CN113881901A - 一种齿轮钢生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮钢生产方法，其工艺流程为：1、成分设计；2、铁水脱硫预处理：脱硫剂为活性石灰和萤石二者的质量比为9:1，脱硫剂加入量每吨铁水为5.5±0.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫搅拌结束后，铁水罐顶渣中加入炉渣增稠剂：主要成分质量为CaO+MgO之和为8±0.5%、AL2O3为13%、SiO2为68±2%，Na2O+K2O之和为8%，软熔点温度≤1200℃；3、电炉冶炼；4、LF精炼；5、连铸；6、钢坯轧制。用本发明方法可以生产出高纯净度、高强度、高韧性、高淬透性、低淬透性带宽度的齿轮，大大降低了能耗和生产成本。

Description

一种齿轮钢生产方法
技术领域
本发明提供一种齿轮钢生产方法，属于钢铁冶金领域。
技术背景
国内外使用的最普遍的是Cr系、Mn-Cr系、Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo、Cr-Mn-B系齿轮钢。高纯净度、高淬透性、低淬透性带宽度的20CrMnTiH是一种使用最广泛、生产难度最大的齿轮钢。高端齿轮钢是高技术含量的钢种，用于制造齿轮，通常应用于汽车、工程机械及机械制造业的传动部件。不仅要具备良好的强韧性、耐磨性,工作时要承受冲击、弯曲和接触应力,同时要求变形小、加工成的齿轮精度高、噪声低。随着机械行业的技术飞速发展，要求齿轮具有更长的使用寿命和安全系数，对齿轮钢的其性能和质量提出了更高的要求。齿轮钢质量要求主要体现在如下几点。
（1）高的钢质纯净度，钢中的非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹源，如硫与锰结合形成大颗粒的夹杂，脱氧产物Al2O3夹杂是影响齿轮最主要的原因，磷在晶界的聚集会引起晶界的脆化，降低强度和韧性，因此提高钢的纯净度是提高齿轮钢强度的一个重要途径。提高纯净度主要是指氧化物夹杂含量的降低以及除硫以外其他有害元素的降低(齿轮钢中有时需加一定量的硫以改善切削性能)，特别是降低钢中氧和磷的浓度。对于碳、锰、钛系齿轮钢，钢中的钛与氮结合成大颗粒夹杂，因此要控制钢中的氮含量至极低的水平
(2)钢材需具有优良的淬透性，为保证齿轮的心部硬度，齿轮在工作条件下满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求，高品质的齿轮钢必须具有优良的淬透性；另一个是降低齿轮钢的淬透性带宽度，小的淬透性带宽度波动有利于齿轮在热处理过程中的变形的控制。末端淬透性的稳定性对齿轮热处理后变形量的大小影响很大，淬透性带宽度愈窄，离散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。因此，淬透性是评价齿轮钢质量的重要指标。
（3）钢材的组织要求，奥氏体晶粒尺寸是衡量齿轮钢质量的一项重要指标。因为钢材粗的晶粒使材料在表面使渗层碳、氮（指表面渗碳、渗氮）浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，渗碳、渗氮层容易剥落。另外钢材严禁出现混晶，因为混晶的出现，可使齿轮的齿牙之间的热处理变形无规则，导致齿轮啮合受影响，甚至无法配对。因此细小均匀的奥氏体晶粒对稳定钢材的末端淬透性、降低齿轮热处理过程中的变形量以及提高渗碳钢的脆断抗力尤其重要。钢材的组织和硬度均匀,不能有严重的带状组织。
⑷加工性和易切削性，齿轮用钢通常是热顶锻用钢，故对棒材的表面质量要求很高，要求表面无缺陷、端头无毛刺交货。同时钢材的表面脱碳要尽能小，易切削加工。
文献检索：
（1）专利号2021102334115公布了一种高强度长寿命齿轮钢的制造方法，工艺流程为钢水初炼→钢水精炼→钢水真空脱气→连铸→连铸坯下坑缓冷→热轧→扩氢退火，本专利强化的微合金元素为铌，要点是连铸的保护浇铸、铸坯缓冷以及轧制温度的控制；
（2）专利号2020113740635公布了一种20CrMo齿轮钢的夹杂物控制方法，而含钛齿轮钢是使用最普遍的一种高端齿轮钢，也是夹杂物的控制难度最大的一类，本申请并没有涉及。
（3）专利号2020112912009公布了一种高洁净度齿轮钢夹杂物评价的方法，利用光镜或电镜对多试样中的最大夹杂物进行检测分析，结合常规评级结果计算获得钢中夹杂物评价。
（4）专利号2020108401710提供一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法。包括成分设计：C：0.19％-0.21％，Si：0.22％-0.28％，Mn：0.82％-0.87％，Cr：0.52％-0.58％，Ni：0.50％-0.55％，Mo:0.19％-0.21％，Al:0.025％-0.035％，N：0.0080％-0.0120％以及余量的Fe及不可避免的杂质，其中，Al/N＝3-3.6，获得的材料有效提高窄淬透性齿轮钢表面质量。
（5）专利号2020101283361公开了一种超纯净高温细晶粒齿轮钢制造方法，为提高韧性，采用了镍以及微量钼元素强化， 高温渗碳处理后基体晶粒度6级以上。
（6）《特殊钢》2005年第2期论文“降低汽车齿轮钢氧含量的工艺实践”对7个牌号的齿轮钢中的氧含量进行去除试验，钢中的氧含量可以控制到17ppm以下。
发明内容
本发明的目在于提供一种齿轮钢生产方法，采用一种新方法生产高纯净度、高强度、高韧性、高淬透性、低淬透性带宽度的齿轮，并可实现低能耗、低成本生产。
本发明采用的技术方案是：一种齿轮钢生产方法，其工艺流程为：
a、本方法生产的齿轮钢成分组成以重量百分比表示： [C]：0.19～0.21ω%；[Si]：0.22-0.26ω%；[Mn]：0.82～0.90ω%；[P]：≤0.012ω%； [S]≤0.006ω%；[Ti]：0.050～0.058ω%；[Cr]：1.15～1.20ω%；[Al]：0.025～0.035ω%；[Cu] ≤0.10ω%；[Ni] ≤0.10ω% ；[N]：≤0.0045ω%，其余为铁和不可避免的杂质；
b、铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣后铁水罐投入脱硫剂进行KR法脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰与萤石的比为9:1，脱硫剂加入量每吨铁水为5.5±0.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫搅拌结束后，铁水罐顶渣中加入炉渣增稠剂：主要成分质量为CaO+MgO之和为8±0.5%、AL2O3为13%、SiO2为68±2%， Na2O+K2O之和为8%，软熔点温度≤1200℃，铁水预处理后的[S]含量不大于0.002%；炉渣增稠剂加入量为吨铁1kg，处理后对铁水罐顶渣进行去除；
c、电炉冶炼，电炉兑铁水比例在45～60%，冶炼过程全程吹氧，当铁料熔化、炉料熔清时采用泡沫渣埋弧，电炉终点碳的目标值为0.08-0.10ω%，电炉出钢磷含量不大于0.01ω%，留钢出钢，严禁下渣；出钢过程中一次性加入石灰，依次加入碳粉和电石、高碳铬铁、高碳锰铁、进行预脱氧、增碳、合金化，电石和碳粉在出钢量达到总量的1/4时开始加入，出钢结束前全部加完，同时加入钢芯铝进行深脱氧，出钢全程底吹氩搅拌，出钢结束采用定氧仪测定钢包钢水中的氧含量，当钢水中的氧含量大于10ppm向钢水中喂入铝线补充铝，底吹氩搅拌后测定钢水中的铝含量控制在0.020～0.035ω%；电炉出钢渣洗,电炉偏心底出钢，为防止出钢过程钢水增氮，合金及渣料严格控制铝铁的加入量，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰，为了调整钢包顶渣成分含量，利于脱硫和非金属夹杂的去除，加入钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t：改质剂主要成分及含量CaO约25ω%、CaF2约5ω%、Al2O3约25～28%，SiO2不大于5ω%，Al含量为15～20ω%，钢包吹氩强搅拌，钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟，氩气阀调整到全通模式；
d、LF精炼，精炼初期、15分钟后在LF精炼顶渣上加入炉渣变性剂，主要成分为CaO：CaCO3：SiC：CaC2：Al片的混合物以及SiO2等不了避免的杂质，对钢包顶渣进行改质，CaO：CaCO3：SiC：CaC2：Al片比例为50:20:10:10:10，加入总量吨钢1.5kg，LF精炼初期加入量为吨钢1.0kg、LF精炼15分钟时加入量为吨钢0.5kg，LF精炼的初炼温度必须大于1560℃，钢水在LF送电提温时间不大于15分钟，保证精炼脱氧和白渣保持时间大于15分钟，LF处理结束加入钛铁，钛铁中钛的含量为70%，钛铁加入后氩气搅拌3分钟进行钙处理，然后氩气弱搅拌时间8～12min，LF结束要求[Ca] 含量0.0015～0.0030ω% ，[N] ≤0.0040ω%、 [H] ≤0.0002ω%，上连铸钢包内钢水温度为1585±2℃；
e、连铸，本钢种钢水的液相线温度为1516℃，铸坯内部质量的控制方法，连铸坯为边长为150mm的方坯，拉速为1.45～1.55m/min，目标值1.50 m/min，钢水连铸过热度控制在12～26℃，目标过热度18℃，连铸时采用结晶器和凝固末端电磁搅拌，设定结晶器电磁搅拌频率为50HZ，电流强度为320A，凝固末端频率为50HZ，电流强度为280A，钢坯热酸洗低倍检测没有发现缩孔、钢坯断面边部细小裂纹等缺陷，中心疏松不大于0.5级，中心偏析不大于0.5级，齿轮钢连铸钢坯缓冷保温至常温，冷检合格后装炉轧制；
f、钢坯轧制，钢坯加热速度钢坯均热温度为1160±20℃，采用小型材轧钢产线轧制，终轧温度为890±20℃。
采用本发明生产的20CrMnTiH具有高强度、高韧性、高淬透性、低淬透性带宽的特点，可批量生产和批量供货（热轧状态）。适用于同类型钢铁企业的生产要求，并具有明显的经济效益、环境效益，有较高的实用价值和推广意义。
表1 20CrMnTiH成分及对应性能
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2采用本发明方法生产的20CrMnTiH齿轮钢材料非金属夹杂物检测结果
Figure DEST_PATH_IMAGE004
金相采用光学显微镜进行检测，500倍下显示钢材组织为铁素体和珠光体，100倍下检测钢材晶粒度8～8.5级.；钢材的[TO]含量控制在12～18PPm；非金属夹杂物控制A类细系0～1级,B类细系≤0.5级，D类细系≤1级，Ds类≤1级。
具体实施方式
一种齿轮钢生产方法，其工艺流程为：铁水脱硫预处理→电炉冶炼→出钢脱氧、增碳去夹杂→钢包底吹氩气搅拌 → LF精炼处理→ 连铸 → 铸坯缓冷 →轧制；
1、本方法生产的齿轮钢成分组成以重量百分比表示： [C]：0.19～0.21ω%；[Si]：0.22-0.26ω%；[Mn]：0.82～0.90ω%；[P]：≤0.012ω%； [S]≤0.006ω%；[Ti]：0.050～0.058ω%；[Cr]：1.15～1.20ω%；[Al]：0.025～0.035ω%；[Cu] ≤0.10ω%；[Ni] ≤0.10ω% ；[N]：≤0.0045ω%，其余为铁和不可避免的杂质；
2、铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣后铁水罐投入脱硫剂进行KR法脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰与萤石的质量比为9:1，脱硫剂加入量每吨铁水为5.5±0.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫搅拌结束后，铁水罐顶渣中加入炉渣增稠剂：主要成分为CaO+MgO之和为8±0.5%、AL2O3为13%，SiO2为68±2%， Na2O+K2O之和为8%，软熔点温度≤1200℃，铁水预处理后的[S]含量不大于0.002%；炉渣增稠剂加入量为吨铁1kg，处理后对铁水罐顶渣进行去除；
3、电炉冶炼，电炉兑铁水比例在45～60%左右，冶炼过程全程吹氧，当铁料熔化、炉料熔清时采用泡沫渣埋弧，电炉终点碳的目标值为0.08-0.10ω%，电炉出钢磷含量不大于0.01ω%，留钢出钢，严禁下渣；出钢过程中一次性加入石灰，依次加入碳粉和电石、高碳铬铁、高碳锰铁、进行预脱氧、增碳、合金化，电石和碳粉在出钢量达到总量的1/4时开始加入，出钢结束前全部加完，同时加入钢芯铝进行深脱氧，出钢全程底吹氩搅拌，出钢结束采用定氧仪测定钢包钢水中的氧含量，当钢水中的氧含量大于10ppm向钢水中喂入铝线补充铝，底吹氩搅拌后测定钢水中的铝含量控制在0.020～0.035ω%；电炉出钢渣洗,电炉偏心底出钢，为防止出钢过程钢水增氮，合金及渣料按严格控制铝铁的加入量，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰，为了调整钢包顶渣成分含量，利于脱硫和非金属夹杂的去除，加入钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t：改质剂主要成分及含量CaO约25ω%、CaF2约5ω%、Al2O3约25～28%，SiO2不大于5ω%，Al含量为15～20ω%，钢包吹氩强搅拌，钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟，氩气阀调整到全通模式；
4、LF精炼，精炼初期、15分钟后在LF精炼顶渣上加入炉渣变性剂，主要成分为SiC、Ca C2、CaO、Al片的混合物以及SiO2等不了避免的杂质，对钢包顶渣进行改质，：CaO：CaCO3：SiC：CaC2：Al比例为50:20:10:10:10，加入总量吨钢1.5kg，LF精炼初期吨钢1.0kg、LF精炼15分钟时吨钢0.5kg，LF精炼的初炼温度必须大于1560℃，钢水在LF送电提温时间不大于15分钟，保证精炼脱氧和白渣保持时间大于15分钟，判断白渣的依据是渣中的氧化亚铁和氧化锰总量不大于1.0%，分析取样，当钢中的[Al]s含量小于0.20%,在精炼过程还要补加铝，确保出钢前钢中[Al]s在0.020％～0.030％之间，LF处理结束加入钛铁，钛铁中钛的含量为70%，钛铁加入后氩气搅拌3分钟进行钙处理，然后氩气弱搅拌时间8～12min，LF结束要求[Ca] 含量0.0015～0.0030ω% ，[N] ≤0.0040ω%、 [H] ≤0.0002ω%，其它成分符合熔炼成品成分要求,上连铸钢包内钢水温度为1585±2℃；
5、连铸，通过公式(1)和设计的成分目标值测算出本钢种钢水的液相线温度为1516℃，TLL=1538-{55[C]％+80[C]2+13.0[Si]+4.8[Mn]％+4.3[Ni]％+1.5[Cr]％+30[P]％+30[S]％} (1)式；铸坯内部质量的控制方法，连铸坯为边长为150mm的方坯，拉速为1.45～1.55m/min，目标值1.50 m/min，钢水连铸过热度控制在12～26℃，目标过热度18℃，连铸时采用结晶器和凝固末端电磁搅拌，设定结晶器电磁搅拌频率为50HZ，电流强度为320A，凝固末端频率为50HZ，电流强度为280A，钢坯热酸洗低倍检测没有发现缩孔、钢坯断面边部细小裂纹等缺陷，中心疏松不大于0.5级，中心偏析不大于0.5级，齿轮钢连铸钢坯缓冷保温至常温，冷检合格后装炉轧制；
6、钢坯轧制，(1)钢坯加热速度钢坯均热温度为1160±20℃，采用小型材轧钢产线轧制，终轧温度为890±20℃。
实施例：采用70吨直流电弧炉LF精炼、4流方坯连铸机连铸，生产8炉，生产150mm×150 mm×10000 mm板坯580吨，熔炼成品[S]≤0.006ω%、[N]≤0.0045ω%、[C]0.19～0.21ω%；[Cu]含量为0.06～0.08ω%、[Ni]≤0.03ω%，具体成分见表1。与原工艺比较，钢材的抗拉强度提高40MPa以上、屈服强度提高35MPa以上，而且各项拉伸性能的极差降低，性能稳定性提高、断后伸长率最低值提高了2%，冲击功大于95J。显示材料拉伸性能和韧性都在提高。

Claims (1)

1.一种齿轮钢生产方法，其特征在于其工艺流程为：
a、本方法生产的齿轮钢成分组成以重量百分比表示： [C]：0.19～0.21ω%；[Si]：0.22-0.26ω%；[Mn]：0.82～0.90ω%；[P]：≤0.012ω%； [S]≤0.006ω%；[Ti]：0.050～0.058ω%；[Cr]：1.15～1.20ω%；[Al]：0.025～0.035ω%；[Cu] ≤0.10ω%；[Ni] ≤0.10ω% ；[N]：≤0.0045ω%，其余为铁和不可避免的杂质；
b、铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣后铁水罐投入脱硫剂进行KR法脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰与萤石的质量比为9:1，脱硫剂加入量每吨铁水为5.5±0.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫搅拌结束后，铁水罐顶渣中加入炉渣增稠剂：主要成分质量为CaO+MgO之和为8±0.5%、AL2O3为13%、SiO2为68±2%， Na2O+K2O之和为8%，软熔点温度≤1200℃，铁水预处理后的[S]含量不大于0.002%；炉渣增稠剂加入量为吨铁1kg，处理后对铁水罐顶渣进行去除；
c、电炉冶炼，电炉兑铁水比例在45～60%，冶炼过程全程吹氧，当铁料熔化、炉料熔清时采用泡沫渣埋弧，电炉终点碳的目标值为0.08-0.10ω%，电炉出钢磷含量不大于0.01ω%，留钢出钢，严禁下渣；出钢过程中一次性加入石灰，依次加入碳粉和电石、高碳铬铁、高碳锰铁、进行预脱氧、增碳、合金化，电石和碳粉在出钢量达到总量的1/4时开始加入，出钢结束前全部加完，同时加入钢芯铝进行深脱氧，出钢全程底吹氩搅拌，出钢结束采用定氧仪测定钢包钢水中的氧含量，当钢水中的氧含量大于10ppm向钢水中喂入铝线补充铝，底吹氩搅拌后测定钢水中的铝含量控制在0.020～0.035ω%；电炉出钢渣洗,电炉偏心底出钢，为防止出钢过程钢水增氮，合金及渣料严格控制铝铁的加入量，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰，为了调整钢包顶渣成分含量，利于脱硫和非金属夹杂的去除，加入钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t：改质剂主要成分及含量CaO约25ω%、CaF2约5ω%、Al2O3约25～28%，SiO2不大于5ω%，Al含量为15～20ω%，钢包吹氩强搅拌，钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟，氩气阀调整到全通模式；
d、LF精炼，精炼初期、15分钟后在LF精炼顶渣上加入炉渣变性剂，主要成分为CaO：CaCO3：SiC：CaC2：Al片的混合物以及SiO2等不了避免的杂质，对钢包顶渣进行改质，CaO：CaCO3：SiC：CaC2：Al片比例为50:20:10:10:10，加入总量吨钢1.5kg，LF精炼初期加入量为吨钢1.0kg、LF精炼15分钟时加入量为吨钢0.5kg，LF精炼的初炼温度必须大于1560℃，钢水在LF送电提温时间不大于15分钟，保证精炼脱氧和白渣保持时间大于15分钟，LF处理结束加入钛铁，钛铁中钛的含量为70%，钛铁加入后氩气搅拌3分钟进行钙处理，然后氩气弱搅拌时间8～12min，LF结束要求[Ca] 含量0.0015～0.0030ω% ，[N] ≤0.0040ω%、 [H] ≤0.0002ω%，上连铸钢包内钢水温度为1585±2℃；
e、连铸，本钢种钢水的液相线温度为1516℃，铸坯内部质量的控制方法，连铸坯为边长为150mm的方坯，拉速为1.45～1.55m/min，目标值1.50 m/min，钢水连铸过热度控制在12～26℃，目标过热度18℃，连铸时采用结晶器和凝固末端电磁搅拌，设定结晶器电磁搅拌频率为50HZ，电流强度为320A，凝固末端频率为50HZ，电流强度为280A，钢坯热酸洗低倍检测没有发现缩孔、钢坯断面边部细小裂纹等缺陷，中心疏松不大于0.5级，中心偏析不大于0.5级，齿轮钢连铸钢坯缓冷保温至常温，冷检合格后装炉轧制；
f、钢坯轧制，钢坯加热速度钢坯均热温度为1160±20℃，采用小型材轧钢产线轧制，终轧温度为890±20℃。
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