CN112981230B - 一种双电源切换开关齿轮轴销用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电源切换开关齿轮轴销用钢及其制造方法，化学成分按质量百分比设计为C:0.10～0.18％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.30～0.70％，Cr:0.70～1.10％，Ni:0.30～0.80％，P:≤0.020％，S:≤0.010％，Al:≤0.060％，N:≥0.006％，Cu:≤0.20％，Mo:≤0.10％，Ti:≤0.008％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。通过优化钢材中关键元素，采用炼钢、连铸、连轧、以及超声波探伤，获得一种抗冲击性能强的钢材。制造流程为初炼炉—炉外精炼—RH/VD真空脱气—连铸—连轧—超声波探伤。本发明制备的钢材抗拉强度≥730MPa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥15％，面缩率≥55％，常温V型冲击功KV2≥120J，低温(‑20℃)V型冲击功KV2≥60J，钢材表面3mm处硬度为27HRC‑33HRC,该位置处的马氏体含量≤50％。

Description

一种双电源切换开关齿轮轴销用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种双电源切换开关齿轮轴销用钢及其制造方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

双电源切换开关是一种由微处理器控制，用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动自动切换的装置，可使实现电源不间断的供电。当常用电突然故障或停电时，通过双电源切换开关，自动切换到备用电源上，以确保重要用电设施连续、可靠的运行。简单来说，双电源切换开关就是因故停电可以自动切换到另外一个电源的开关。双电源切换开关目前广泛应用于高铁、机场、码头、消防、体育场馆、高层建筑、高档小区、大型公司数据服务器、冶金、化工、纺织等不允许停电的重要场所。

双电源切换开关可以在常用电发生故障或者停电时通过双电源切换开关的齿轮轴销切换到备用电源。双电源切换开关重启电源的一瞬间，其齿轮轴销需要承受较大的冲击。普通合金钢制造的齿轮轴销在承受该冲击后，容易出现疲劳失效现象。因此，有必要发明一种全新的双电源切换开关齿轮轴销用钢，来提升双电源切换开关的使用寿命。

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双电源切换开关齿轮轴销用钢及其制造方法，拥有优异的冲击性能并且具有一定强度的。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种双电源切换开关齿轮轴销用钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C:0.10～0.18％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.30～0.70％，Cr:0.70～1.10％，Ni:0.30～0.80％，P:≤0.020％，S:≤0.010％，Al:≤0.060％，N:≥0.006％，Cu:≤0.20％，Mo:≤0.10％，Ti:≤0.008％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明双电源切换开关齿轮轴销用钢各化学元素对应的主要作用和设计依据是：

C：碳是最重要的硬化元素，有助于增加钢材的强度。但是过高的碳含量会明显降低钢材的冲击性能。因此，本发明碳含量确定为0.10～0.18％。

Si：硅是良好的脱氧剂。炼钢过程用铝脱氧时酌情加一定量的硅，能有效的提高脱氧效率。因此本发明Si含量的范围确定为0.07～0.37％。

Mn：钢中加入一定含量的锰，可以显著提高钢材强度。但是过高的锰含量会降低钢材的冲击韧性。综上考虑，本发明Mn含量的范围确定为0.30～0.70％。

Cr：铬加入可以提升钢材的强度与硬度。但是过高铬元素同样会降低钢材的冲击韧性。因此，本发明将Cr含量的范围确定为0.70～1.10％。

Ni：镍在钢中属于一种固溶强化剂，可以有效地提升钢的冲击性能与强度。因此，本发明将Ni含量的范围确定为0.30％～0.80％。

P：在钢中属于有害元素，它在钢材中易产生偏析，形成Fe₃P，使得钢材的塑性和韧性下降，脆性增大。特别是钢的脆性转折温度急剧升高，从而引起钢的冷脆。因此，本发明需要严格控制磷元素，P≤0.020％。

S：在钢中属于有害元素，硫能使钢材产生热脆性,使钢在轧制与高温锻造时产生开裂，因此，本发明需要严格控制硫元素，S≤0.010％。

Al：铝是强脱氧剂，在炼钢过程中加入铝，可以有效的脱氧。并且铝元素还能与氮元素相结合形成AlN质点，AlN质点具有细化钢材奥氏体晶粒度的作用。本发明将Al含量的范围确定为≤0.060％。

N：可以与铝元素相结合形成AlN质点，弥散分布的AlN质点可以起到钉扎晶界的作用，阻止钢中晶粒在高温状态下长大，从而起到细化奥氏体晶粒度的作用。本发明专利N含量范围为≥0.006％。

Cu、Mo：属于贵金属，Cu、Mo加入会增加炼钢的成本。在本发明钢种中Cu、Mo是以残余元素的形式存在。本发明专利的Cu含量的范围为≤0.20％，Mo含量范围为≤0.10％。

Ti：钛元素与氮元素有很强的亲和力，在钢中会形成TiN夹杂物。TiN属于硬脆型夹杂物，硬度高且不易变形，呈多边形特征且棱角锋利。TiN夹杂物对钢材的冲击韧性不利，因此需要严格控制。本发明Ti含量的范围为≤0.008％。

O：氧与钢中的铝元素易结合，形成非金属夹杂物Al₂O₃，尺寸较大的非金属夹杂物Al₂O₃会降低钢材的疲劳寿命。本发明O含量的范围为≤0.0020％。

H:属于有害元素，氢致白点是钢材上出现的一种有害缺陷,白点的存在会破坏钢材的连续性,严重破坏钢材的力学性能,使钢材易于脆断,对钢材的危害性极大。本发明H含量的范围为≤0.0002％。

本发明另提供一种双电源切换开关齿轮轴销用钢的制造方法，流程主要包括：初炼炉—炉外精炼—RH/VD真空脱气—连铸—连轧—超声波探伤。

其中：初炼炉加入优质的铁水与废钢，初炼过程对钢水升温并且脱碳、脱磷；精炼过程加入优质合金调整钢水的化学成分，并且使用铝脱氧；使用真空脱气炉降低钢水中的气体氢含量；连铸全流程采用保护浇铸的方式，防止钢水二次氧化。

连铸坯入加热炉加热，整个加热过程分为三段。预热段利用加热烟气余热对钢坯进行预加热，以节约燃料，预热段的加热温度为680-880℃，预热段的加热时间≥80分钟；加热段对预加的热钢坯继续升温加热，加热段是整个加热炉的主要供热段，加热段温度为1050-1170℃，加热段的加热时间≥80分钟；均热段可以继续减少钢坯内外温差及消除水冷滑道黑印，稳定均匀加热质量，均热段温度为1160-1280℃，为保证钢坯内外温度均匀，使整根钢坯完全奥氏体化，均热段的加热时间≥100分钟。

连铸坯经高温加热后，出加热炉除鳞后轧制，初轧温度控制在850-950℃；终轧温度控制在730-800℃；因本发明钢种的Ar₁温度为691℃，Ar₃温度为789℃，精轧需要控制在两相区进行轧制，精轧温度控制在710℃-770℃，整个精轧过程在(α+γ)两相区内变形，在部分铁素体晶粒沿轧制方向伸长的过程中，通过动态回复形成的亚晶保持等轴状生长以及织构强化，使得本发明钢材的强度大幅提高而且韧性不降低。一方面，两相区的轧制温度较低，材料在剧烈变形过程中没有发生再结晶的铁素体晶粒内部的位错密度增加，材料的强度通过位错强化的方式得以提升；另一方面，部分再结晶铁素体晶粒尺寸细小，细晶强化可以达到提高强度却不降低韧性的效果。

所述钢材经过热轧之后采用880℃淬火(油淬)+低温200℃回火，热轧钢材加热至880℃保温60-120分钟，使其完全奥氏体化，奥氏体化后的钢材浸入常温的油液使其急速冷却，以促进它的组织发生转变，然后低温200℃回火180分钟，最终距钢材表面3mm处马氏体含量为45％，该位置处的硬度为30HRC

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明钢油淬后它的淬硬层深度必须小于3mm,淬硬层深度是指钢油淬后表面至钢的半马氏体区域，该区域的高温相奥氏体在冷却过程中有50％转变为低温亚稳相马氏体，油淬过程中有50％以上的过冷奥氏体在550℃-435℃(Ms)温度区间首先转变为贝氏体组织，剩余的过冷奥氏体组织在435℃(Ms)-315℃(Mf)温度区间转变为低温亚稳相的板条状马氏体。钢的淬硬层深度越大，就表明这种钢的淬透性越好。而钢的淬透性是钢本身所固有的属性，它只取决于其本身的化学成分，而与外部因素无关，同样，钢的淬硬层深度取决于钢的化学成分。

本发明制备的钢材抗拉强度≥730MPa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥15％，面缩率≥55％，常温V型冲击功KV2≥120J，低温(-20℃)V型冲击功KV2≥60J。

附图说明

图1为本发明实施例1(高温油淬+低温回火后距表面3mm处组织图×500倍)。

图2为本发明实施例2(高温油淬+低温回火后距表面3mm处组织图×500倍)。

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

采用100t转炉+100t精炼+RH真空脱气+小方坯连铸(240mm×240mm)所生产的100吨钢材化学成分为C:0.12％，Si：0.17％，Mn：0.39％，Cr：0.85％，Ni：0.37％，P：0.010％，S：0.003％，Al：0.035％，N：0.010％，Cu：0.01％，Mo：0.01％，Ti：0.002％，[O]：0.0007％，[H]：0.0001％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

连铸坯入加热炉加热，预热段温度为780℃，加热时间为85分钟；加热段温度为1070℃,加热时间为90分钟；均热段温度为1200℃，加热时间为120分钟。高压水除鳞后进行轧制，轧制后的圆钢规格为φ23mm。轧制圆钢按照GB/T 4162-2008中A级的要求进行超声波探伤。

热轧钢材拉伸与冲击按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，冲击与拉伸的试样毛坯尺寸均为φ15mm。拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，冲击按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验。具体力学性能检验结果见表1。

表1

实施例2

采用100t转炉+100t精炼+RH真空脱气+小方坯连铸(240mm×240mm)所生产的100吨钢材化学成分为C:0.11％，Si：0.15％，Mn：0.37％，Cr：0.86％，Ni：0.36％，P：0.009％，S：0.002％，Al：0.033％，N：0.011％，Cu：0.02％，Mo：0.01％，Ti：0.002％，[O]：0.0008％，[H]：0.0001％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

连铸坯入加热炉加热，预热段温度为790℃，加热时间为90分钟；加热段温度为1065℃,加热时间为95分钟；均热段温度为1205℃，加热时间为125分钟。高压水除鳞后进行轧制，轧制后的圆钢规格为φ25mm。轧制圆钢按照GB/T 4162-2008中A级的要求进行超声波探伤。

热轧钢材拉伸与冲击按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，冲击与拉伸的试样毛坯尺寸均为φ15mm。拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，冲击按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验。具体力学性能检验结果见表2。

表2

热轧钢材经880℃淬火(油淬)+低温200℃回火后,距钢材表面3mm处硬度为29HRC,该位置处的马氏体含量为40％。具体显微组织见图2。

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 (4)

1.一种双电源切换开关齿轮轴销用钢的制造方法，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C:0.10～0.18%，Si:0.07～0.37%，Mn:0.30～0.70%，Cr:0.70～1.10%，Ni:0.30～0.80%，P:≤0.020%，S:≤0.010%，Al:≤0.060%，N:≥0.006%，Cu:≤0.20%，Mo:≤0.10%，Ti:≤0.008%，[O]≤0.0020%，[H]≤0.0002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述方法包括初炼炉—炉外精炼—RH/VD真空脱气—连铸—连轧—剪切或锯切—超声波探伤，其中连铸坯加热过程分为三段：预热段利用加热烟气余热对钢坯进行预加热，预热段的加热温度为680-880℃，预热段的加热时间≥80分钟；加热段对预加的热钢坯继续升温加热，加热段温度为1050-1170℃，加热段的加热时间≥80分钟；均热段继续减少钢坯内外温差及消除水冷滑道黑印，稳定均匀加热质量，均热段温度为1160-1280℃，均热段的加热时间≥100分钟；连铸坯经高温加热后，出加热炉除鳞后轧制，初轧温度控制在850-950℃；终轧温度控制在730-800℃；精轧控制在α+γ两相区进行轧制，精轧温度控制在710℃-770℃；所述钢材经过热轧之后采用880℃油淬淬火+低温200℃回火，热轧钢材加热至880℃保温60-120分钟，使其完全奥氏体化，奥氏体化后的钢材浸入常温的油液使其急速冷却，以促进它的组织发生转变，然后低温200℃回火180分钟。

2.根据权利要求1所述的一种双电源切换开关齿轮轴销用钢的制造方法，其特征在于：所述钢材的抗拉强度≥730MPa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥15%，面缩率≥55%，常温V型冲击功KV2≥120J，低温-20℃V型冲击功KV2≥60J。

3.根据权利要求1所述的一种双电源切换开关齿轮轴销用钢的制造方法，其特征在于：所述钢材表面3mm处硬度为27HRC-33HRC,该位置处的马氏体含量≤50%。

4. 根据权利要求1所述的一种双电源切换开关齿轮轴销用钢的制造方法，其特征在于：油淬过程中有50%以上的过冷奥氏体在550℃- Ms 435℃温度区间首先转变为贝氏体组织，剩余的过冷奥氏体组织在Ms 435℃- Mf 315℃温度区间转变为低温亚稳相的板条状马氏体。

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