200℃并保温后进行锻造，终锻温度940℃，获得齿轮钢棒材。随后将齿轮钢棒材加热至1200℃并保温后进行锻造，终锻温度910℃，获得锻造齿轮毛坯。然后将锻造齿轮毛坯加热到950℃保温8h后空冷，当温度冷却到457℃时，再次加热到670℃进行保温处理，保温时间4.0h。热处理后的齿轮材料经加工后在980℃进行渗碳处理，碳势0.80～1.35％，渗碳时强渗和扩散两个阶段时间比例为3.0，控制渗碳层深在3.5～4.0mm。结束后降温至920℃并保温2.0h，此时碳势为0.70％，随后以2500℃/min的冷却速度冷却20℃，并进行高温回火。高温回火后的齿轮件进一步加热升温，升温速度30℃/min，升温至820℃保温240min，随后进行油淬冷却至室温。
最后对齿轮件晶粒度进行分析，如图2所示为齿轮件心部晶粒度形貌，晶粒度评级为7～8级，没有异常粗大的晶粒或出现明显混晶现象。
对比例：
利用转炉+炉外精炼+连铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢钢锭：C：0.18％，Si：0.16％，Mn：0.60％，Cr：1.70％，Ni：1.60％，Mo：0.30％，Nb：0.005％，Al：0.02％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质。铸锭加热至1200℃并保温后进行锻造，终锻温度930℃，获得齿轮钢棒材。随后将齿轮钢棒材加热至1200℃并保温后进行锻造，终锻温度905℃，获得锻造齿轮毛坯。然后将锻造齿轮毛坯加热到940℃保温6h后空冷，当温度冷却到400℃时，再次加热到640℃进行保温处理，保温时间3.5h。热处理后的齿轮材料经加工后在980℃进行渗碳处理，碳势0.80～1.35％，渗碳时强渗和扩散两个阶段时间比例为2.0，控制渗碳层深在1.5～2.0mm。结束后降温至900℃并保温2.0h，此时碳势为0.80％，随后以150℃/min的冷却速度冷却480℃，并进行高温回火，最后空冷完成渗碳热处理。
最后对齿轮件晶粒度进行分析，如图3所示为齿轮件心部晶粒度形貌，晶粒度评级为4～7级，发现齿轮件中晶粒明显粗大，并存在200μm级别的大尺寸晶粒，晶粒度级别差也超过3级，无法满足齿轮件渗碳后对晶粒度的控制要求。

Claims (4)

1.一种抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢，其特征在于：利用转炉或电炉+炉外精炼+连铸或模铸的冶炼工艺生产得到如下成分的齿轮钢连铸坯或铸锭：化学成分重量百分数如下：
C：0.15～0.22％，Si：≤0.40％，Mn：0.51～0.90％，Cr：1.5～1.8％，Ni：1.4～1.7％，Mo：0.25～0.35％，Nb：0.02～0.09％，Al：0.01～0.04％，P：≤0.02％，S：≤0.03％，N：0.005～0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质。并且需满足Al：N的比值在1.95～4.50，以及Nb+Al≥0.045％。
2.一种权利要求1所述抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢的控制方法，其特征在于，利用转炉或电炉+炉外精炼+连铸或模铸的冶炼工艺生产得到齿轮钢连铸坯或铸锭：
获得的连铸坯或模铸锭加热至1160～1280℃并保温后进行轧制或锻造，终轧/终锻温度≥900℃，获得齿轮钢棒材；
获得的齿轮钢棒材或模铸锭加热至1160～1240℃并保温后进行锻造，终锻温度≥900℃，获得锻造齿轮毛坯。
3.根据权利要求2所述抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢的控制方法，其特征在于，将获得锻造齿轮毛坯加热到950～1000℃保温2～12h后空冷，当温度冷却到300～600℃时，再次加热到650～750℃进行保温处理，保温时间不少于2h。
4.根据权利要求3所述抗高温渗碳晶粒长大的齿轮钢的控制方法，其特征在于，热处理后的齿轮毛坯经加工后在960～1050℃温度区间进行渗碳处理，碳势0.80～1.35％，渗碳过程分为强渗和扩散两个阶段，两阶段时间比例为2.5～4.5；扩散结束后降温至860～940℃并保温1.0～4.0h，同时保持碳势在0.65～0.90％，随后以20～4200℃/min的冷却速度冷却至550℃以下，根据工件需要进行高温回火；
对冷却至550℃以下的齿轮件或经高温回火后的齿轮件进一步加热升温，升温速度10～100℃/min，升温至800～860℃保温60～300min，随后进行油淬或水淬冷却至室温。
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