CN112899560B

CN112899560B - 一种高强度齿轮用钢23CrMnMoS及其制造方法

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Publication number: CN112899560B
Application number: CN202110039572.0A
Authority: CN
Inventors: 张学诚; 曹红福; 鲍俭; 卢明霞; 孙鸿平
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2041-01-13
Also published as: CN112899560A

Abstract

本发明涉及一种高强度齿轮用钢23CrMnMoS，该钢的元素成分按质量百分比设计为C：0.19～0.27％，Si：0.05～0.35％，Mn：0.80～1.30％，Cr：1.00～1.50％，Mo：0.15～0.45％，P：≤0.015％，S：0.010～0.060％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Al：0.020～0.100％,N：0.0050～0.0250％，O：≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢的制造流程为电炉/转炉—炉外精炼—真空脱气—连铸—连轧—质检—包装—入库。23CrMnMoS高强度齿轮钢连铸过热度控制在10‑15℃，获得较好的成分偏析。连铸浇注过程采用MEMS+FEMS方式，并配合使用铸坯动态轻压下工艺。通过分段控制连铸坯的凝固速率使得连铸坯中AlN质点在整个连铸坯内均匀分布，热轧钢材奥氏体晶粒度≥7.0级，最终生产的钢材的强度与韧性均较高。

Description

一种高强度齿轮用钢23CrMnMoS及其制造方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，涉及合金结构钢种，尤其涉及23CrMnMoS高强度齿轮用钢及其制造方法。

背景技术

齿轮是机械装置中传递动力的重要零部件。随着现代汽车和新能源汽车、车辆、舰艇、航空航天器、高速铁路设施等技术的进步发展，其动力传动机构进一步要求齿轮具有高强度化、高速度化、高寿命等特点。目前齿轮钢主要采用20CrMnMo齿轮钢作为加工原料，但随着设备、装备的发展，市场对齿轮钢的强度提出了新的要求。

通过设计合理的化学成分、细化钢材的奥氏体晶粒度，发明了一种新的高纯净度齿轮用钢及其冶炼轧制的生产方法。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高强度齿轮用钢23CrMnMoS，产品的屈服强度≥980MPa，抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥45％，室温下夏比冲击功(KU₂)≥75J。属于一种全新的高强度渗碳齿轮用钢，目前国内外尚未有该钢种生产的报道。

本申请发明人通过对化学成分进行再设计，细化钢材的奥氏体晶粒度，发明了一种新的高纯净度齿轮用钢及其冶炼轧制的生产方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强度齿轮用钢23CrMnMoS，所述钢的元素成分按质量百分比设计为C：0.19～0.27％，Si：0.05～0.35％，Mn：0.80～1.30％，Cr：1.00～1.50％，Mo：0.15～0.45％，P：≤0.015％，S：0.010～0.060％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Al：0.020～0.100％,N：0.0050～0.0250％，O：≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质。

所述钢按照GB/T 6394要求测定奥氏体晶粒度，结果≥7.0级。

对于热轧圆钢的产品，按照GB/T2975的要求取样，按照GB/T 228与GB/T 229的要求进行样品检测，产品的屈服强度≥980MPa，抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥45％，室温下夏比冲击功(KU₂)≥75J。

本发明高强度齿轮用钢中各元素及其含量的设计依据是

C：是确保钢材强度的必须元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，但过高的C含量对钢的延性、韧性不利。本发明控制其含量为0.19～0.27％。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.05％时，钢水脱氧效果较差；Si含量较高时会造成钢材韧性下降。本发明Si含量控制为0.05～0.35％。

Mn：可以有效地提高钢材淬透性。锰还可以与钢中的硫形成高熔点(1600℃)的MnS，一定程度上消除了钢中硫元素的危害。因此，本发明Mn含量控制为0.80～1.30％。

Cr：可以提高钢的淬透性并且有助于强度的提高。在C含量较低的情况下，添加适量的Cr，可以保证钢材达到所需的淬透性与强度。因此，本发明将其含量控制在1.00～1.50％。

Mo：可以显著提高钢的淬透性和强度。在低合金钢中添加少量的Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性以改善热处理性能，但Mo也是贵重金属，含量过高会增加成本。因此，本发明中Mo的含量控制在0.15～0.45％。

Ni：是贵重金属，并且可以提高钢的淬透性和强度；但是Ni的成本较高。在本发明钢种中Ni是以残余元素的形式存在。本发明Ni含量控制为≤0.20％。

Cu：可以提高钢材的抗腐蚀性能，但过高的Cu会恶化钢材表面质量，产生铜裂现象。在本发明钢种中Cu是以残余元素的形式存在。本发明Cu含量控制为≤0.20％。

Al：铝主要作为炼钢的强脱氧剂加入钢中，并且Al还能与N结合，起到细化晶粒的作用。铝和氧的亲和力很强，形成的氧化物夹杂易于上浮而去除，从而降低钢中的总氧含量。但并不是钢中加入的铝越多钢中的氧含量就越低，而是存在一个最佳的加入量。因此，本发明Al含量控制在0.020～0.100％。

N与钢中的Al结合形成AlN质点，AlN质点可以有效的细化钢材奥氏体晶粒。N在该钢种中的核心作用是通过细化晶粒来提高钢材的强度与韧性。同时生产过程需要配合合理的冶炼与轧制工艺，使钢中的Al与N元素充分结合形成细小而弥散分布的AlN质点，AlN质点起到钉扎晶界的作用，从而阻止钢材奥氏体晶粒长大。因此，本发明专利的N含量范围为0.0050～0.0250％。

P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢材的强度与韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P≤0.015％。

S：可以提升钢材的切削性能，在钢中加入一定含量的S，S与Mn形成的硫化物分布在钢中，降低了切削抗力，割断了基体的连续性而使钢材切削易断，MnS的润滑作用降低了刀具的损耗，降低了用户的使用加工成本。本发明专利的S含量范围为0.010～0.060％。

O：钢中氧元素会与Al元素结合形成有害的Al₂O₃球状或颗粒状脆性夹杂物，Al₂O₃变形能力较低，通常形成疲劳裂纹区，从而降低钢材的强度与韧性。因此对23CrMnMoS钢的氧含量进行严格控制。本发明O含量控制≤0.0010％。

本发明的另一目的是要提供上述高强度齿轮用钢23CrMnMoS的制备方法，

制造流程包括电炉/转炉—炉外精炼—真空脱气—连铸—连轧—质检—包装—入库。

主要生产工艺特点如下：

1、电炉/转炉初炼：按照设计的钢水配比准备优质铁水与优质合金，将原料装入电炉/转炉中，并吹氧助熔。电炉/转炉终点碳含量控制在0.05～0.12％，防止钢水过氧化。终点磷含量控制在≤0.010％，采用挡渣出钢方式出钢，出钢结束后立即进行扒渣处理。

2、LF精炼：精炼全过程采用底吹氩搅拌，加合成渣、石灰、萤石等材料造渣。精炼过程使用铝(铝线+铝粒)强脱氧：采用铝线沉淀脱氧与铝粒扩散脱氧相结合的方式加强脱氧。当钢液中铝的化学当量超过氧时，会生成不溶于钢液并且密度小于钢液的簇状Al₂O₃非金属夹杂物，大尺寸的簇状Al₂O₃将快速上浮至钢液表面的钢渣中，可以有效的降低钢中的氧含量与非金属夹杂物的含量。精炼炉测温取样次数控制在3-5次，精炼炉化学成分与温度(LF炉温度1580-1690℃)必须精确控制。整个精炼过程时间要求≥30min。

3、真空炉脱气：精炼后的钢水采用高真空脱气处理，高真空度要求≤133Pa。高真空度维持时间要求≥10min。真空处理结束后喂入硫铁线，硫含量需要稳定控制在0.010～0.060％。

4、连铸：连铸全过程采用保护浇铸模式，稳定控制中包钢液过热度在10-15℃范围，合适的过热度可以降低夹杂物堵塞水口的几率，并且获得较好的成分偏析，可以通过结晶器水口塞棒电磁线圈加热工艺稳定控制钢液温度，连铸过热度可以温度稳定控制在10-15℃。较好的铸坯成分偏析有助于提高钢材的拉伸性能与冲击性能。

连铸通过控制结晶器冷却强度(1.26×10⁴KJ/Kg≤结晶器冷却水带走热量≤4.2×10⁴KJ/Kg)，二冷区域冷却强度等措施。分阶段控制连铸坯的凝固速率(即凝固厚度)，第一阶段结晶器凝固速率为15mm/min-20mm/min，第二阶段二冷区凝固速率2mm/min-5mm/min。通过MEMS+FEMS相组合，使得结晶核心不断增多，促进等轴晶区不断扩大，同时在凝固过程中两相区存在着不断向上流动的运动过程，对等轴晶沿着向下方向进行聚合滑移起到有效的抑制，并且配合使用末端电磁搅拌与动态轻压下改善了中心的偏析情况，使得中心区域形成优良的无V形AlN质点分布区域，AlN质点可以弥散均匀分布在整个连铸坯中，最终有利于连铸坯凝固后的AlN质点均匀化。通过细化奥氏体晶粒度的方法提高钢材的强度与韧性。

V形是指钢水凝固时一般呈现V型，即连铸坯是从表向里、从前往后凝固，因此，连铸坯凝固终点仅在中心位置有一点钢水，而凝固起点则有大量的钢水，凝固过程整个钢水分布呈现出卧V字形分布。无V型分布是指AlN质点分布区域不受钢水V型凝固的形式所限制，能够在整个区域不论是钢水区域还是凝固区域都能够析出。

5、轧制：轧制前对连铸坯进行长时间(≥3h)高温扩散处理，高温扩散温度控制在1140℃～1280℃，控制开轧温度≥990℃并且终轧温度≥770℃，在两相区进行轧制，尚未相变的奥氏体将继续变形，已经相变生成的铁素体也会产生不同程度的变形。终轧结束后钢材组织包含4种不同的形态：(1)细小等轴的铁素体(2)有微小变形的铁素体。(3)细小等轴的奥氏体和(4)有微小变形的奥氏体。轧后采用高温下线(≥600℃)入坑缓冷工艺，缓冷结束后获得均匀的珠光体与铁素体组织，保证热轧钢材硬度降低至240HBW以下。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明高强度齿轮用钢23CrMnMoS通过对常规渗碳齿轮钢20CrMnMo化学成分进行改良。通过控制钢中氧含量并且使用适量的Al、N合金元素细化晶粒，并结合C、Mn、Cr、Mo这四个元素对钢材强度与韧性的影响效果，优化设计了一种全新的高强度齿轮用钢23CrMnMoS，该钢种具有较强的市场的前景和较高的推广价值。

23CrMnMoS高强度齿轮钢连铸过热度控制在10-15℃，获得较好的成分偏析。连铸浇注过程采用MEMS+FEMS方式，并配合使用铸坯动态轻压下工艺。通过分段(两阶段)控制连铸坯的凝固速率：第一阶段为15mm/min-20mm/min，第二阶段为2mm/min-5mm/min，使得连铸坯中AlN质点在整个连铸坯内均匀分布，热轧钢材奥氏体晶粒度≥7.0级，最终生产的钢材的强度与韧性均较高。

附图说明

图1为本发明实施例23CrMnMoS的金相示意图，奥氏体晶粒度为8.0级；

图2为参照例23CrMnMoS产品的金相示意图，奥氏体晶粒度为6.0级。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

23CrMnMoS高强度齿轮用钢的生产工艺如下：

按该钢的化学成分组成配置冶炼原料，依次加入经优选的铁水及废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸方坯300mm*340mm→连铸方坯抛丸→步进式加热炉加热→高压水除鳞→连铸坯轧制→热轧圆钢表面探伤+内部超声波探伤-质检-入库。

实施例1的具体步骤是：

一、炼钢

1.电炉选用优质铁水，优质铁水占比为50％以上；其余为优质废钢。

2.电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：重点控制电炉出钢时的终点碳0.05—0.012％，终点磷≤0.010％。

3.LF炉精炼：精炼全过程采用底吹氩搅拌钢板，通过铝线沉淀脱氧与铝粒扩散脱氧相结合的方式加强钢水脱氧，降低钢中的氧含量。采用计算机系统精确控制钢液的化学成分，通过添加合金块将钢水中的合金元素调至设计范围。整个精炼过程时间35分钟。

4.真空炉脱气：在≤133Pa的高真空度下保持15分钟。钢水真空脱气后取样分析化学成分，根据分析结果微调化学成分，尤其是通过硫铁线对钢水中的S含量进行调控。

5.连铸：连铸全过程采用保护浇铸模式，稳定控制钢液过热度(10℃-15℃)与连铸拉速0.80m/min。并且采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、动态轻压下等技术，尤其是FEMS和动态轻压下的组合，连铸过程中通过控制结晶器冷却强度：1.26×10⁴KJ/Kg≤结晶器冷却水带走热量≤4.2×10⁴KJ/Kg，和通过控制二冷区的冷却强度，分段控制连铸坯的凝固速率：第一阶段为15mm/min-20mm/min，第二阶段2mm/min-5mm/min，使得铸造过程中AlN质点在整个连铸坯中均匀分布，提高连铸坯表面与内部质量。

二、轧制：

1.轧制过程采用控轧控冷工艺：首先，连铸坯经过较长时间的高温加热，加热温度控制在1140℃～1280℃，加热时间大于3小时，实现高温扩散。然后，控制开轧温度大于990℃并且终轧温度大于770℃。轧制成型后迅速高温(≥600℃)下线入坑缓冷48小时以上，热轧圆钢硬度控制在240HBW以下。

2.轧制后的圆钢首先采用漏磁探伤检测表面质量，然后使用超声波探伤检测钢材内部质量。超声波探伤按照GB/T4162要求进行检测，满足A级要求；钢材表面漏磁探伤采用0.2mm精度进行检测。

为了更清楚的表达本发明，列举了实施例(23CrMnMoS)、参照例(23CrMnMoS)进行对比。

a.实施例与参照例的具体化学成分如表1所示。

表1(wt％)

项目	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	N	Cu	Ni	O(ppm)
													实施例(23CrMnMoS)	0.23	0.15	1.15	0.010	0.021	1.37	0.32	0.034	0.0129	0.02	0.01	6.3
参照例(23CrMnMoS)	0.24	0.15	1.17	0.011	0.030	1.39	0.31	0.021	0.0079	0.02	0.01	13.9

b.连铸过程：

实施例连铸过程中钢水过热度为12℃。

实施例第一阶段凝固速率18mm/min，第二阶段凝固速率3mm/min。

参照例连铸过程中钢水过热度为35℃。

参照例第一阶段凝固速率23mm/min，第二阶段凝固速率2mm/min。

c.力学性能：热轧圆钢按照GB/T2975的要求取样，然后按照GB/T 228与GB/T 229的要求进行检测抗拉强度与常温(20℃)冲击性能。力学性能检测结果如表2所示。

表2

d.奥氏体晶粒度：热轧圆钢按照GB/T 6394要求测定奥氏体晶粒度。实施例与参照例的奥氏体晶粒度检测结果如图1、2所示，从图中可以看出，本申请实施例的晶粒度级别更高，相应的力学性能尤其是强度也更高。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种制造高强度齿轮用钢23CrMnMoS的方法，其特征在于：该钢的元素成分按质量百分比设计为C：0.19～0.27%，Si：0.05～0.35%，Mn：0.80～1.30%，Cr：1.00～1.50%，Mo：0.15～0.45%，P：≤0.015%，S：0.010～0.060 %，Cu：≤0.20%，Ni：≤0.20%，Al：0.020～0.100%,N：0.0050～0.0250%，O：≤0.0010%，余量为Fe及不可避免的杂质；按照GB/T 6394要求测定奥氏体晶粒度，结果≥7.0级；

制造方法包括如下工序：

（1）钢水初炼：按所述的元素成分配比优质铁水与优质合金，将原料装入电炉或转炉中，吹氧助熔，终点碳含量控制在0.05～0.12%，防止钢水过氧化，终点磷含量控制在≤0.010%，采用挡渣出钢方式出钢，出钢结束后立即进行扒渣处理；

（2）钢水精炼：精炼全过程采用底吹氩搅拌钢水，钢水表面造渣，过程中使用铝线和铝粒进行强脱氧：铝线进入钢水深部进行沉淀脱氧，铝粒在钢水表面扩散脱氧；当钢液中铝的化学当量超过氧时，此时会在钢水中形成不溶于钢液并且密度小于钢液的簇状Al₂O₃非金属夹杂物，大尺寸的簇状Al₂O₃将快速上浮至钢液表面的钢渣中，精炼炉测温取样次数控制在3-5次，将精炼炉温度控制在1580-1690℃，整个精炼过程时间控制在≥30min；

（3）真空脱气：精炼后的钢水采用高真空脱气处理，真空度≤133Pa，真空度保持时间≥10min，真空处理结束后喂入硫铁线，将钢水中的硫含量控制在0.010～0.060%；

（4）铸造：采用连铸工艺铸造钢坯，连铸全过程采用保护浇铸模式即将钢水和空气完全隔离开，控制中包钢液的过热度在10-15℃；连铸过程中通过控制结晶器冷却强度：1.26×10⁴KJ/Kg≤结晶器冷却水带走热量≤4.2×10⁴KJ/Kg以及二冷区配水，分阶段控制连铸坯的凝固速率即凝固厚度，其中第一阶段结晶器凝固速率为15mm/min-20mm/min，第二阶段二冷区凝固速率2mm/min-5mm/min，另采用结晶器电磁搅拌MEMS+凝固末端电磁搅拌FEMS的复合电磁搅拌，并且将末端电磁搅拌与动态轻压下进行配合改善了连铸坯中心的偏析，让连铸坯中心区域形成无V形AlN质点分布区域，AlN质点能够弥散均匀分布在整个连铸坯中，让连铸坯凝固后的AlN质点均匀化；

（5）轧制：轧制前对连铸坯进行高温扩散，扩散温度控制在1140℃～1280℃，扩散时间≥3h，轧制结束后高温下线，下线温度≥600℃，下线后产品直接入坑缓冷，将热轧钢材硬度降低至240HBW以下，缓冷后钢的金相组织是均匀的珠光体与铁素体。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：钢中氧含量≤10ppm。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：对于热轧圆钢的产品，按照GB/T2975的要求取样，按照GB/T 228与GB/T 229的要求进行样品检测，产品的屈服强度≥980MPa，抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12%，断面收缩率≥45%，室温下夏比冲击功KU₂≥75J。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：工序（2）中，钢水中添加合成渣、石灰、萤石进行造渣。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：工序（5）中，控制开轧温度≥990℃，终轧温度≥770℃，实现奥氏体和铁素体两相区轧制变形，热轧结束后钢的金相组织包含4种不同的形态：细小等轴的铁素体、发生微小变形的铁素体、细小等轴的奥氏体和发生微小变形的奥氏体。