CN113005366B - 一种保淬透性齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种保淬透性齿轮钢及其制备方法，包含以下质量百分比组分：C:0.18‑0.21%，Si:0.20‑0.28%，Mn:0.75‑1.05%，Cr:0.95‑1.25%，Ti:0.035‑0.055%，Al:0.020‑0.035%，B:0.0008‑0.0030%，P≤0.020%，S≤0.010%，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，其余为Fe。本申请采用转炉、双精炼和连铸工艺，通过控制初炼和强化精炼，大包水口吹氩、结晶器保护渣过程全保护、等离子中包加热恒温恒拉速浇注、复合电磁搅拌制得窄淬透带、疲劳寿命优异的齿轮钢。

Description

一种保淬透性齿轮钢及其制备方法
技术领域
本申请涉及冶金制造技术领域，特别涉及一种保淬透性齿轮钢及其制备方法。
背景技术
齿轮产品是机械工业的关键基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。我国齿轮行业以市场为导向，按照市场规律形成了车辆齿轮与工业齿轮两大体系。随着汽车工业的发展，车辆齿轮市场需求日益增加。
车辆齿轮在服役条件下不但要承受巨大的交变载荷，还要承受巨大的冲击载荷，因此要求齿轮不仅具有良好的强韧性、耐磨性，还要具备变形小、精度高、噪音低等特点，这就对齿轮用钢提出了很高的要求。
20CrMnTiH是目前国内齿轮钢中的主导产品，占我国齿轮钢总量的60％左右，其性能良好，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。但20CrMnTiH齿轮钢在生产过程中存在淬透性控制不理想，末端淬透性波动大、离散度大等问题，产品质量不稳定，疲劳寿命较差。所以，申请人认为，现有的20CrMnTiH化学成分及生产工艺有进一步改进的空间，以期获得窄淬透性，疲劳寿命优异的产品。
发明内容
针对现有的20CrMnTiH齿轮钢淬透性控制不理想的问题，本申请提供了一种保淬透性齿轮钢及其制备方法。
第一方面，本申请提出了一种保淬透性齿轮钢，是通过以下技术方案得以实现的：
一种保淬透性齿轮钢，包含以下质量百分比的组分：C:0.18-0.21％，Si:0.20-0.28％，Mn:0.75-1.05％，Cr:0.95-1.25％，Ti:0.035-0.055％，Al:0.020-0.035％，B:0.0008-0.0030％，P≤0.020％，S≤0.010％，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，Mo≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，本申请在20CrMnTiH齿轮钢原有化学成分的基础上进行成分调整和优化，并在制备过程中进行精确控制，最终得到的齿轮钢末端淬透性稳定，淬透带窄，晶粒细小均匀、带状组织级别低，纯洁度高，提高了齿轮的纯净度和疲劳寿命。
具体的，本申请在国标规定的20CrMnTiH钢种的各化学成分的基础上，补充添加了B元素，同时降低了Mn和Cr合金含量。B的含量增加，可以提高齿轮钢的淬透性，而且用B来部分替代Mn和Cr，可以降低Mn合金和Cr合金的加入量，从而降低齿轮钢的生产成本。
另外，本申请进一步采用Al来部分替代Ti，Ti元素可以起到细化晶粒的作用，但Ti在钢中会与N、C形成硬度较大且具有尖、棱角的化合物，轧制时不会变形，其与基体之间会形成裂纹，对齿轮的疲劳寿命影响较大。所以，本申请降低了Ti含量的同时，提高Al的含量，能够细化晶粒或防止混晶，降低齿轮钢的脆性，提高机械强度，防止裂纹的形成，提高了齿轮的疲劳寿命。
综上所述，本申请在国标规定的20CrMnTiH钢种的各化学成分的基础上进行调整优化，适当采用B来部分替代Mn和Cr，并且适当采用Al来部分替代Ti元素，利用多种元素复合，从而使获得的齿轮钢晶粒细小均匀，具有稳定的末端淬透性，离散度小，减少齿轮热处理后的变形量，提高了齿轮的啮合精度和使用寿命。
可选的，一种保淬透性齿轮钢，包含以下质量百分比的组分：C:0.19-0.21％，Si:0.20-0.28％，Mn:0.75-0.85％，Cr:0.95-1.05％，B:0.0008-0.0030％，Ti:0.035-0.055％，Al:0.020-0.035％，P≤0.020％，S≤0.010％，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，Mo≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，本申请进一步限定齿轮钢中各成分的含量，制备得到的齿轮钢的J9:34-40HRC，J15:26-32HRC，具有较窄的淬透带。
可选的，一种保淬透性齿轮钢，包含以下质量百分比的组分：C:0.19-0.21％，Si:0.20-0.28％，Mn:0.85-0.95％，Cr:1.05-1.15％，B:0.0008-0.0030％，Ti:0.035-0.055％，Al:0.020-0.035％，P≤0.020％，S≤0.010％，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，Mo≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，本申请进一步限定齿轮钢中各成分的含量，制备得到的齿轮钢的J9:37-43HRC，J15:28-35HRC，具有较窄的淬透带。
可选的，一种保淬透性齿轮钢，包含以下质量百分比的组分：C:0.18-0.20％，Si:0.20-0.28％，Mn:0.95-1.05％，Cr:1.15-1.25％，B:0.0008-0.0030％，Ti:0.035-0.055％，Al:0.020-0.035％，P≤0.020％，S≤0.010％，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，Mo≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，本申请进一步限定齿轮钢中各成分的含量，制备得到的齿轮钢的J9:38-45HRC，J15:32-38HRC，具有较窄的淬透带。
第二方面，本申请提供了一种保淬透性齿轮钢的制备方法，是通过以下技术方案得以实现的一种上述保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水、废钢和生铁，铁水、废钢和生铁的质量比为(72.0-72.2):(6.27-6.29):1；进入转炉的铁水温度≥1250℃、P≤0.150％、含渣量≤0.5％；采用底吹的方式供氧，氧压≥0.8MPa，氧压，氮氩切换时间8-9min；造渣碱度控制在3.0-3.5；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.08-0.12％；P≤0.015％，出钢温度1620-1650℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢，加入脱氧剂、合金，并在放钢后期加入石灰渣洗；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1520-1550℃，吊包温度：1615-1625℃，液相线温度为1500-1510℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量100-150L/min，Ar压力0.3-0.4MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为250-350L/min，第二次通电过程氩气流量50-100L/min，Ar压力0.3-0.4MPa；软吹过程吹氩气：软吹11-12min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流25000-35000A，送电加热造渣8-10min；再次通电采用4级电压，电流30000-35000A，加入石灰，再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量10-12㎏/吨钢，碱度控制在3.0-5.0，白渣保持25-30min，FeO＜0.5％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧；
喂丝处理：钢水温度≥1570℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为2.5-3.15kg/吨钢，硼铁的加入量为0.13-0.32kg/吨钢；出站前喂铁钙线250-300m，喂线速度3-5m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1610-1620℃，吊包温度：1570±5℃，液相线温度为1500-1510℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量100-200L/min，压力0.3-0.4MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量7-12Nm3/h，压力0.4-0.6MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持15-20min，总真空时间控制在25-30min，真空处理前期氩气压力0.4-0.5MPa，真空处理后期氩气压力0.2-0.3MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1570±5℃；中包温度：1525-1540℃，液相线1505-1510℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为190-195m3/h，二冷水比水量0.2-0.25L/㎏；结晶器电磁搅拌2-2.5Hz、200-260A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为15-30℃；
S6.轧制。
通过采用上述技术方案，本申请严格控制转炉初炼、钢包脱氧合金化、LF精炼、真空精炼、连铸和轧制等齿轮钢生产过程中的参数，使生产得到的齿轮钢的化学成分在规定的范围内，制备得到的齿轮钢淬透带窄，疲劳寿命优异。
具体的，本申请在转炉后投加脱氧剂，能够降低钢水中氧的含量以及非金属B、D类夹杂物含量，从而提高齿轮钢的疲劳寿命。另外，本申请还进行炉后渣洗操作，能够使钢中的夹杂物和脱氧产物上浮，提高钢水的纯净度。另外，本申请通过初炼和精炼收窄内控成分控制范围，对钢的成分进行微调，提高进站成分准确度。本申请在精炼后采用复合电磁搅拌(结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌)工艺技术和等离子加热中包的方法确保低过热度浇铸，实现低温浇铸工艺配加合理的电磁搅拌参数，大大改善铸坯低倍质量，提高铸坯成分均匀性，将铸坯偏析控制在较低水平，从而降低带状组织的级别，缩小齿轮热处理后的变形量，提高齿轮的疲劳寿命。
综上所述，本申请采用先进的转炉、双精炼(LF炉+VD真空处理)和连铸工艺流程，通过控制初炼和强化精炼，大包水口吹氩、中间包覆盖剂、结晶器保护渣等过程全保护、复合电磁搅拌开发得到窄淬透带、疲劳寿命优异的齿轮钢。
可选的，步骤S2中，所述合金包括人造石墨9.9-10.1kg/吨钢、铝条1.9-2.1kg/吨钢、硅锰合金10.50-14.47kg/吨钢、硅铁1.20-1.22kg/吨钢、高碳铬铁7.9-8.5kg/吨钢、低碳铬铁8.3-11.65kg/吨钢；合金的加入方法为：依次加入人造石墨、铝条、硅锰合金和硅铁、铬铁。
通过采用上述技术方案，本申请在钢包脱氧合金化过程中，精确的加入规定量的合金，并通过后续的精炼过程进行进一步控制，最终便可得到含有规定化学成分的具有窄淬透带、疲劳寿命优异的齿轮钢，满足车辆对齿轮性能的要求。
可选的，步骤S2中，所述脱氧剂选用铝块，用量为0.7-1.2kg/吨钢。
通过采用上述技术方案，本申请采用最常用的铝块作为脱氧剂，可以有效的降低钢水中的氧含量，而且不会引入其他杂质，从而在保证齿轮钢具有较高合格率的同时，提高了齿轮钢的疲劳寿命。
可选的，步骤S2中，在放钢后期石灰的加入量为3-4kg/吨钢。
通过采用上述技术方案，本申请在转炉后加入石灰进行渣洗，并控制石灰的加入量，有效利用了转炉出钢和钢包调运时间提前进行渣系调整，提前渣化和预脱硫可以有效缩短齿轮钢的生产时间，提高齿轮钢的生产效率。
可选的，步骤S3通电造渣过程中，石灰的加入量为5-8kg/吨钢。
可选的，步骤S3通电造渣过程中，电石加入总量在0.9-1.1kg/吨钢；铝粒加入量为0.3-0.35kg/吨钢。
通过采用上述技术方案，本申请通过在造渣过程中加入规定量的石灰，以及加入规定量的电石和铝粒对顶渣进行处理，可以对钢水起到很好的脱硫、脱氧的作用，同时控制钢中杂物形态，达到精确控制钢水成分的目的。
可选的，步骤S5中，中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm。
通过采用上述技术方案，本申请进一步控制中间包的液面高度，一方面有效防止了钢水的溢出，避免生产成本的提高；另一方面，防止中间包套眼以及下渣情况的发生，从而保证了浇筑过程的顺利进行。
可选的，步骤S5中，中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入240-250kg中包覆盖剂，再加入50-70kg稻壳。
通过采用上述技术方案，本申请在中包钢液到2/3高度时加入中包覆盖剂和稻壳，可以起到很好的保温作用，防止浇铸过程中温降过大，减少钢液面热损失，而且还能够隔离钢液和空气，防止空气对钢水的二次氧化，降低最终得到的齿轮钢中氧含量，从而提高齿轮钢的疲劳寿命。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1.本申请在20CrMnTiH齿轮钢原有化学成分的基础上，降低Cr和Mn含量的同时，增加B的含量，可以显著提高齿轮钢的淬透性，最终得到的齿轮钢淬透带窄且稳定，离散度小，提高了齿轮的啮合精度；
2.本申请在20CrMnTiH齿轮钢原有化学成分的基础上，采用Al来替代部分Ti，能够细化晶粒或防止混晶，形成的组织均匀，成分偏析较小，有效降低了齿轮钢的脆性，防止了裂纹的形成，提高了齿轮的机械强度及疲劳寿命；
3.本申请齿轮钢中Cr的含量较20CrMnTiH齿轮钢有所降低，可以较好的缓解国家金属资源紧缺的现状，同时也降低了齿轮钢的生产成本。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水976.32kg、废钢85.13kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1250℃、P:0.150％、含渣量:0.5％；采用底吹的方式供氧，氧压0.8MPa，氮氩切换时间8min；造渣碱度控制在3.0；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.08％；P:0.015％，出钢温度1620℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为0.7kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨9.9kg/吨钢、铝条2.1kg/吨钢、硅锰合金12.10kg/吨钢、硅铁1.22kg/吨钢、高碳铬铁7.9kg/吨钢、低碳铬铁8.3kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为4kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1520℃，吊包温度：1615℃，液相线温度为1500℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量150L/min，Ar压力0.4MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为350L/min，第二次通电过程氩气流量100L/min，Ar压力0.4MPa；软吹过程吹氩气：软吹12min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流25000A，送电加热造渣8min；再次通电采用4级电压，电流30000A，加入石灰，石灰的加入量为5kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量10㎏/吨钢，碱度控制在3.0，白渣保持25min，FeO:0.4％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在0.9kg/吨钢；铝粒加入量为0.3kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1590℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为2.5kg/吨钢，硼铁的加入量为0.15kg/吨钢；出站前喂铁钙线250m，喂线速度3m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1610℃，吊包温度：1565℃，液相线温度为1510℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量100L/min，压力0.3MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量12Nm3/h，压力0.4MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持15min，总真空时间控制在25min，真空处理前期氩气压力0.4MPa，真空处理后期氩气压力0.2MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1565℃；中包温度：1525℃，液相线1505℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：300*360mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为190m3/h，二冷水比水量0.2L/㎏；结晶器电磁搅拌2.5Hz、200A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为30℃；中间包钢水液面高度≥300mm；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入240kg中包覆盖剂，再加入70kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.19％，Si:0.20％，Mn:0.85％，Cr:0.95％，B:0.0010％，Ti:0.035％，Al:0.020％，P:0.018％，S:0.010％，T[O]:20ppm，T[N]:60ppm，Ni:0.02％，Cu:0.03％，Mo:0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水974.88kg、废钢85.17kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1270℃、P:0.130％、含渣量:0.4％；采用底吹的方式供氧，氧压0.82MPa，氮氩切换时间9min；造渣碱度控制在3.5；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.12％；P:0.012％，出钢温度1650℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为1.2kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨10.1kg/吨钢、铝条1.9kg/吨钢、硅锰合金10.50kg/吨钢、硅铁1.20kg/吨钢、高碳铬铁8.05kg/吨钢、低碳铬铁9.1kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为3kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1550℃，吊包温度：1625℃，液相线温度为1510℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量100L/min，Ar压力0.3MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为250L/min，第二次通电过程氩气流量50L/min，Ar压力0.3MPa；软吹过程吹氩气：软吹11min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流35000A，送电加热造渣10min；再次通电采用4级电压，电流35000A，加入石灰，石灰的加入量为8kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量12㎏/吨钢，碱度控制在5.0，白渣保持30min，FeO:0.5％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在1.1kg/吨钢；铝粒加入量为0.35kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1570℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为3.15kg/吨钢，硼铁的加入量为0.32kg/吨钢；出站前喂铁钙线300m，喂线速度5m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1620℃，吊包温度：1575℃，液相线温度为1500℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量200L/min，压力0.4MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量7Nm3/h，压力0.6MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持20min，总真空时间控制在30min，真空处理前期氩气压力0.5MPa，真空处理后期氩气压力0.3MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1575℃；中包温度：1540℃，液相线1510℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：350*400mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为195m3/h，二冷水比水量0.25L/㎏；结晶器电磁搅拌2Hz、260A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为15℃；中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入250kg中包覆盖剂，再加入50kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.21％，Si:0.28％，Mn:0.75％，Cr:1.05％，B:0.0030％，Ti:0.055％，Al:0.035％，P:0.020％，S:0.009％，T[O]:18ppm，T[N]:78ppm，Ni:0.01％，Cu:0.02％，Mo:0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例3
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水977.59kg、废钢84.89kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1320℃、P:0.110％、含渣量:0.45％；采用底吹的方式供氧，氧压0.81MPa，氮氩切换时间8.5min；造渣碱度控制在3.2；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.08％；P:0.013％，出钢温度1630℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为1.0kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨10kg/吨钢、铝条2.05kg/吨钢、硅锰合金13.45kg/吨钢、硅铁1.21kg/吨钢、高碳铬铁8.0kg/吨钢、低碳铬铁9.2kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为3.5kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1525℃，吊包温度：1620℃，液相线温度为1505℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量120L/min，Ar压力0.35MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为280L/min，第二次通电过程氩气流量60L/min，Ar压力0.35MPa；软吹过程吹氩气：软吹11min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流28000A，送电加热造渣9min；再次通电采用4级电压，电流34000A，加入石灰，石灰的加入量为6kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量10.5㎏/吨钢，碱度控制在3.5，白渣保持26min，FeO:0.42％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在0.10kg/吨钢；铝粒加入量为0.32kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1600℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为3.05kg/吨钢，硼铁的加入量为0.24kg/吨钢；出站前喂铁钙线260m，喂线速度4m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1620℃，吊包温度：1570℃，液相线温度为1510℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量170L/min，压力0.35MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量8Nm3/h，压力0.5MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持17min，总真空时间控制在28min，真空处理前期氩气压力0.4MPa，真空处理后期氩气压力0.2MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1570℃；中包温度：1530℃，液相线1508℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：300*360mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为192m3/h，二冷水比水量0.22L/㎏；结晶器电磁搅拌2.5Hz、200A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为20℃；中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入250kg中包覆盖剂，再加入60kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.21％，Si:0.28％，Mn:0.95％，Cr:1.05％，B:0.0020％，Ti:0.05％，Al:0.025％，P:0.019％，S:0.007％，T[O]:15ppm，T[N]:75ppm，Ni:0.02％，Cu:0.07％，Mo:0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水976.32kg、废钢85.13kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1270℃、P:0.130％、含渣量:0.37％；采用底吹的方式供氧，氧压0.83MPa，氮氩切换时间9min；造渣碱度控制在3.5；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.10％；P:0.012％，出钢温度1640℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为0.8kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨10.05kg/吨钢、铝条1.95kg/吨钢、硅锰合金12.09kg/吨钢、硅铁1.20kg/吨钢、高碳铬铁8.05kg/吨钢、低碳铬铁10.22kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为3.2kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1540℃，吊包温度：1622℃，液相线温度为1510℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量130L/min，Ar压力0.38MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为320L/min，第二次通电过程氩气流量90L/min，Ar压力0.38MPa；软吹过程吹氩气：软吹12min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流30000A，送电加热造渣9min；再次通电采用4级电压，电流32000A，加入石灰，石灰的加入量为7kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量11㎏/吨钢，碱度控制在4，白渣保持29min，FeO:0.44％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在1.05kg/吨钢；铝粒加入量为0.3kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1580℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为2.92kg/吨钢，硼铁的加入量为0.15kg/吨钢；出站前喂铁钙线265m，喂线速度3.5m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1615℃，吊包温度：1570℃，液相线温度为1510℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量150L/min，压力0.38MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量10Nm3/h，压力0.55MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持18min，总真空时间控制在26min，真空处理前期氩气压力0.45MPa，真空处理后期氩气压力0.25MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1570℃；中包温度：1530℃，液相线1508℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：350*400mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为195m3/h，二冷水比水量0.24L/㎏；结晶器电磁搅拌2Hz、260A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为25℃；中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入250kg中包覆盖剂，再加入65kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.19％，Si:0.20％，Mn:0.85％，Cr:1.15％，B:0.0010％，Ti:0.045％，Al:0.03％，P:0.017％，S:0.006％，T[O]:15ppm，T[N]:70ppm，Ni:0.03％，Cu:0.02％，Mo:0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水977.32kg、废钢84.96kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1290℃、P:0.110％、含渣量:0.45％；采用底吹的方式供氧，氧压0.88MPa，氮氩切换时间8.5min；造渣碱度控制在3.0；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.09％；P:0.014％，出钢温度1645℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为1.1kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨9.95kg/吨钢、铝条1.98kg/吨钢、硅锰合金14.47kg/吨钢、硅铁1.205kg/吨钢、高碳铬铁8.02kg/吨钢、低碳铬铁10.19kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为3.7kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1535℃，吊包温度：1619℃，液相线温度为1504℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量111L/min，Ar压力0.33MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为285L/min，第二次通电过程氩气流量75L/min，Ar压力0.33MPa；软吹过程吹氩气：软吹11.5min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流26000A，送电加热造渣8.5min；再次通电采用4级电压，电流31000A，加入石灰，石灰的加入量为6.5kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量11.5㎏/吨钢，碱度控制在3.5，白渣保持28min，FeO:0.46％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在0.95kg/吨钢；铝粒加入量为0.32kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1575℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为2.73kg/吨钢，硼铁的加入量为0.288kg/吨钢；出站前喂铁钙线295m，喂线速度3.4m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1619℃，吊包温度：1571℃，液相线温度为1504℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量135L/min，压力0.33MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量11Nm3/h，压力0.49MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持16min，总真空时间控制在28min，真空处理前期氩气压力0.41MPa，真空处理后期氩气压力0.22MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1573℃；中包温度：1535℃，液相线1506℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：350*400mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为192m3/h，二冷水比水量0.21L/㎏；结晶器电磁搅拌2Hz、260A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为20℃；中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入250kg中包覆盖剂，再加入55kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.18％，Si:0.20％，Mn:1.05％，Cr:1.15％，B:0.0025％，Ti:0.040％，Al:0.025％，P:0.015％，S:0.006％，T[O]:16ppm，T[N]:62ppm，Ni:0.02％，Cu:0.02％，Mo:0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例6
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水976.50kg、废钢85.10kg、生铁13.54kg；进入转炉的铁水温度1280℃、P:0.105％、含渣量:0.29％；采用底吹的方式供氧，氧压0.81MPa，氮氩切换时间8.6min；造渣碱度控制在3.5；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.11％；P:0.012％，出钢温度1630℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢；加入铝块，铝块用量为0.9kg/吨钢；按顺序依次加入人造石墨10kg/吨钢、铝条2.0kg/吨钢、硅锰合金13.78kg/吨钢、硅铁1.217kg/吨钢、高碳铬铁8.50kg/吨钢、低碳铬铁11.65kg/吨钢；在放钢后期加入石灰渣洗，石灰的加入量为3.6kg/吨钢；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1545℃，吊包温度：1621℃，液相线温度为1509℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量146L/min，Ar压力0.36MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为325L/min，第二次通电过程氩气流量84L/min，Ar压力0.36MPa；软吹过程吹氩气：软吹11.7min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流31000A，送电加热造渣9.5min；再次通电采用4级电压，电流33000A，加入石灰，石灰的加入量为7.9kg/吨钢；再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量11.8㎏/吨钢，碱度控制在4.5，白渣保持27min，FeO:0.41％；采用电石、铝粒进行渣面脱氧，电石加入总量在1.04kg/吨钢；铝粒加入量为0.33kg/吨钢；
喂丝处理：钢水温度1585℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为3.07kg/吨钢，硼铁的加入量为0.13kg/吨钢；出站前喂铁钙线267m，喂线速度4.2m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1613℃，吊包温度：1568℃，液相线温度为1507℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量179L/min，压力0.39MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量10Nm3/h，压力0.53MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持18min，总真空时间控制在27min，真空处理前期氩气压力0.46MPa，真空处理后期氩气压力0.25MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用：方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1567℃；中包温度：1538℃，液相线1507℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：铸坯规格：350*400mm；采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为193m3/h，二冷水比水量0.23L/㎏；结晶器电磁搅拌2Hz、260A，末端电磁搅拌8Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为26℃；中间包钢水液面高度≥300mm开浇；上下炉连接转包浇钢时，中间包液面高度≥400mm；停浇时中间包液面高度≥250mm；中包开浇后中包钢液到2/3高度时加入250kg中包覆盖剂，再加入66kg稻壳；红坯送轧或入坑缓冷；
S6.轧制。
生产得到的齿轮钢中C:0.20％，Si:0.28％，Mn:0.95％，Cr:1.25％，B:0.0008％，Ti:0.045％，Al:0.028％，P:0.017％，S:0.009％，T[O]:18ppm，T[N]:69ppm，Ni:0.02％，Cu:0.02％，Mo:0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
对比例1
采用现有的20CrMnTiH齿轮钢，化学成分：C:0.17％，Si:0.37％，Mn:1.10％，P:0.020％，S:0.017％，Cr:1.35％，Ti:0.065％，T[O]:16ppm，T[N]:64ppm，Ni:0.02％，Cu:0.02％，Mo:0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
对比例2
一种保淬透性齿轮钢的制备方法，与实施例2的区别在于：步骤S3中，不加入硼铁。
性能检测
参照GB/T 5216-2014标准检测本申请实施例1-6和对比例1-2制备得到的齿轮钢末端淬透性、低倍组织、高倍组织、表面质量等性能。
1.末端淬透性
表1
Figure BDA0002951656520000141
从表1可以看出，本申请实施例1-6制备得到的齿轮钢的淬透性优于对比例1和对比例2，而且实施例1-6制备得到的齿轮钢淬透带窄且稳定。
2.低倍检验
表2
Figure BDA0002951656520000151
3.高倍检验
表3
Figure BDA0002951656520000152
从表2-3可以看出，与对比例1-2相比，本申请实施例1-6制备得到的齿轮钢低倍组织良好，夹杂物级别低，晶粒度高，晶粒细小，组织均匀，成分偏析小，带状组织级别低，且齿轮钢表面不出现裂纹、结疤、折叠及夹杂等现象，从而使制备得到的齿轮钢具有优异的疲劳寿命。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.转炉初炼：向转炉中加入铁水、废钢和生铁，铁水、废钢和生铁的质量比为(72.0-72.2):(6.27-6.29):1；进入转炉的铁水温度≥1250℃、P≤0.150%、含渣量≤0.5%；采用底吹的方式供氧，氧压≥0.8MPa，氮氩切换时间8-9min；造渣碱度控制在3.0-3.5；
放钢终点控制：高拉补吹，C控制在0.08-0.12%；P≤0.015%，出钢温度1620-1650℃；
S2.钢包脱氧合金化：达到终点控制要求，周转包，底吹畅通，无渣出钢，加入脱氧剂、合金，并在放钢后期加入石灰渣洗；
S3.LF精炼：LF炉进站温度为：1520-1550℃，吊包温度：1615-1625℃，液相线温度为1500-1510℃；LF炉中进行底吹氩气、通电造渣、调整成分、喂丝处理；
底吹控制：在线底吹氩气：出钢过程吹Ar流量100-150L/min，Ar压力0.3-0.4MPa；造渣过程吹氩气：第一次通电过程流量为250-350L/min，第二次通电过程氩气流量50-100L/min，Ar压力0.3-0.4MPa；软吹过程吹氩气：软吹11-12min后吊包；
通电造渣：化渣采用6级电压、电流25000-35000A，送电加热造渣8-10min；再次通电采用4级电压，电流30000-35000A，加入石灰，再根据炉渣的流动性适当补加萤石；总渣量10-12㎏/吨钢，碱度控制在3.0-5.0，白渣保持25-30min，FeO＜0.5%；采用电石、铝粒进行渣面脱氧；
喂丝处理：钢水温度≥1570℃，炉渣变白后加入钛铁和硼铁，钛铁的加入量为2.5-3.15kg/吨钢，硼铁的加入量为0.13-0.32kg/吨钢；出站前喂铁钙线250-300m，喂线速度3-5m/s；
S4.真空精炼：VD炉进站温度为1610-1620℃，吊包温度：1570±5℃，液相线温度为1500-1510℃；
底吹控制：钢包进VD炉后，吹Ar流量100-200L/min，压力0.3-0.4MPa；合盖真空脱气处理，氩气流量7-12Nm3/h，压力0.4-0.6MPa；
真空控制：真空度达到0.067kPa以下后保持15-20min，总真空时间控制在25-30min，真空处理前期氩气压力0.4-0.5MPa，真空处理后期氩气压力0.2-0.3MPa；
软吹处理：待真空完毕后，吹氩弱搅拌15min后吊包；
S5.连铸：大包采用氩封长水口，中包采用φ34mm的水口，结晶器保护渣用方坯低碳保护渣；
温度控制：吊包温度：1570±5℃；中包温度：1525-1540℃，液相线1505-1510℃，等离子感应加热开启；
浇注控制：采用全保护浇铸，拉速0.43m/min，结晶器水流量为190-195 m3/h，二冷水比水量0.2-0.25 L/㎏；结晶器电磁搅拌2-2.5Hz、200-260A，末端电磁搅拌8 Hz、340A；等离子加热控制浇铸过热度为15-30℃；
S6.轧制；
所得保淬透性齿轮钢的组分为:以质量百分比记，C:0.18-0.21%，Si:0.20-0.28%，Mn:0.75-1.05 %，Cr:0.95-1.25%，Ti:0.035-0.055%，Al: 0.020-0.035%，B:0.0008-0.0030%，P≤0.020%，S≤0.010%，T[O] ≤20ppm，T[N] ≤80ppm，Ni≤0.10%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述合金包括人造石墨9.9-10.1kg/吨钢、铝条1.9-2.1kg/吨钢、硅锰合金10.50-14.47kg/吨钢、硅铁1.20-1.22kg/吨钢、高碳铬铁7.9-8.5kg/吨钢、低碳铬铁8.3-11.65kg/吨钢；合金的加入方法为：依次加入人造石墨、铝条、硅锰合金和硅铁、铬铁。
3.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述脱氧剂选用铝块，用量为0.7-1.2kg/吨钢。
4.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：步骤S2中，在放钢后期石灰的加入量为3-4 kg/吨钢。
5.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：步骤S3通电造渣过程中，石灰的加入量为5-8 kg/吨钢。
6.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：步骤S3通电造渣过程中，电石加入总量在0.9-1.1kg/吨钢；铝粒加入量为0.3-0.35kg/吨钢。
7.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：所得保淬透性齿轮钢的组分为:以质量百分比记，C:0.19-0.21%，Si:0.20-0.28%，Mn:0.75-0.85%，Cr:0.95-1.05%，B:0.0008-0.0030%，Ti:0.035-0.055%，Al:0.020-0.035%，P≤0.020%，S≤0.010%，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：所得保淬透性齿轮钢的组分为:以质量百分比记，C:0.19-0.21%，Si:0.20-0.28%，Mn:0.85-0.95%，Cr:1.05-1.15%，B:0.0008-0.0030%，Ti:0.035-0.055%，Al:0.020-0.035%，P≤0.020%，S≤0.010%，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质。
9.根据权利要求1所述的一种保淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：所得保淬透性齿轮钢的组分为:以质量百分比记，C:0.18-0.20%，Si:0.20-0.28%，Mn:0.95-1.05%，Cr:1.15-1.25%，B:0.0008-0.0030%，Ti:0.035-0.055%，Al:0.020-0.035%，P≤0.020%，S≤0.010%，T[O]≤20ppm，T[N]≤80ppm，Ni≤0.10%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质。
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