CN113637915B - 一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Nb‑Ti‑B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法，所述Nb‑Ti‑B微合金化渗碳齿轮钢包括C、Si、Mn、Cr、Nb、Ti、B、S、[N]，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时0.005％≤△Xc≤0.020％，其中，△Xc＝(0.25×[Nb])/7.74+(0.65×[Ti])/3.42；B≥([N]‑Ti/3.42)/1.4+0.001；所述Nb‑Ti‑B微合金化渗碳齿轮钢的渗层残余奥氏体含量控制在≥13％的较高水平，兼具高强度高韧性和优良的接触疲劳性能。

Description

一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法
技术领域
本发明属于齿轮钢技术领域，具体涉及一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法。
背景技术
齿轮钢是特钢领域中用量较大，要求较高的关键材料，广泛应用于机械、交通、能源等领域。齿轮钢的性能要求不仅影响设备的寿命等技术经济指标，同时影响着使用安全性等要求。齿轮工作环境复杂、恶劣，主要失效形式为啮合面磨损，接触疲劳引起的麻坑剥落、齿根弯曲疲劳而产生裂纹或折断等。
中国专利CN 105039867A中公开了一种加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法，其通过控制生产冶炼流程具有性能稳定、淬透性窄带宽、热处理变形小、表面质量好的有点。该钢的化学成分(重量％)为：C 0.18～0.21％，Mn 1.25～1.35％，P≤0.020％，S 0.020～0.030％，Cr 1.16～1.24％，Al 0.025～0.045％，Ti 0.010～0.015％，N 0.0060～0.010％，其余为Fe及不可避免的杂质。但是其强度较低，已不能满足未来机车发展需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法，通过采用复合微合金化方式，通过添加Nb和Ti微合金元素并控制其含量，利用析出的Nb(C、N)和Ti(C、N)钉扎位错运动，从而达到提高材料强度的目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢，所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.18～0.23％，Si：≤0.30％，Mn：1.10～1.40％，Cr：1.10～1.30％，Nb：0.010～0.055％，Ti：0.020～0.060％，B:0.0005～0.0035％，P：≤0.010％，S：0.005～0.035％，T.O：≤20ppm，[H]：≤2.0ppm，[N]：50-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时，0.005％≤△Xc≤0.020％；其中，△Xc＝(0.25×[Nb])/7.74+(0.65×[Ti])/3.42；B≥([N]-Ti/3.42)/1.4+0.001。利用析出的Nb(C、N)和Ti(C、N)钉扎位错运动，从而达到提高材料强度的目的。
所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢优选为包括以下重量百分比的化学成分：C：0.20～0.22％，Si：0.24～0.28％，Mn：1.25～1.35％，Cr：1.15～1.25％，Nb：0.030～0.055％，Ti：0.030～0.055％，B:0.0005～0.0010％，P：≤0.010％，S：0.017～0.025％，T.O：≤20ppm，[H]：≤2.0ppm，[N]：70-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢的在调质状态下的金相组织为板条马氏体，晶粒度等级≥8.5级。
所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢在调质状态下的抗拉强度≥1500MPa，屈服强度≥1200MPa，断面收缩率≥45％，断后伸长率≥17％，冲击功KU2≥40J，经渗碳调质处理后在4.0GPa接触应力条件下，L10≥4.5×107，L50≥7.7×107。
本发明提供的所述的种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：电弧炉冶炼--LF精炼--RH真空处理--连铸--轧制--控温冷却--渗碳处理--调质热处理。
所述轧制工艺中，连铸坯经过1230～1280℃加热保温≥6h后进行轧制，开轧温度1150～1250℃，终轧温度880～950℃，使得钢中微合金元素因为应力诱导而充分析出。
所述开轧温度优选为1180～1210℃；所述终轧温度优选为890～930℃。
所述控温冷却工艺中，轧制之后的齿轮钢经过冷床冷却至600～680℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h，以保证轧材具有较低的硬度，为后续切削下料提供便利。
所述控温冷却工艺中，优选为经过冷床冷却至630～655℃入坑缓冷24～30h。
所述控温冷却工艺之后还包括修磨扒皮步骤，以确保齿轮钢的表面无脱碳、零缺陷。
所述调质热处理工艺为：840～880℃淬火，油冷，180℃～200℃回火，空冷。
所述渗碳热处理工艺为：910～930℃真空渗碳/气体渗碳，渗碳时间＞6h，油冷，油温应≤120℃。
本发明提供的Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢的成分中，各化学成分的作用及控制如下：
C：C是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素。齿轮钢在渗碳淬火过程中主要得到马氏体组织，为了保证钢的强度，为了保证齿轮钢基体马氏体组织具有足够的强度，C含量不能低于0.18％，为保证材料芯部的韧性，C含量不能高于0.22％，故确定C含量为0.18～0.23％；
Si：Si通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提高齿轮钢的淬透性，Si含量大于0.20％。Si是脱氧剂，使得渗碳层容易氧化，从而降低渗碳层韧性，降低齿轮疲劳强度。因此为保证脱氧效果和改善渗层韧性，Si含量不得高于0.30％。Si含量控制在≤0.30％。
Mn：Mn是有效的脱氧剂和脱硫剂，也是保证淬透性元素。因此，Mn含量应大于1.10％。但过量的Mn会降低渗碳层韧性使齿轮疲劳强度降低，因此Mn含量应控制在1.10～1.40％。
Cr：Cr可有效的提高钢的淬透性及强度。在渗碳过程中Cr与C结合形成细小的富Cr碳化物，同时固定钢中的自由碳，降低马氏体中的碳含量从而提高材料的韧性，因此，Cr至少保证1.10％以上。但是，过高的Cr会恶化钢的冷加工性能，因此Cr不得高于1.30％。因此，Cr含量控制在1.10～1.30％。
Ti：Ti与C、O、N都有极强的亲和力，其与C、N结合析出的TiN、TiC相有效的阻碍奥氏体晶粒度长大，起到细化晶粒的作用。钛同样可以提高材料的屈服点。同时钢中加入一定量的Ti，Ar3温度降低非常明显，从而提高试验料的淬透性，尤其Ti含量达到0.020％以上，效果越发明显。含Ti碳化物的析出做为阻碍位错运动的质点，同样能够提高材料的屈服强度。因此Ti含量控制在0.020～0.060％，并适当降低N的含量。
Nb：Nb的碳氮化物可以“钉扎”晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，其在钢中主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度，由于Nb有细化晶粒作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。同时，由于Nb对碳的固定作用会降低基体马氏体中碳含量，提高马氏体的韧性。因此，Nb含量控制在0.010～0.055％。
B：偏聚到晶界提高晶界强度和高温塑性、淬透性。另外，少量的B能够改善渗层的韧性，从而提高材料的接触疲劳寿命，因此B含量应大于0.0005％；但是较高的B会促进钢中形成铁素体，使得钢的强度下降，因此B含量小于0.0035％。为使B达到最佳的效果，还应避免所含B与[N]结合形成BN而不能起到以上作用。因此，B含量应控制在0.0005-0.0035％。
P和S：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的S，在不影响产品性能的同时，会明显改善齿轮钢的切削性能，而MnS同时具有细化晶粒的效果；P是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.010％，S：0.005～0.035％。
[N]：能与Ti、B和Al等形成化合物，细化晶粒，合理的Al/[N]对晶粒细化明显作用，而过高的[N]会形成气泡等连铸缺陷。同时，钢中形成的细小的TiN颗粒能够有效地阻碍奥氏体在高温条件下长大。但是，TiN属于脆性夹杂，较多的TiN不利于钢的疲劳性能。因此，[N]含量应控制在50-80ppm。
T.O和[H]：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤20ppm；[H]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[H]≤2.0ppm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在渗碳齿轮钢的化学成分控制上，通过采用复合微合金化方式，通过添加Nb和Ti微合金元素并控制其含量，利用析出的Nb(C、N)和Ti(C、N)钉扎位错运动，从而提高渗碳齿轮钢的强度；
2.通过公式△Xc＝(0.25×[Nb])/7.74+(0.65×[Ti])/3.42限定渗碳齿轮钢中的固溶碳含量，为保证材料的硬度，需控制0.005％≤△Xc≤0.020％，如果△Xc值较高，使得材料韧性降低，本发明通过降低渗层马氏体基体中的固溶碳含量来提高马氏体基体的韧性；
3.通过控制轧制过程的工艺参数使得钢中微合金元素因为应力诱导而充分析出，轧后经过冷床冷却后再入缓冷坑进行缓冷，以保证轧材具有较低的硬度，为后续切削下料提供便利，
4.本发明提供的技术方案可将渗碳齿轮钢的渗层残余奥氏体含量控制在≥13％的较高水平，较高的残余奥氏体含量在保证渗层拥有一定强度的同时还保证渗层的韧性，从而保证材料具有良好的接触疲劳性能。
5.本发明提供的渗碳齿轮钢在调质状态下的抗拉强度≥1500MPa，屈服强度≥1200MPa，断面收缩率≥45％，断后伸长率≥17％，冲击功KU2≥40J，经渗碳调质处理后在4.0GPa接触应力条件下，L10≥4.5×107，L50≥7.7×107，具体可达到调质处理后，抗拉强度1550～1630MPa，屈服强度1230～1280MPa，断面收缩率45～50％，断后伸长率17～20％，冲击功KU2 42～50J。
附图说明
图1为实施例1中的齿轮钢在调质状态下的金相组织图；
图2为实施例2中的齿轮钢在调质状态下的金相组织图；
图3为实施例3中的齿轮钢在调质状态下的金相组织图；
图4为对比例1中的齿轮钢在调质状态下的金相组织图；
图5为对比例2中的齿轮钢在调质状态下的金相组织图；
图6为各实施例与对比例中的渗碳齿轮钢的接触疲劳P-N图。
具体实施方式
本发明采用特定成分的齿轮钢，共生产3炉渗碳齿轮钢，并采用电弧炉/转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-圆坯/方坯连铸-轧制(精整)成材-感应加热-锻造-精整-控温冷却，钢水在RH工序经过真空度≤200Pa，真空时间≥25min真空脱气处理，连铸坯经过1230～1280℃加热保温≥6h后进行圆钢轧制，开轧温度：1150～1250℃，终轧温度880～950℃，轧后经过冷床冷却至600～680℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h。
并生产2炉20MnCr5钢作为对比钢，并采用电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制(精整)成材-感应加热-锻造-精整-控温冷却，连铸坯经过1200～1280℃加热保温≥6h后进行圆钢轧制，开轧温度：1150～1250℃，终轧温度880～950℃，轧后经过冷床冷却至600～680℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h。
缓冷之后的齿轮钢均经渗碳处理及调质热处理之后，即可得到渗碳齿轮钢，所述调质处理工艺为：840～880℃淬火，油冷，180℃～200℃回火，空冷。渗碳工艺为：910～930℃真空渗碳或气体渗碳，渗碳时间＞6h，油冷，油温应≤120℃。
下面结合具体的实施例及对比例对本发明进行详细说明。
各实施例及对比例中的渗碳齿轮钢的化学成分及重量百分比如表1、表2所示，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
表1本发明实施例和对比例化学成分(单位：T.O和[N]为ppm，其他为wt％)
C Si Mn P S Cr Nb Ti B T.O [N]
实施例1 0.21 0.26 1.33 0.01 0.020 1.21 0.030 0.030 0.0006 12 80
实施例2 0.20 0.25 1.25 0.01 0.019 1.15 0.045 0.045 0.0008 13 70
实施例3 0.20 0.24 1.27 0.01 0.021 1.25 0.055 0.055 0.0010 13 70
对比例1 0.20 0.25 1.32 0.01 0.018 1.16 / / / 14 100
对比例2 0.20 0.25 1.30 0.01 0.020 1.15 0.030 0.025 0.0004 16 140
表2△Xc计算值
△Xc＝(0.25×[Nb])/7.74+(0.65×[Ti])/3.42
实施例1 0.0067
实施例2 0.010
实施例3 0.012
对比例1 0
对比例2 0.0057
各实施例及对比例中的渗碳齿轮钢的轧钢生产工艺参数如表3所示。
表3生产工艺参数
Figure BDA0003218315580000071
Figure BDA0003218315580000081
各实施例及对比例中的轧制缓冷之后的齿轮钢直接经调质热处理之后的力学性能如表4所示，调质热处理工艺为：860℃淬火，油冷，190℃回火，空冷。可以看出本发明实施例1～3所述渗碳齿轮钢兼具高强度高韧性，性能高于对比例1～2性能水平。
表4本发明实施例力学性能
实施例 R<sub>p0.2</sub>/MPa R<sub>m</sub>/MPa A/％ Z/％ KU<sub>2</sub>/J
实施例1 1232 1553 20 47 47
实施例2 1251 1586 18 46 45
实施例3 1280 1623 17 46 42
对比例1 1183 1430 11 50 52
对比例2 1190 1469 12 51 55
各实施例及对比例中的渗碳齿轮钢经渗碳处理及调质热处理后在4.0GPa接触应力条件下的接触疲劳性能、基体马氏体硬度和渗碳层残余奥氏体含量如表5所示，调质热处理工艺为：860℃淬火，油冷，190℃回火，空冷；渗碳热处理工艺为：920℃真空渗碳，渗碳时间7h，油冷，油温80℃。可见，本发明接触疲劳性能高于对比例，基体马氏体硬度和渗层残余奥氏体硬度指标优于对比例。
表5本发明实施例接触疲劳性能、基体马氏体硬度和渗碳层残余奥氏体含量
实施例 接触疲劳性能L<sub>10</sub> 接触疲劳性能L<sub>50</sub> 基体马氏体硬度/GPa 渗层残余奥氏体含量/％
实施例1 4.52×10<sup>7</sup> 7.74×10<sup>7</sup> 11.5 13.4
实施例2 5.21×10<sup>7</sup> 8.03×10<sup>7</sup> 10.8 15.4
实施例3 6.37×10<sup>7</sup> 8.61×10<sup>7</sup> 10.2 16.4
对比例1 3.59×10<sup>7</sup> 6.59×10<sup>7</sup> 12.2 10.3
对比例2 3.29×10<sup>7</sup> 5.83×10<sup>7</sup> 12.6 12.4
上述参照实施例对一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢，其特征在于，所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.18～0.23％，Si：≤0.30％，Mn：1.10～1.40％，Cr：1.10～1.30％，Nb：0.010～0.055％，Ti：0.020～0.060％，B:0.0005～0.0035％，P：≤0.010％，S：0.005～0.035％，T.O：≤20ppm，[H]：≤2.0ppm，[N]：50-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，同时0.005％≤△Xc≤0.020％；其中，△Xc＝(0.25×[Nb])/7.74+(0.65×[Ti])/3.42；B≥([N]-Ti/3.42)/1.4+0.001；
所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢在调质状态下的金相组织为板条马氏体，晶粒度等级≥8.5级；
所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢的制备方法包括以下步骤：电弧炉冶炼--LF精炼--RH真空处理--连铸--轧制--控温冷却-渗碳处理-调质热处理；
所述渗碳处理工艺为：910～930℃真空渗碳/气体渗碳，渗碳时间＞6h，油冷，油温应≤120℃。
2.据权利要求1所述的种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢，其特征在于，所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.20～0.22％，Si：0.24～0.28％，Mn：1.25～1.35％，Cr：1.15～1.25％，Nb：0.030～0.055％，Ti：0.030～0.055％，B:0.0005～0.0010％，P：≤0.010％，S：0.017～0.025％，T.O：≤20ppm，[H]：≤2.0ppm，[N]：70-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢，其特征在于，所述Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢在调质状态下的抗拉强度≥1500MPa，屈服强度≥1200MPa，断面收缩率≥45％，断后伸长率≥17％，冲击功KU2≥40J；经渗碳调质处理后在4.0GPa接触应力条件下，L10≥4.5×107，L50≥7.7×107。
4.如权利要求1-3任意一项所述的种Nb-Ti-B微合金化渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：电弧炉冶炼--LF精炼--RH真空处理--连铸--轧制--控温冷却-渗碳处理-调质热处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述轧制工艺中，连铸坯经过1230～1280℃加热保温≥6h后进行轧制，开轧温度1150～1250℃，终轧温度880～950℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述控温冷却工艺中，轧制之后的齿轮钢经过冷床冷却至600～680℃入坑缓冷，缓冷时间≥24h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述调质热处理工艺为：840～880℃淬火，油冷，180℃～200℃回火，空冷。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述渗碳处理工艺为：910～930℃真空渗碳/气体渗碳，渗碳时间＞6h，油冷，油温应≤120℃。
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