CN113667890A

CN113667890A - 一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢及其制备方法

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Publication number: CN113667890A
Application number: CN202110824249.4A
Authority: CN
Inventors: 杨世钊; 俞杰; 朱天浩; 江宏亮; 周湛
Original assignee: Jiangsu Lianfeng Energy Equipment Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lianfeng Energy Equipment Co Ltd
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2021-11-19

Abstract

本发明公开了一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢及其制备方法，通过低硅成分设计，减少高温渗碳过程内氧化；通过Nb‑Al‑N微合金化成分设计，减少高温渗碳过程的晶粒长大倾向，确保成品锻件晶粒细小且均匀，防止材料锻造过程变形，大幅度提高低温冲击性能，提高了材料的综合机械性能；通过低As、Sn、Sb、Pb、Bi等五害元素设计，与其他组分协同作用，提高高温机械性能的同时，减低钢的高温脆性，提高钢的强度和韧性，使其具有良好的综合机械性能，适用于风电齿轮用钢。本发明所述的制备方法可有效控制铸坯的结晶组织，提高铸坯低倍致密性，降低铸坯的偏析，减少铸坯内部缺陷，提高内部质量。

Description

一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢及其制备方法

技术领域

本发明属于风电齿轮用钢领域，更具体地，涉及一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢及其制备方法。

背景技术

随着世界各国环保意识不断加强，可再生能源综合利用技术不断提升，风力发电作为新型洁净能源，已逐渐成为各国发展的重点。近年来随着风电产业的发展，风电用钢需求量迅速增长，据最新预测，中国风电未来十年年均新增装机容量近25GW。风电齿轮作为风电设备传动系统的关键部件，由于风电设备一般是在严峻的气候和环境下运行，这就要求材料具体极高的可靠性、长寿命、抗冲击、耐磨损等性能要求，以提高材料的安全可靠性和使用寿命。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足，提供一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，并提供了其制备方法，本发明通过低硅成分设计，减少高温渗碳过程内氧化；Nb-Al-N微合金化成分设计，减少高温渗碳过程的晶粒长大倾向，确保成品锻件晶粒细小且均匀，VD冶炼过程底吹氮气增氮，减少喂线过程二次氧化；本发明生产的产品具有优异的强度和低温韧性，良好的低倍和内部质量。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：

C：0.15～0.21％，Si：0～0.15％，Mn：0.40～0.90％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.50～1.80％，Mo：0.10～0.40％，Ni：1.40～1.70％，Nb：0.020～0.040％，V：0～0.05％，Al：0.010～0.050％，Cu≤0.20％，Ti≤0.010％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Sb≤0.005％，Pb≤0.005％，Bi≤0.005％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％，[N]：0.0040～0.0200％，其它为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.15～0.21％，Si：0～0.15％，Mn：0.50～0.80％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.60～1.80％，Mo：0.15～0.35％，Ni：1.50～1.70％，Nb：0.020～0.040％，V：0～0.05％，Al：0.020～0.040％，Cu≤0.20％，Ti≤0.010％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Sb≤0.005％，Pb≤0.005％，Bi≤0.005％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％，[N]：0.0070～0.0150％，其它为Fe和不可避免的杂质。

一种上述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理和连铸等步骤，各步骤的具体要求如下：

(1)电炉冶炼

为控制钢中有害残余元素，实行优质铁水、纯净废钢的合理搭配，大大降低炼钢的制造成本，电炉采用铁水热装技术，需控制铁水比≥80％。

优选地，电炉炉壁采用多功能模块吹氧和碳粉喷吹技术。

优选地，出钢终点的[C]≥0.05％，优选目标为0.06～0.13％；[P]≤0.010％，优选目标为[P]≤0.007％出钢温度≥1580℃，

优选地，电炉冶炼出钢至LF精炼的成分及温度控制目标要求为：C：0.08～0.14％、Si：≤0.12％、Mn：0.50～0.65％、Cr：1.50～0.65％、Ni：1.40～1.50％；温度≥1530℃。

优选地，所述出钢过程中加入铝块进行沉淀脱氧，加入造渣辅料，为下一步精炼步骤中造渣做准备，所述造渣辅料为石灰和促净剂；按上述合金要求下限加入金属元素或合金。

(2)LF精炼

该步骤采用沉淀脱氧+扩散脱氧，减少合金增硅。钢水进站迅速造白渣，白渣保持时间≥20min，冶炼时间≥40min；为有效降低钢中氧含量，冶炼中后期少量多批次加入扩散脱氧剂以保持还原性气氛，所述扩散脱氧剂不得采用含硅脱氧剂；精炼过程通过造泡沫化白渣，有效吸附钢中的夹杂物，尽量延长冶炼时间，确保钢水纯净度。

优选地，扩散脱氧剂以Al豆为主，碳粉为辅，其质量比为3:2。

(3)VD真空处理

所述VD真空处理步骤中，真空度67Pa以下，保持时间≥10min，破空后喂入铝线以调整钢水中[Al]的含量在0.020％～0.040％；软吹时间≥20min，以保证钢水中非金属夹杂物充分上浮。该步骤中全过程采用底吹氮气增氮，防止钢水的二次氧化，提高了钢水的纯净度，有效保证成品锻件探伤合格率。

优选地，软吹时，可根据钢水氮含量，进行氩气切换。

(4)连铸

连铸弧形半径17m，静压力大，有利于凝固补缩。该步骤中全程保护浇铸，防止钢水二次氧化。采用低过热度浇铸，钢水过热度控制在18～30℃，有效降低铸坯的偏析，提高铸坯低倍致密性，减少铸坯缺陷。采用三段式电磁搅拌，浇铸断面Φ600mm，采用全程恒拉速拉坯，拉速为0.27m/min，减少液面波动，防止表面卷渣。

优选地，连铸配置组合式电磁搅拌系统(M+S+F-EMS)，可根据需要调控凝固组织。

优选地，该步骤中所述全程保护采用长水口氩气保护、整体浸入式水口、中间包采用专用覆盖剂等措施，实现保护浇铸，防止二次氧化。

优选地，连铸采用M-EMS+S-EMS+F-EMS三段电磁搅拌，有效控制铸坯的结晶组织，降低铸坯的偏析，减少铸坯内部缺陷。

在上述步骤完成后，再进行缓冷冷却处理，优选所述缓冷的入坑温度≥550℃，缓冷时间≥96h，出坑温度≤200℃。

在冷却步骤之后，即可对得到的铸坯进行精整、检验、称重、标识、入库；除冷却步骤外的其它步骤可采用现有技术实现，本发明对此不再赘述。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过低硅成分设计，减少高温渗碳过程内氧化；通过Nb-Al-N微合金化成分设计，减少高温渗碳过程的晶粒长大倾向，确保成品锻件晶粒细小且均匀，防止材料锻造过程变形，大幅度提高低温冲击性能，提高了材料的综合机械性能；通过低As、Sn、Sb、Pb、Bi等五害元素设计，与其他组分协同作用，提高高温机械性能的同时，减低钢的高温脆性，提高钢的强度和韧性，使其具有良好的综合机械性能，适用于风电齿轮用钢。

(2)本发明所述组分方案和冶炼方法制得的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢满足以下性能要求：

抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥800MPa，断后伸长率≥11％，断面收缩率≥40％；

冲击AKV2(室温)≥60J，冲击AKV2(-40℃)≥30J；

950℃保温8小时水淬，奥氏体晶粒度≥7.0级；

950℃保温80小时水淬，奥氏体晶粒度≥6.0级；

锻件探伤满足齿部区域满足Ф1.0平底孔当量探伤要求，其它区域满足Ф2.0平底孔当量探伤要求。

(3)本发明所述的制备方法可有效控制铸坯的结晶组织，提高铸坯低倍致密性，降低铸坯的偏析，减少铸坯内部缺陷，提高内部质量。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢锻打试块上距外表面1/2处奥氏体晶粒度(950℃保温8小时水淬)图片；

图2为本发明实施例1提供的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢锻打试块上距外表面1/2处奥氏体晶粒度(950℃保温80小时水淬)图片；

图3为传统齿轮钢950℃保温80小时渗碳晶界图片；

图4为本发明实施例1提供的齿轮钢950℃保温80小时渗碳晶界图片。

具体实施方式

下面将结合具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。

实施例1

一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，包括以下质量百分含量的化学成分：C：0.18％，Si：0.10％，Mn：0.55％，P：0.005％，S：0.005％，Cr：1.62％，Mo：0.28％，Ni：1.54％，Nb：0.023％，V：0.02％，Al：0.023％，Cu：0.02％，Ti：0.001％，As：0.001％，Sn：0.001％，Sb：0.001％，Pb：0.0004％，Bi：0.0006％，[H]：0.00008％，[O]：0.0005％，[N]：0.0120％，其它为Fe和不可避免的杂质。

上述低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，包括如下步骤：铁水→电炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→连铸→缓冷→精整→称重→标识→入库。

电炉工艺：

采用铁水热装技术，控制铁水比≥80％。

1.终点要求：目标[C]0.06～0.13％；目标[P]≤0.007％；目标温度≥1630℃。

2.出钢辅料要求：加入石灰600kg/炉，促净剂200kg/炉，铝110～120kg/炉。

3.EAF至LF目标要求。C：0.08～0.14％、Si：≤0.12％、Mn：0.50～0.65％、Cr：1.50～0.65％、Ni：1.40～1.50％；温度≥1530℃。按合金要求下限加入金属元素或合金，防止增硅。

LF精炼工艺：

扩散脱氧剂Al豆30kg，碳粉20kg，采用小批量多批次加入。钢水进站迅速造白渣，白渣时间≥20分钟，冶炼时间≥40分钟。精炼过程，不得采用含硅脱氧剂，减少合金增硅。

VD真空处理工艺：

高真空度(≤67pa)保持时间≥18分钟；破空后喂入铝线以调整钢水中[Al]的含量在0.020％～0.040％；软吹氩时间≥20分钟。VD冶炼过程，采用底吹氮气增氮。

连铸工艺：

所述连铸配置组合式电磁搅拌系统(M+S+F-EMS)，采用长水口氩气保护、整体浸入式水口、中间包采用专用覆盖剂等措施，实现全程保护浇铸，防止二次氧化。

采用低过热度浇铸，钢水过热度控制在18～30℃，采用M-EMS+S-EMS+F-EMS三段电磁搅拌，浇铸断面Φ600mm，采用恒拉速控制，拉速设定0.27m/min。

缓冷工艺：

入坑温度≥550℃，缓冷时间≥96h，出坑温度≤200℃。

在缓冷冷却步骤之后，即可对得到的铸坯进行精整、检验、称重、标识、入库；除冷却步骤外的其它步骤可采用现有技术实现，本实施例对此不再赘述。

本实施例制备的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢锻打试块950℃保温8小时水淬，其断面距外表面1/2处的奥氏体晶粒度如图1所示，奥氏体晶粒度≥7.0级；950℃保温80小时水淬，其断面距外表面1/2处的奥氏体晶粒度如图2所示，奥氏体晶粒度≥6.0级。

传统齿轮钢950℃保温80小时渗碳晶界图如图3所示，本实施例提供的齿轮钢950℃保温80小时渗碳晶界图如图4所示。

本实施例制备的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的机械性能见表1～表3：抗拉强度≥1180MPa，屈服强度≥800MPa，断后伸长率≥11％，断面收缩率≥40％；冲击AKV2(室温)≥60J，冲击AKV2(-40℃)≥30J。锻件探伤满足齿部区域满足Ф1.0平底孔当量探伤要求，其它区域满足Ф2.0平底孔当量探伤要求。

表1实施例1所述高温渗碳齿轮钢的拉伸性能

表2实施例1所述高温渗碳齿轮钢的冲击性能

表3实施例1所述高温渗碳齿轮钢的晶粒度

样品/项目	奥氏体晶粒度级别	说明
			实例1	9级	950℃保温8小时水淬
实例1	7.5级	950℃保温80小时水淬

由上表可见，本发明实施例的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢力学性能、晶粒度稳定性高于传统齿轮钢，特别是低温冲击性能，优势较明显。

实施例2

本实施例中所述的高温渗碳齿轮钢，按质量百分含量包括：C：0.19％，Si：0.08％，Mn：0.65％，P：0.007％，S：0.006％，Cr：1.64％，Mo：0.20％，Ni：1.58％，Nb：0.027％，V：0.01％，Al：0.027％，Cu：0.02％，Ti：0.001％，As：0.001％，Sn：0.001％，Sb：0.0008％，Pb：0.0006％，Bi：0.0007％，[H]：0.00008％，[O]：0.0005％，[N]：0.0120％，余量为Fe。冶炼工艺同实施例1。

实施例3

本实施例中所述的高温渗碳齿轮钢，按质量百分含量包括：C：0.18％，Si：0.07％，Mn：0.68％，P：0.0010％，S：0.009％，Cr：1.68％，Mo：0.25％，Ni：1.54％，Nb：0.026％，V：0.01％，Al：0.025％，Cu：0.01％，Ti：0.003％，As：0.0035％，Sn：0.0015％，Sb：0.0005％，Pb：0.0003％，Bi：0.0005％，[H]：0.00007％，[O]：0.0008％，[N]：0.0093％，余量为Fe。冶炼工艺同实施例1。

实例4

本实施例中所述的高温渗碳齿轮钢，按质量百分含量包括：C：0.17％，Si：0.06％，Mn：0.65％，P：0.0009％，S：0.006％，Cr：1.64％，Mo：0.26％，Ni：1.57％，Nb：0.024％，V：0.02％，Al：0.023％，Cu：0.01％，Ti：0.002％，As：0.0015％，Sn：0.0012％，Sb：0.0003％，Pb：0.0002％，Bi：0.0004％，[H]：0.00006％，[O]：0.0009％，[N]：0.0098％，余量为Fe。冶炼工艺同实施例1。

实施例2～4所述高温渗碳齿轮钢与普通齿轮钢力学性能对比结果见表4。

表4实施例2～4所述高温渗碳齿轮钢与普通齿轮钢力学性能对比

由上表可见，本发明所述实施例的高温渗碳齿轮钢与普通齿轮钢力学性能优于传统齿轮钢，特别是低温冲击性能，优势较明显。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，其特征在于包括以下重量百分比的化学成分：

2.根据权利要求1所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢，其特征在于包括以下重量百分比的化学成分：C：0.15～0.21％，Si：0～0.15％，Mn：0.50～0.80％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：1.60～1.80％，Mo：0.15～0.35％，Ni：1.50～1.70％，Nb：0.020～0.040％，V：0～0.05％，Al：0.020～0.040％，Cu≤0.20％，Ti≤0.010％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Sb≤0.005％，Pb≤0.005％，Bi≤0.005％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0015％，[N]：0.0070～0.0150％，其它为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理和连铸步骤，

所述电炉冶炼的铁水比≥80％，出钢终点的[C]≥0.05％，[P]≤0.010％，出钢温度≥1580℃，

所述电炉冶炼出钢至LF精炼的成分及温度控制目标要求为：C：0.08～0.14％、Si：≤0.12％、Mn：0.50～0.65％、Cr：1.50～0.65％、Ni：1.40～1.50％；温度≥1530℃；

所述LF精炼采用沉淀脱氧+扩散脱氧，钢水进站造白渣，白渣保持时间≥20min，冶炼时间≥40min；冶炼中后期少量多批次加入扩散脱氧剂以保持还原性气氛，所述扩散脱氧剂不得采用含硅脱氧剂；

所述VD真空处理步骤中，真空度67Pa以下，保持时间≥10min，破空后喂入铝线以调整钢水中[Al]的含量；软吹时间≥20min；该步骤中采用底吹氮气增氮。

所述连铸步骤中全程保护浇铸，采用低过热度浇铸，钢水过热度控制在18～30℃，采用三段式电磁搅拌，浇铸断面Φ600mm，采用全程恒拉速拉坯，拉速为0.27m/min。

4.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述出钢过程中加入铝块进行沉淀脱氧，加入造渣辅料，按合金要求下限加入金属元素或合金。

5.根据权利要求4所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述造渣辅料为石灰和促净剂。

6.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述LF精炼步骤中使用的扩散脱氧剂为Al豆和碳粉，其质量比为3:2。

7.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述VD真空处理步骤中，软吹时，根据钢水氮含量，进行氩气切换。

8.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述连铸步骤中，所述全程保护浇铸采用长水口氩气保护、整体浸入式水口、中间包采用专用覆盖剂的措施，实现保护浇铸。

9.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述连铸步骤中，所述三段式电磁搅拌为M-EMS+S-EMS+F-EMS。

10.根据权利要求3所述的低硅微合金化高温渗碳齿轮钢的制备方法，其特征在于所述连铸步骤后进行缓冷冷却处理，所述缓冷的入坑温度≥550℃，缓冷时间≥96h，出坑温度≤200℃。