CN113774278A - 一种水淬铸钢重载齿轮新材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水淬铸钢重载齿轮新材料，属于铁合金技术领域。一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：0.80～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：0.90～1.30%，Ni：1.50～2.00%，Mo：0.30～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明一种水淬铸钢重载齿轮新材料，能够有效改善合金钢的塑韧性，提高合金钢的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于铁合金技术领域，具体涉及一种水淬铸钢重载齿轮新材料及其制备方法。
背景技术
重载齿轮作为重要的大型机械设备，其质量的优劣直接关系到设备的运行安全。其主要运用在矿山机械方面，国家历来对矿山机械在安全、质量等指标上要求极为严格。目前为满足矿山机械节能环保的发展要求和使用工作效率提高的目标，设备的规格越来越大，重载齿轮是其重要零件，其质量关乎设备的安全运行。随着设备的越来越大，对铸钢大齿轮的工况提出了更高的要求，在具有高硬度、高强度和高耐磨性的同时，还要具有良好的塑性。铸钢大齿轮的破坏形式以磨损和应力疲劳为主，由此导致设备停机，常常给用户的使用带来很大的风险。
ZG40CrNi2Mo钢为目前通用的重载齿轮材料，是一种中碳合金高强度钢，同时也属于低合金中碳调质钢，参见国家标准GB/T37682-2019。
文献（云红,申常江,雷小荣.40CrNi2MoA钢大锻件的调质热处理[J].金属热处理,2004,29(12):68-68.）提到40CrNi2MoA钢大锻件经过850℃油淬、550℃回火处理后获得了良好的综合力学性能，整个横截面上的硬度分布比较合理，调质质量稳定可靠，达到了要求的技术条件。
该合金钢采用调质（油淬+回火）工艺以保证材料的综合性能，但采用油淬工艺时存在生产效率低，污染环境，成本较高等问题；同时碳含量相对较高（0.37-0.43%），使得塑韧性不足，会诱发导致裂纹的产生。
专利文献CN105441649A公开了一种提高C-Cr-Mn-Si-Mo合金钢硬度及冲击韧性的方法，组分质量分数为：C:0.32，Cr:0.98-1.04，Mn:0.98，Si:0.47-0.58，Mo:0.17-0.3，Ni:0.08-2.43，P:0.01-0.03，S:0.0001，低合金钢经中频感应电炉熔炼及砂型铸造法浇注成Y型，经1050℃×2h正火+920℃×2h水淬+250℃×2h回火处理。该发明钢V型缺口冲击吸收功为11.9J，硬度50.47HRC，塑韧性较差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种水淬铸钢重载齿轮新材料，以有效改善合金钢的塑韧性，提高合金钢的综合性能。
本发明的另一个目的是提供一种水淬铸钢重载齿轮新材料的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：0.80～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：0.90～1.30%，Ni：1.50～2.00%，Mo：0.30～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
对于材料而言，其主要任务是保证由其所制成的构件在一定的工作条件和一定的期限内能安全服役而不发生失效；对于开发新材料都需要提高其力学性能（强度、塑性、韧性），而材料的力学性能与其微观组织具有密切的联系。从微观上讲，材料之所以破坏，根本的原因是材料第二相粒子或所含的夹杂物诱发的空穴成核、长大及聚合直至与宏观裂纹连接，最终产生延性裂纹扩展。在本发明中，碳元素主要是通过固溶在基体中或者与其他合金元素形成弥散碳化物的方式发挥其强化作用，降低碳含量可以相应的改善材料的塑韧性。其中Cr可以形成碳化物和影响M3C大小，而Mo可以形成M2C等碳化物，通过这些形式起到弥散强化作用；Nb形成Nb（C，N）第二相粒子抑制晶粒长大；Ni可以降低位错运动的阻力，改善塑韧性；使得最终获得良好的综合力学性能，同时避免裂纹的产生。
作为本发明的一种优选实施方案，C重量百分比含量为0.15～0.25%，可以选择0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、0.25%；
Si重量百分比含量为0.30～0.60%，可以选择0.30%、0.31%、0.33%、0.35%、0.36%、0.37%、0.39%、0.40%、0.41%、0.43%、0.45%、0.46%、0.48%、0.49%、0.50%、0.51%、0.53%、0.54%、0.55%、0.56%、0.59%、0.60%；
Mn重量百分比含量为0.80～1.20%，可以选择0.80%、0.81%、0.84%、0.85%、0.86%、0.89%、0.90%、0.91%、0.94%、0.95%、0.96%、0.99%、1.00%、1.01%、1.04%、1.05%、1.06%、1.09%、1.10%、1.11%、1.14%、1.15%、1.16%、1.19%、1.20%；
S重量百分比含量≤0.020%，更优选为S≤0.010，为有害元素，含量控制越低，性能越好；
P重量百分比含量≤0.020%，更优选为P≤0.010，为有害元素，含量控制越低，性能越好；
Cr重量百分比含量为0.90～1.30%，可以选择0.90%、0.91%、0.94%、0.95%、0.96%、0.99%、1.00%、1.01%、1.04%、1.06%、1.09%、1.11%、1.14%、1.16%、1.19%、1.21%、1.24%、1.26%、1.29%、1.30%；
Ni重量百分比含量为1.50～2.00%，可以选择1.50%、1.51%、1.54%、1.56%、1.59%、1.61%、1.64%、1.66%、1.69%、1.71%、1.74%、1.76%、1.79%、1.81%、1.84%、1.86%、1.89%、1.91%、1.94%、1.96%、1.99%、2.00%；
Mo重量百分比含量为0.30～0.50%，可以选择0.30%、0.31%、0.34%、0.35%、0.36%、0.39%、0.40%、0.41%、0.44%、0.45%、0.46%、0.49%、0.50%；
Nb重量百分比含量为0.010～0.030%，可以选择0.010%、0.011%、0.014%、0.015%、0.016%、0.019%、0.020%、0.021%、0.024%、0.025%、0.026%、0.029%、0.030%；
Cu重量百分比含量≤0.30%，优选为≤0.20%，更优选为≤0.10%；Cu在本发明材料中属于有害元素，尽可能控制在较低含量，同时本领域技术人员知晓，Cu的含量与原材料的纯净度有关，不易完全去除，含量控制越低也意味着成本越高，同时对原材料的纯净度也提出了更高的要求。因此基于本发明材料的组成、性能及其成本的整体考究，本发明控制铜含量在0.30%以下对材料的综合性能产生的影响更小，表现出更显著的实用价值。
Al重量百分比含量≤0.06%，优选为≤0.05%，更优选为≤0.03%；Al在本发明材料中属于有害元素，尽可能控制在较低含量。
进一步地，所述水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：1.00～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.00～1.30%，Ni：1.70～2.00%，Mo：0.40～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，所述水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.35～0.55%，Mn：1.05～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.05～1.30%，Ni：1.85～2.00%，Mo：0.40～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，所述水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.51～0.60%，Mn：1.01～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.01～1.30%，Ni：1.71～2.00%，Mo：0.41～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
上述水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法，包括以下步骤：钢水采用EBT初炼、LF精炼和真空脱气处理，砂型铸造，采用氩气保护浇注，减少钢液二次氧化，获得铸件；所述铸件毛坯进行完全退火预备热处理，粗加工后进行调质性能热处理。
进一步地，所述真空脱气处理是将钢水处于真空度0.8-1.6乇状态下保持18-25min，以有效降低N、H、O含量。
在本发明中，完全退火预备热处理是，将活件加热至奥氏体区温度900±10℃，保温一定的时间，随炉冷却至200℃以下，完成完全预备退火热处理。
在本发明中，通过对铸件进行完全预备热处理，消除铸造应力，改善铸态粗大组织，为最终热处理做好组织准备。
进一步地，所述调质性能热处理是：将活件加热至奥氏体区温度910±10℃，保温一定的时间，出炉将活件放入水池进行冷却；待冷却至200℃以下，活件淬火完毕；随后放置间隔不大于6h，装炉进行高温回火，将活件加热至590±10℃，保温一定的时间，随炉冷却至室温，完成调质性能热处理。
在本发明的调质性能热处理中，将活件加热至奥氏体区温度910±10℃，保温一定的时间，能够使得合金元素充分扩散，促进碳化物的溶解，保证奥氏体成分的均匀化。而且，活件在水淬后进行高温回火，通过590±10℃一定时间的高温回火降低淬火产生的组织应力，促进组织转变，使得Cr、Ni元素和碳形成的合金碳化物弥散分布于基体上，发挥材料高强度、高硬度、韧性好的特性。此外，本发明采用水淬和高温回火的调质热处理方法，可以改变以往齿轮用铸钢油淬工艺效率低，污染环境，成本高的缺点，同时可获得较好的综合机械性能。
在本发明中，上述将活件加热至奥氏体区温度910±10℃，保温一定的时间；以及装炉进行高温回火，将活件加热至590±10℃，保温一定的时间，其中保温一定的时间根据实际加工的零件尺寸和结构进行确定。通常，壁厚越大保温时间越长，保温时间t=δ/n，式中，δ为零件结构壁厚，单位：mm；t为保温时间，单位：h；n=25，单位：mm/h。一般情况下，零件结构壁厚为25mm优选保温1个小时，壁厚每增加25mm则保温时间需增加1小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明钢种和国内目前齿轮材质ZG40CrNi2Mo相比明显降低了C含量，适当提高Ni含量，总体上降低了材质的碳当量，降低了淬火开裂风险，因此可以采用水做为淬火介质进行淬火，同时提高了生产效率，减少了污染，降低了成本；此外本发明铸钢中降低C含量使得淬火时能够获得较多的板条马氏体，降低组织脆性；同时加入元素Nb，提高了材质的淬透性，其中Nb元素形成的Nb（C,N）第二相粒子的钉扎作用，能够细化晶粒组织，提高材料的综合力学性能。
本发明钢种调质（水淬+高温回火）后力学性能优异，铸件毛坯进行完全退火预备热处理，粗加工后进行淬火+高温回火性能热处理。力学性能能够满足如下要求：最小抗拉强度960MPa，最小屈服强度780MPa，硬度HB：300-340，伸长率≥12%，断面收缩率≥30%，室温冲击值Akv≥50J，-20℃冲击值Akv≥30J。本发明材料中由于加入较多合金元素，其中特定含量的Cr可以抑制M3C长大，提高回火稳定性；Mo通过固溶于基体或形成M2C细小碳化物强化基体；加入的Nb可以形成Nb（C,N）第二相粒子，达到抑制晶粒长大，细化晶粒组织的作用；Ni含量的提高，降低了位错运动的阻力，提高了塑韧性，最终体现在性能上，即本发明钢种的室温冲击功高出常规材料冲击功1倍左右。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：0.80～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：0.90～1.30%，Ni：1.50～2.00%，Mo：0.30～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
一种水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法，包括以下步骤：钢水采用EBT初炼、LF精炼和真空脱气处理，砂型铸造，采用氩气保护浇注，获得铸件；所述铸件毛坯进行完全退火预备热处理，粗加工后进行调质性能热处理，其中：
所述真空脱气处理是将钢水处于真空度0.8-1.6乇（1Torr＝133.322Pa）状态下保持18-25min；
所述调质性能热处理是将活件加热至奥氏体区温度910±10℃，保温一定的时间，出炉将活件放入水池进行冷却，待冷却至200℃以下，活件淬火完毕；随后放置间隔不大于6h，装炉进行高温回火，将活件加热至590±10℃，保温一定的时间，随炉冷却至室温，完成调质性能热处理。
实施例1-14水淬铸钢重载齿轮新材料的化学成分设计，参见表1。
表1水淬铸钢重载齿轮新材料成分设计（wt%）
本发明水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法参数，参见表2。
表2水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法参数
其中，实施例10-实施例14的制备方法同实施例1，不再赘述。
依据GB/T37682-2019，经检测，实施例1-9获得的水淬铸钢重载齿轮新材料的性能，参见表3。
表3实施例1-9水淬铸钢重载齿轮新材料性能测试结果
从表3中可知，本发明实施例1-9获得的水淬铸钢重载齿轮新材料，抗拉强度为1025-1105MPa，屈服强度为950-997MPa，硬度HB：310-340，伸长率为14-18%，断面收缩率为40-52%，室温冲击值Akv为72.5-105.8J，-20℃冲击值Akv为50.5-63.2J。本发明新材料具有优异的强度、塑性和韧性，尤其是塑韧性较同类材料表现突出，特别适合作为重载齿轮用材。
对比试验：
本发明提供如下对比实施例，以帮助本领域技术人员理解本发明的意图及其效果。
对照组：
ZG40CrNi2Mo的重量百分比组成为：C：0.37-0.43%，Si：0.30-0.50%，Mn：0.70-1.00%，S≤0.025%，P≤0.025%，Cr：1.00-1.40%，Ni：1.40-1.70%，Mo：0.30-0.40%，Cu：≤0.25%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
对比例1-5水淬铸钢重载齿轮新材料的化学成分设计，参见表4。
表4水淬铸钢重载齿轮新材料成分设计（wt%）
对比例1-5水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例6-7水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法参数，参见表5。
表5水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法参数
依据GB/T37682-2019，经检测，对比例1-7及对照组获得的水淬铸钢重载齿轮新材料的性能，参见表6。
表6对比例1-7及对照组水淬铸钢重载齿轮新材料性能测试结果
从表6中可知，钢种的部分元素或含量经调整后，相应钢种的某些性能指标与本发明钢种相比发生了显著的变化。其中：
对比例1和对比例2仅调整了C含量，其它元素及其含量分别与实施例1和实施例6相同，制备获得的钢种与对应实施例相比，强度指标和硬度指标有所提高，但是伸长率、断面收缩率及其耐冲击性能却发生了明显劣化。分析可知，对比例1中Nb含量与实施例1相同，对比例2中Nb含量与实施例6相同，二者有共通点，即C含量都较之相应实施例有所增加，同时Nb作为稳定C的强碳化物形成元素配比较少，因此容易析出不稳定的碳化物，而且这些碳化物不能起到抑制晶粒增大的作用，使得强度的提升不太明显，同时也加剧了塑韧性的劣化，无法起到更好的平衡效果。
对比例3较之实施例3，省略元素Nb，测试结果显示其强度方面表现稍逊实施例3，塑韧性能远不及实施例3，说明Nb元素的合理加入起到了平衡强度与塑韧性能的作用。
对比例4和对比例5分别较之实施例1和实施例6，Cr含量和Mo含量发生了相反的变化，测试结果显示，前述两种元素的含量不论是增还是降，钢种的整体性能指标都存在下降的趋势。在本发明中，适量的Cr可以抑制M3C长大，提高回火稳定性；Mo通过固溶于基体或形成M2C细小碳化物强化基体，说明当Cr和Mo的含量配比合适时，可通过上述途径与其它元素协同增强钢种的强度及其塑韧性，但是配比不合适时，则起不到预期的效果。
由此可知，尽管本发明是在已有钢种ZG40CrNi2Mo基础上进行的成分及其含量的优化，但是本发明并不单单着眼于C含量的降低，而是在此基础上进行了系统性的成分优化与匹配，对Si、Mn、Cr、Mo、Nb等成分或其含量进行了全局性的优化调整，这些调整与优化协同匹配，使得钢种的强度、塑性和韧性取得了最佳的平衡，能够适应要求更高的机械设备和工作环境。
而且，本发明在系统优化成分的基础上，还对生产工艺进行了针对性的改进。具体的，本发明对传统ZG40CrNi2Mo钢种的油淬回火调质工艺进行了全面的改进，使得该合金钢在水淬条件下，结合科学合理的高温回火工艺，即能够高质、顺利地制备获得，克服了油淬工艺存在的生产效率低，污染环境，成本较高等问题，提高了钢种的整体性能，取得了良好的环保效益和经济效益，实用性更强。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：0.80～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：0.90～1.30%，Ni：1.50～2.00%，Mo：0.30～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.30～0.60%，Mn：1.00～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.00～1.30%，Ni：1.70～2.00%，Mo：0.40～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.35～0.55%，Mn：1.05～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.05～1.30%，Ni：1.85～2.00%，Mo：0.40～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
4.如权利要求1所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料，其特征在于：其化学成分按重量百分比为：C：0.15～0.25%，Si：0.51～0.60%，Mn：1.01～1.20%，S≤0.020%，P≤0.020%，Cr：1.01～1.30%，Ni：1.71～2.00%，Mo：0.41～0.50%，Nb：0.010～0.030%，Cu：≤0.30%，Al：≤0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
钢水采用EBT初炼、LF精炼和真空脱气处理，砂型铸造，采用氩气保护浇注，获得铸件；
所述铸件毛坯进行完全退火预备热处理，粗加工后进行调质性能热处理。
6.如权利要求5所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法，其特征在于：所述真空脱气处理是将钢水处于真空度0.8-1.6乇状态下保持18-25min。
7.如权利要求6所述的一种水淬铸钢重载齿轮新材料的制备方法，其特征在于：所述调质性能热处理是：1）将活件加热至奥氏体区温度910±10℃，维持一定的保温时间，出炉将活件放入水池进行冷却，待冷却至200℃以下，活件淬火完毕；2）随后放置间隔不大于6h，装炉进行高温回火，将活件加热至590±10℃，维持一定的保温时间，随炉冷却至室温，完成调质性能热处理。
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