CN113373382A - 一种含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢及零件的冷成型方法 - Google Patents

一种含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢及零件的冷成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含Nb冷成型用Cr‑Ni渗碳钢及零件的冷成型方法，通过降低C含量，减少球化退火后的球状珠光体含量，有效控制坯料硬度；添加高含量Ni，提高坯料中的铁素体塑性和韧性，冷成型时零件内部及表面不易出现变形微裂纹；利用Nb与N、C在钢中固溶特性，在奥氏体化温度1100～1250℃部分析出，在锻造温度能保持钢晶粒不粗化；NbN/NbC完全析出，保证晶粒细于7级，不需采用中冷处理。预氧化采用分段式控制，活化工件表面，降低内外温差，使内外受热更加均匀，零件内在组织启动重复结晶，使内外组织更加均匀，避免急剧升温引起热处理变形加剧；降低含Ni钢淬火零件表面残余奥氏体，提升表硬度不小于HRC61。

Description

一种含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢及零件的冷成型方法
技术领域
本发明属于冶金及零件的冷成型技术领域，具体涉及一种含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢及零件的冷成型方法。
背景技术
重型变速箱圆柱齿轮、环类零件采用冷挤压成型工艺，成型时局部变形大，导致截面变形不均匀，在后续渗碳热处理时晶粒容易粗化。目前，国内冷挤压成型零件广泛采GB/T5216中规定的渗碳钢，坯料经球化退火或完全退火工艺，硬度范围HB135～145，冷挤压成型时抗力大，不容易成型，局部变形量较大区域，容易出现内部微裂纹。另外，对于冷成型零件采用连续炉渗碳或转炉渗碳，设备需具有中冷处理能力来细化晶粒，对渗碳热处理设备提出特殊要求。
中国发明专利(专利号CN201810775502.X)公开一种Nb、Ti复合微合金化高温针孔渗碳重载齿轮用钢的应用，Nb、Ti复合微合金化为非冷加压成型专用渗碳钢，坯料经球化退火或完全退火工艺，硬度范围HB135～145，无法解决冷挤压成型抗力问题，渗碳处理晶粒长大趋势。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能降低球化退火后硬度且热变形小的含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢及零件的冷成型方法。
为实现上述目的，本发明所设计的含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢，化学成分按质量百分比包括C 0.10～0.14％、Mn 0.50～1.20％、P≤0.035％、S 0.02～0.04％、Cr 0.90～1.40％、Al 0.015～0.035％、Nb 0.05～0.06％、O≤12ppm、N 100～150ppm、Si≤0.30％、Ni0.90～1.40％、Cu 0.10～0.20％、Mo≤0.06％、V≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述化学成分按质量百分比包括C 0.10～0.12％、Mn 0.50～1.00％、P≤0.035％、S 0.03～0.04％、Cr 0.90～1.10％、Al 0.015～0.020％、Nb 0.05～0.06％、O≤12ppm、N 100～150ppm、Si≤0.30％、Ni 1.20～1.40％、Cu 0.15～0.20％、Mo≤0.06％、V≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
现有GB/T5216中没有含Nb渗碳钢，而渗碳钢中可通过添加Ti、Nb或Al来细化晶粒，Nb与Ti相比，没有液析的TiN大颗粒夹杂物，NbN/NbC在奥氏体化温度1100～1250℃部分析出，保证锻造温度晶粒不粗化。与Al相比，NbN/NbC的析出温度较高，在900～980℃渗碳处理过程完全析出，保证长时间渗碳过程晶粒不粗化。
还提供一种如上述所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢的制造方法，包括如下步骤：
1)初炼：采用电炉或转炉，炉温控制1620～1670℃，出钢前进行预脱氧，1600～1650℃出钢并添加合成渣；
2)LF精炼：降低钢液中O、S及夹杂物含量，O小于12ppm，S≤0.04％，控制温度1520～1620℃，钢包中N≤100ppm，精炼30～50min；
3)Rh/VD真空：真空度小于140ppm，钢包中N含量不大于100ppm，控制温度1530～1650℃，真空时间30～50min；
4)连铸：钢包至中间包长水口保护浇注，中间包液面覆盖剂保护，中包钢水过热度控制在15～25℃；
5)轧制：加热均温1130～1250℃，时间2～4h，开轧温度1100～1200℃，终轧温度不小于860℃。
进一步地，所述步骤2)中，出钢前12～20min加入Nb，控制Nb含量0.04～0.06％。
进一步地，所述步骤3)中，加入MnN使N含量达到100～150ppm，没有液析的大颗粒析出。
进一步地，所述步骤4)中，中间包至结晶器注流的浸入式水口保护浇注，结晶器液面保护渣，钢坯拉速1.0～1.20m/min，过程采用动态轻压下。
还提供一种零件的冷成型方法，包括如下步骤：
1)碾环/锻造成型：采用上述所述的含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢下料，感应加热1100～1250℃，碾环/锻造成型；
2)碾环/锻造余热等温正火：碾环/锻造成型后温度不低于860℃，送入900～1000℃等温正火炉，保温1～2h，冷却至600～700℃保温2～3h；
3)三段式球化退火：第一次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；第二次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；第三次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；经过多次加热，转变球状珠光体更细小；炉冷至500℃以下出炉，锻件的硬度不大于HB125，同一零件硬度散差不大于HB6；
4)冷加压成型：精车后浸入润滑剂，风干挤压成型，冷加压过程为反挤压形式，挤压成型后560～580℃高温回火2～4h；去除应力，硬度HB180～200；
5)粗车、精车加工
6)分段预热式渗碳热处理：将零件放入炉内预氧化采用分段控制：加热到360～460℃保温40～60分钟，活化工件表面，降低内外温差，使内外受热更加均匀，再持续加热到550～650℃保温40～60分钟，零件内在组织启动重复结晶，使内外组织更加均匀，避免急剧升温引起热处理变形加剧；然后900～920℃下强渗处理，碳势0.9～1.0％，860～880℃下高温扩散，碳势0.65～0.75％，830～850℃下低温扩散，碳势0.60～0.65％，降低温度810～830℃淬火。
进一步地，所述步骤2)中，组织转变为等轴珠光体+铁素体，喷丸去除氧化皮。
进一步地，所述步骤4)中润滑剂为高分子润滑剂。
进一步地，所述步骤5)中，粗车冷成型端面、不平端面及成型未去除端面，精车内孔，精插滚内齿。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)通过降低C含量0.10～0.14％，减少球化退火后的球状珠光体含量，有效控制坯料硬度；添加高含量Ni，提高坯料中的铁素体塑性和韧性，冷成型时零件内部及表面不易出现变形微裂纹，钢中添加Ni含量0.90～1.4％，材料成本增加相对较低；利用Nb与N、C在钢中固溶特性，添加0.05～0.06％的Nb元素，在奥氏体化温度1100～1250℃部分析出，在锻造温度能保持钢晶粒不粗化；渗碳处理900～980℃，NbN/NbC完全析出，保证晶粒细于7级，不需采用中冷处理，降低了生产成本。
2)与常规球化退火方式不同，本发明采用三段式球化退火，转变为更加均匀细小的球状珠光体，硬度不大于HB125，硬度散差不大于HB6，适宜于冷挤压成型。
3)预氧化采用分段式控制，将零件放入炉内预氧化采用分段控制：加热到360～460℃保温40～60分钟，活化工件表面，降低内外温差，使内外受热更加均匀，再持续加热到550～650℃保温40～60分钟，零件内在组织启动重复结晶，使内外组织更加均匀，避免急剧升温引起热处理变形加剧；然后900～920℃下强渗处理，碳势0.9～1.0％，860～880℃下高温扩散，碳势0.65～0.75％，830～850℃下低温扩散，碳势0.60～0.65％，降低温度810～830℃淬火降低含Ni钢淬火零件表面残余奥氏体，提升表硬度不小于HRC61。
附图说明
图1为实施例1采用分段式预氧化工艺检测结果图；
图2为对比例1采用常规预氧化方式检测结果图；
图3为实施例2采用分段式预氧化工艺检测结果图；
图4为对比例2采用常规预氧化方式检测结果图.
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
实施例1
某重型变速箱副箱内齿圈，渗碳生产，渗碳工艺层深要求0.8～1.1mm。
含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢：化学成分质量百分比包括：C 0.14％、Mn 0.75％、P0.016％、S 0.025％、Cr 1.00％、Al 0.020％、Nb 0.06％、O 10ppm、N 120ppm、Si 0.20％、Ni 1.20％、Cu 0.12％、Mo 0.05％、V 0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明成型工艺：含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢下料感应加热1100℃，碾环成型后温度不低于860℃，送入950℃等温正火炉，保温1h，冷却至650℃保温2.5h，喷丸去除氧化皮。零件加热到760℃，保温4h，降温700℃保温4h；加热到760℃，保温4h，降温700℃保温4h；加热到760℃，保温4h，降温700℃保温4h，炉冷至500℃以下，经过多次加热，转变球状珠光体更细小，硬度HB112～117，硬度散差HB6。精车后浸入高分子润滑剂处理，风干准备挤压成型，冷加压过程为反挤压形式，挤压成型后560℃高温回火4h，去除应力，硬度HB190～200。粗车冷成型端面、不平端面及成型未去除端面，随后以基准面定位，加工内壁环型槽，精插滚内齿，圆度、锥度0.05mm以内，齿向fHβ20～25μm。采用连续炉渗碳处理：将零件放入炉内，预氧化采用分段控制，温度360℃保温60分钟，温度550℃保温60分钟；然后900℃强渗处理，碳势0.9％，860℃高温扩散，碳势0.65％，830℃低温扩散，碳势0.60％，830℃压淬，淬火介质德润宝MARQUENCH729，温度120℃，回火温度170℃，零件圆度、锥度控制0.06mm，齿向螺旋线偏差fHβ20μm，检测结果见图1。
对比例1
对比例1采用与实施例1不同的渗碳热处理工艺，其它的均与实施例1相同。
采用连续炉渗碳处理：将零件放入炉内，一次性在460℃下进行预氧化保温105min，然后900℃强渗处理，碳势0.9％，860℃高温扩散，碳势0.65％，830℃低温扩散，碳势0.65％，降低温度810℃压淬，淬火介质德润宝MARQUENCH729，温度120℃，回火温度170℃，零件圆度、锥度控制0.07mm，齿向螺旋线偏差fHβ29μm，见图2。对比例1与实例1同一批次半成品零件，选用不同渗碳热处理工艺，轮齿圆度、锥度及齿向螺旋线偏差数值较大，而实施例1采用分段式预热渗碳热处理能有效改善零件变形。
实施例2
某重型变速箱副箱内齿圈，渗碳生产，渗碳工艺层深要求0.8～1.1mm。
含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢：化学成分质量百分比包括：C 0.10％、Mn 1.10％、P0.016％、S 0.025％、Cr 1.20％、Al 0.020％、Nb 0.050％、O 10ppm、N 120ppm、Si 0.10％、Ni 1.40％、Cu 0.18％、Mo 0.05％、V 0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明成型工艺：含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢下料感应加热1250℃，碾环成型后温度不低于860℃，送入1000℃等温正火炉，保温2h，冷却至700℃保温2h，喷丸去除氧化皮。零件加热到780℃，保温2h，降温680℃保温2h；加热到780℃，保温2h，降温680℃保温2h；加热到780℃，保温2h，降温680℃保温2h，炉冷至500℃以下，经过多次加热，转变球状珠光体更细小，硬度HB120～125，硬度散差HB6。精车后浸入高分子润滑剂处理，风干准备挤压成型，冷加压过程为反挤压形式，挤压成型后580℃高温回火2h，去除应力，硬度HB203～210。粗车冷成型端面、不平端面及成型未去除端面，随后以基准面定位，加工内壁环型槽，精插滚内齿，圆度、锥度0.05mm以内，齿向fHβ20～25μm。采用连续炉渗碳处理：将零件放入炉内，预氧化采用分段控制，温度460℃保温40分钟，温度650℃保温40分钟；然后920℃强渗处理，碳势1.0％，880℃高温扩散，碳势0.75％，850℃低温扩散，碳势0.65％，830℃压淬，淬火介质德润宝MARQUENCH729，温度120℃，回火温度170℃，零件圆度、锥度控制0.08mm，齿向螺旋线偏差fHβ38μm，检测结果见图3。
对比例2
对比例2采用与实施例2不同的渗碳热处理工艺，其它的均与实施例2相同。
采用连续炉渗碳处理：将零件放入炉内，一次性在500℃下进行预氧化保温105min，然后900℃强渗处理，碳势0.9％，860℃高温扩散，碳势0.65％，830℃低温扩散，碳势0.65％，降低温度810℃压淬，淬火介质德润宝MARQUENCH729，温度120℃，回火温度170℃，零件圆度、锥度控制0.10mm，齿向螺旋线偏差fHβ51μm，见图4。对比例1与实例1同一批次半成品零件，选用不同渗碳热处理工艺，轮齿圆度、锥度及齿向螺旋线偏差数值较大，而实施例2采用分段式预热渗碳热处理能有效改善零件变形。

Claims (10)

1.一种含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢，其特征在于：化学成分按质量百分比包括C 0.10～0.14％、Mn 0.50～1.20％、P≤0.035％、S 0.02～0.04％、Cr 0.90～1.40％、Al 0.015～0.035％、Nb 0.05～0.06％、O≤12ppm、N 100～150ppm、Si≤0.30％、Ni 1.20～1.40％、Cu0.10～0.20％、Mo≤0.06％、V≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢，其特征在于：所述化学成分按质量百分比包括C 0.10～0.12％、Mn 0.50～1.00％、P≤0.035％、S 0.03～0.04％、Cr 0.90～1.10％、Al 0.015～0.020％、Nb 0.05～0.06％、O≤12ppm、N 100～150ppm、Si≤0.30％、Ni0.40～1.40％、Cu 0.15～0.20％、Mo≤0.06％、V≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种根据权利要求1或2所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)初炼：炉温控制1620～1670℃，出钢前进行预脱氧，1600～1650℃出钢并添加合成渣；
2)LF精炼：降低钢液中O、S及夹杂物含量，O小于12ppm，S≤0.04％，控制温度1520～1620℃，钢包中N≤100ppm，精炼30～50min；
3)Rh/VD真空：真空度小于140ppm，钢包中N含量不大于100ppm，控制温度1530～1650℃，真空时间30～50min；
4)连铸：钢包至中间包长水口保护浇注，中间包液面覆盖剂保护，中包钢水过热度控制在15～25℃；
5)轧制：加热均温1130～1250℃，时间2～4h，开轧温度1100～1200℃，终轧温度不小于860℃。
4.根据权利要求3所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢的制造方法，其特征在于：所述步骤2)中，出钢前12～20min加入Nb，控制Nb含量0.04～0.06％。
5.根据权利要求3所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢的制造方法，其特征在于：所述步骤3)中，加入MnN使N含量达到100～150ppm。
6.根据权利要求3所述含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢的制造方法，其特征在于：所述步骤4)中，中间包至结晶器注流的浸入式水口保护浇注，结晶器液面保护渣，钢坯拉速1.0～1.20m/min，过程采用动态轻压下。
7.一种零件的冷成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)碾环/锻造成型：采用权利要求1或2所述的含Nb冷成型用Cr-Ni渗碳钢下料，感应加热1100～1250℃，碾环/锻造成型；
2)碾环/锻造余热等温正火：碾环/锻造成型后温度不低于860℃，送入900～1000℃等温正火炉，保温1～2h，冷却至600～700℃保温2～3h；
3)三段式球化退火：第一次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；第二次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；第三次加热到760～780℃，保温2～4h，降温至680～700℃保温2～4h；炉冷至500℃以下出炉；
4)冷加压成型：精车后浸入润滑剂，风干挤压成型，冷加压过程为反挤压形式，挤压成型后560～580℃高温回火2～4h；；
5)粗车、精车加工
6)分段预热式渗碳热处理：预氧化采用分段控制：加热到360～460℃保温40～60分钟，持续加热到550～650℃保温40～60分钟；900～920℃下强渗处理，碳势0.9～1.0％，860～880℃下高温扩散，碳势0.65～0.75％，830～850℃下低温扩散，碳势0.60～0.65％，降低温度810～830℃淬火。
8.根据权利要求7所述零件的冷成型方法，其特征在于：所述步骤2)中，组织转变为等轴珠光体+铁素体，喷丸去除氧化皮。
9.根据权利要求7所述零件的冷成型方法，其特征在于：所述步骤4)中润滑剂为高分子润滑剂。
10.根据权利要求7所述零件的冷成型方法，其特征在于：所述步骤5)中，粗车冷成型端面、不平端面及成型未去除端面，精车内孔，精插滚内齿。
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