CN112941404B - 一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强高韧低碳齿轮钢。该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.33％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.90～1.20％，P：≤0.03％，S：≤0.030％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.20～0.50％，(Ni+Mo)≤1.65％，N：0.010～0.020％，Al：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢采用低碳设计，确保材料芯部的强韧性，常温冲击功≥45J。通过高硅设计，显著提高钢材淬回火表面硬度，从而提高其耐磨性。另外，该发明钢种添加较高含量的Ni，提高强度的同时确保钢材的韧性。该设计钢材抗拉强度≥1500MPa，具有高强高韧高耐磨特性。

Description

一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

齿轮及齿轴是机械、车辆等重要零件，几乎所有的变速及变向传动都需要通过齿轮及齿轴。齿轮齿合传动时，齿面呈高频率的线接触，要求齿面具有高硬度，确保其耐磨性。齿轮或齿轴芯部承受交变弯曲应力易产生疲劳断裂，为了保证其疲劳，要求芯部具有高韧性。绝大部分齿轴或齿轮类零件均采用低碳设计，确保芯部韧性。同时，为了提高齿面的硬度及耐磨性，成型后进行渗碳、渗氮或碳氮共渗处理，以渗碳为主。然而，进行渗碳热处理时通常需要将零件加热至870～980℃，保温数小时甚至数十小时以获得一定深度的渗碳层。渗碳温度越低，渗碳所需时间越长，能耗、成本增加。提高渗碳温度，可适当缩短渗碳时间，但材料的晶粒度粗化风险随着温度的提高而增加，一旦晶粒发生异常长大，材料的性能将迅速恶化。申请号CN201910388858.2公开的一种高温渗碳齿轮钢及生产方法，所述钢种C：0.18-0.22％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.75-0.85％，P：≤0.010％，S：0.010-0.025％，Cr：0.45-0.55％，Ni：0.45-0.65％，Mo：0.15-0.25％，Al：0.008-0.015％，V：0.04-0.08％，Zr：0.03-0.08％，N：0.0060-0.0080％；文中指出通常材料在后续加工时齿轮钢在950～1100℃下进行高温渗碳，保温4.5～5.5h。该发明为一种典型的低碳渗碳齿轮钢，低碳设计，能确成品零件保芯具有较高的韧性，表面通过渗碳提高硬度，最终确保耐磨性，但该发明和所有低碳齿轮钢一样，后续需要长时间的渗碳热处理，成本、能耗、排放增加。

以40CrH、42CrMoH为代表的中碳钢也可用作齿轮钢。但该系列齿轮钢碳含量相对较高，在后续热处理时通常无需渗碳，靠渗氮淬回火调整表面硬度以达到设计的齿面耐磨性，相比于渗碳处理，加工流程缩短，能耗及成本大大降低。但中碳类齿轮钢由于碳含量相对较高，导致芯部韧性相对低碳渗碳齿轮钢低，缓解吸收芯部疲劳源扩展的能力较低碳渗碳齿轮钢弱，所以不利于制作长寿命齿轮或齿轴。

综上，能够发明一种高强高韧低碳齿轮钢，既能确保齿轮芯部强度韧性，采用渗氮处理等低能耗的热处理方式也能满足齿轮表面硬度及耐磨性要求，显得意义重大。这也是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法，既能确保齿轮芯部强度韧性，采用渗氮处理等低能耗的热处理方式也能满足齿轮表面硬度及耐磨性要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强高韧低碳齿轮钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.33％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.90～1.20％，P：≤0.03％，S：≤0.030％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.20～0.50％，(Ni+Mo)：≤1.65％，N：0.0100～0.0200％，Al：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明钢材力学性能满足：抗拉强度≥1500MPa，常温冲击功≥45J。

本发明所述的一种高强高韧低碳齿轮钢，为了实现齿轮后续热处理时免去渗碳，降低加工成本、降耗减排，必须提高材料调质后的表面耐磨性。为此，在该钢材中添加了较高含量的Si，Si可以提高钢材显著提高该钢回火硬度，从而提高齿面耐磨性，因为齿轮最终热处理通常为回火处理，回火后若表面硬度显著降低，则齿轮的耐磨性则会显著降低。为了提高材料的强度，需要添加Ni、Mn、Cr、Mo等一种或多种合金元素，且为了提高芯部硬度，适当提高能提高材料韧性的Ni的含量，但Ni、Mo都属于贵重合金，为了控制生产成本，需控制Ni、Mo等贵重合金的添加总量，本发明中原则上(Ni+Mo)≤1.65％。不同的元素对材料的强度、硬度、韧性等贡献不同，所以设计一组合适的化学成分能保证材料具有较高的强度、冲击韧性，又能保证淬回火后表面的耐磨性显得尤为重要。

本发明钢材的各元素设计原理、设计思路如下：

C：0.25～0.33％。C是本发明最关键的元素之一。C是用于控制强度最有效、经济的元素。C是本发明钢种的关键元素，为了提高材料的韧性，采取低碳设计。C含量设定范围为0.25～0.33％。

Si：0.80～1.10％。Si也是本发明最关键的元素之一。Si能提高该钢回火后的表面硬度，从而提高齿轮耐磨性，让低碳齿轮后续低能耗的热处理替代高能耗的渗碳热处理成为可能。Si在炼钢时也作为脱氧元素，在钢中有较强的固溶强化作用，能够显著地提高铁素体强度。Si易氧化，传统的热处理方式容易因Si导致材料晶界氧化，但随着生产技术及装备的进步，保护气氛热处理成为常规工艺，能很好地控制高硅齿轮钢的晶界氧化。本发明钢材Si含量设定范围为0.80～1.10％。

Mn：0.90～1.20％。Mn作为脱氧剂作用的元素，通过固溶强化提高钢材的强度，添加一定量的Mn对确保材料的力学性能非常重要。此外Mn和钢中的S结合形成塑性良好的硫化物，使胀断性提高。另一方面Mn较易偏析，对钢的过热敏感，Mn含量过高，易生成贝氏体组织。本发明中的钢材Mn含量范围设定为0.90～1.20％。

P：≤0.030％。除了某些特殊用途的钢种，一般钢种P通常作为有害残余元素存在于钢中。P含量偏高会恶化钢材性能。本发明钢材P含量设定范围为≤0.030％。

S：≤0.030％。S是易切削元素。与钢中的Mn形成MnS或者含MnS的复合夹杂物，从而提高材料切削加工性能，降低切削成本。含硫夹杂物通常熔点较低，S含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。所以视加工需要可适当添加一定含量的S。其含量设定范围为≤0.030％。

为了满足材料设计强度、冲击等性能，钢材又添加如下主要合金元素。

Cr：1.10～1.40％。Cr元素增加淬透性，可细化珠光体的片层间距，有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。本发明中的钢材Cr含量设定范围为1.10～1.40％。

Ni：0.90～1.20％。Ni在该发明钢材中提高强度及冲击韧性的作用。相比于其他合金元素，添加Ni提高强度的同时，对确保冲击韧性是最有利，所以该钢添加较高含量的Ni。本发明中的钢材Ni含量设定范围为0.90～1.20％。

Mo：0.20～0.50％。Mo是强碳化物形成元素，Mo可显著提高钢材强度及硬度，并且十分有提高钢材软化温度。本发明中的钢材Mo含量设定范围为0.20～0.50％。

(Ni+Mo)：≤1.65％。Ni、Mo都属于贵重合金，为了控制生产成本，需控制Ni、Mo等贵重合金的添加总量，本发明中原则上(Ni+Mo)≤1.65％。

本发明实质上是一种低碳的硅铬锰镍钼钢。为了提高芯部韧性及表面淬火硬度，设计成分时也可作合金元素的组合调配，比如添加适当量的Cu、B一种或多种元素，或者调整Cr、Mn、Ni、Mo等的含量以满足设计要求。

另外，为了细化钢材组织，本发明可以添加以下一种或多种N、Al、Ti、Nb细化晶粒元素。

本发明所设计钢材经真空自耗炉冶炼铸成小钢锭后再改锻成材，钢材的金相组织为铁素体+珠光体。锻打时1180～1230℃保温300min，较高的温度有利于C及合金元素的均匀化，提高组织的均匀性。同时提高加热温度可促使Al、Nb、N等细化组织元素的固溶，在后续锻打及冷却时充分析出，得到均匀细小的组织。1180±30℃开锻，锻打时控制节奏，确保终锻温度为850±30℃，锻打至

的棒材，由于钢材合金含量较高，淬透性较好，终锻后以≤15℃/S的速度缓慢冷却至500℃后，使奥氏体转变成铁素体加珠光体组织，避免因冷速过快得到贝氏体甚至马氏体组织，低于500℃后钢材可自由冷却。

该钢材经过加热成型及机加工后，只需进行的淬火+回火处理，淬火时加热奥氏体化后，加热至870±20℃，保温40～60min即可。回火温度通常在180～300℃之间。由于本发明钢种添加较高含量的硅，一方面硅可促进消除残余奥氏体，使马氏体分解时形成回火马氏体，实现二次硬化。M₆C碳化物中分布较高含量的硅，且硅的添加可影响回火马氏体中铁素体相的晶格常数，经研究，晶格常数随着硅含量的增加先降低、增加、再降低的趋势，当硅含量达到0.8～1.1％时，晶格常数达到最高值，所以本发明钢种的Si设计范围为0.8～1.1％，通过以上设计提高了硬度，回火后钢材表面硬度≥550HV。而材料芯部由于碳含量较低，具有较好的韧性，满足齿轮零件表面硬度高、芯部韧性好的力学性能要求。而现有常规的低碳齿轮钢表面硬度＜550HV，会显著降低齿轮的耐磨性，这需要对齿轮进行表面渗碳处理，一般渗层深度为0.8～1.2mm，为达到这样的渗层深度，需要在900℃以上加热数小时甚至更长时间，造成能耗急剧增加。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明钢种生产时设定元素控制目标值，通过真空自耗冶炼，再铸造成小钢锭，改锻成材，该发明钢材所制成的齿轮最终热处理采用低能耗的热处理替代高能耗的渗碳热处理就能满足齿轮的设计需要，大大缩短了加工周期，降低加工成本，降耗减排，引领低碳环保的现代化加工潮流。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种高强高韧低碳齿轮钢(钢号为A)的微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-3

按各元素设定的目标值控制的一种高强高韧低碳齿轮钢，实施例1-3见下表1：

表1(wt％,余量为Fe及其他不可避免的杂质元素)

序号	钢号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
									1	A	0.29	0.90	1.03	0.012	0.015	1.22	1.16
2	B	0.27	0.88	0.96	0.012	0.013	1.20	0.95
									3	C	0.32	1.06	1.01	0.009	0.016	1.31	1.20
序号	钢号	Mo	Ni+Mo	Ti	Nb	Al	N
									1	A	0.35	1.51	0.0015	0.003	0.032	0.0145
2	B	0.25	1.20	0.0282	0.002	0.026	0.0120
									3	C	0.36	1.56	0.0013	0.022	0.022	0.0102

对实施例1-3中的高强高韧低碳齿轮钢进行相关测试，测得的力学性能如下表2所示：

表2

从表2中可见，实施例中的钢材力学性能佳，抗拉强度≥1500MPa，常温冲击功(AKv)≥45J，说明该设计齿轮钢具有高强度高韧的特性。而钢材取样进行870±20℃保温60min淬火后再进行200℃回火180min，试样表面硬度≥550HV。另外对所发明钢材取样按YB-T 5345-2014金属材料滚动接触疲劳试验方法，在3500MPa载荷下，转动250万次均未出现剥落失效，表明齿轮具有良好的耐磨性。

图1显示了实施例1中的一种高强高韧低碳齿轮钢的微观组织。从图1可知，该改锻钢材通过锻后缓冷得到的组织为铁素体+珠光体。

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 (3)

1.一种高强高韧低碳齿轮钢的制备方法，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.33%，Si：0.80～1.10%，Mn：0.90～1.20%，P：≤0.03%，S：≤0.030%，Cr：1.10～1.40%，Ni：0.90～1.20%，Mo：0.20～0.50%，（Ni+Mo）：≤1.65%，N：0.0100～0.0200%，Al：0.010～0.050%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述方法为在生产时设定各化学成分的控制目标值，通过真空自耗冶炼，再铸造成小钢锭，通过锻打方式将小钢锭制成钢材，最后采用低能耗的热处理将钢材形成表面硬度≥550HV的齿轮钢；锻打时1180～1230℃保温300min，然后1180±30℃开锻，锻打时控制节奏，确保终锻温度为850±30℃，锻打至合适规格的棒材，终锻后以≤15℃/S的速度缓慢冷却至500℃后，使奥氏体转变成铁素体加珠光体组织，避免因冷速过快得到贝氏体甚至马氏体组织，低于500℃后钢材可自由冷却；所述低能耗的热处理为淬火+回火处理，淬火时加热奥氏体化后，加热至870±20℃，保温40～60min即可，回火温度在180～300℃之间。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧低碳齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述齿轮钢的抗拉强度≥1500 MPa，常温冲击功（AKv）≥45J。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧低碳齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述齿轮钢通过锻后缓冷，组织为铁素体+珠光体。

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