CN113981321A - 一种低碳CrNiMo齿轮钢及其带状组织控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳CrNiMo齿轮钢及其带状组织控制方法,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.14~0.22%,Si:0.17~0.35%,Mn:0.50~0.90%,Cr:1.50~1.80%,Ni:1.40~1.70%,Mo:0.25~0.35%,Al:0.020~0.045%,Cu≤0.20%,P≤0.015%,S≤0.015%,[H]≤1.5ppm,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[N]:70‑150ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。制造方法包括钢水冶炼、模铸钢锭浇注、锻造和热处理。本发明通过控制钢水精炼过程提高钢水纯净度;改进模铸浇注过程及钢锭冷却工艺减轻成分偏析;通过提高钢锭锻造加热温度、延长保温时间达到均匀钢锭成分;保证终锻温度控制组织转变;利用锻造余热进行热处理消除带状组织。本发明易于实现,过程简单,经本发明的制造工艺,改善一次带状组织,消除变形产生的二次带状组织,缩短生产周期,降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于齿轮用钢技术领域,尤其涉及一种低碳CrNiMo齿轮钢及其带状组织控制方法。
背景技术
低碳高合金钢因其高强高塑韧性的特点,广泛应用于风电、矿山机械、重载卡车等工艺领域,由于此类钢种Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素较高,极易产生带状组织。
带状组织的存在,会使钢材力学性能产生方向性,即沿带状组织和垂直于带状组织方向上,钢材力学性能有明显差异。目前常见低碳CrNiMo系齿轮钢的带状组织难以适应严苛加工尺寸、复杂应变载荷下的使用需求。传统方式采用电渣重熔、扩散退火等方式来避免或改善带状组织,一是不仅效果不佳,二是生产周期长,而且材料成本较高,难以匹配高速发展的工业现状。
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,提供一种低碳CrNiMo齿轮钢,并提供了其制备方法,本发明通过控制钢水精炼过程提高钢水纯净度,从而减少夹杂物在材料加工变形过程中作为先共析铁素体成核的核心;改进模铸浇注过程及钢锭冷却减轻成分偏析;通过提高钢锭锻造加热温度、延长保温时间达到均匀钢锭成分;保证终锻温度控制组织转变;利用锻造余热进行热处理消除带状组织。本发明减轻钢锭成分偏析,控制锻件带状组织,改善产品力学性能。本发明易于实现,过程简单,经本发明的制造工艺,改善一次带状组织,消除变形产生的二次带状组织,缩短生产周期,降低生产成本。
本发明的技术方案是:一种低碳CrNiMo齿轮钢,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.14~0.22%,Si:0.17~0.35%,Mn:0.50~0.90%,Cr:1.50~1.80%,Ni:1.40~1.70%,Mo:0.25~0.35%,Al:0.020~0.045%,Cu≤0.20%,P≤0.015%,S≤0.015%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.5ppm,[N]:70-150ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
上述方案中,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.17~0.20%,Si:0.20~0.30%,Mn:0.55~0.60%,Cr:1.65~1.72%,Ni:1.55~1.62%,Mo:0.28~0.32%,Al:0.028~0.038%,Cu≤0.10%,P≤0.010%,S≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.0ppm,[N]:75-120ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
上述方案中,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.18%,Si:0.25%,Mn:0.58%,Cr:1.68%,Ni:1.58%,Mo:0.30%,Al:0.032%,Cu:≤0.01%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi:≤0.010%,[H]:0.8ppm,[N]:108ppm,其它为Fe和不可避免的杂质。
一种根据所述低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,包括钢水冶炼、模铸钢锭浇注、锻造和热处理;
所述钢水冶炼步骤包括电炉冶炼、LF精炼和VD真空处理,电炉冶炼的铁水比≥85%,出钢终点的[C]在0.08~0.14%,[P]≤0.007%,出钢温度≥1680℃;电炉冶炼出钢至LF精炼的成分及温度控制目标要求为:C:0.10~0.15%、Si:0.10~0.20%、Mn:0.42~0.58%、Cr:1.48~1.68%,温度≥1580℃;LF精炼采用沉淀脱氧结合扩散脱氧,钢水进站造白渣,白渣保持时间≥30min,冶炼时间≥60min;冶炼中后期分多次加入扩散脱氧剂;VD真空处理步骤中,真空度67Pa以下,保持时间≥20min,破空后喂入铝线以调整钢水中铝含量;软吹时间≥30min,采用底吹氮气增氮;
所述模铸步骤中浇注采用下注法,钢水吊包温度控制在1560~1570℃,到达脱模时间后开始分盘脱模,脱模后热送至锻造车间;脱模温度应≥750℃,热送过程采用保护罩保温;
所述锻造步骤包括热送加热、钢锭开坯锻造、冷却、开坯料下料后加热和锻件锻造,钢锭热送至锻造车间后,应空冷至400~450℃,再装入加热炉开始加热,钢锭在740~760℃保温不小于4h后,全速升温至≥1250℃,在高温段保温不小于7h;钢锭开坯锻造始锻温度应≥1180℃,经一次镦粗后再拔长至所需尺寸,终锻温度应≥780℃,开坯料应空冷后入炉缓慢冷却再出炉空冷;空冷后的开坯料经锯切至所需重量后进加热炉加热,在840~860℃保温不小于3h后,全速升温至≥1180℃,在高温段保温不小于6h;锻件锻造的始锻温度应≥1150℃,经两镦两拔至所需尺寸,终锻温度≥800℃,装炉热处理,再进行热处理步骤。
上述方案中,所述钢水冶炼步骤中,出钢终点的[C]在0.10~0.14%,[P]≤0.005%。
上述方案中,所述钢水冶炼步骤中,钢水冶炼时间为60~100min,VD真空过程高真空度67Pa以下保持时间20~25min,软吹时间控制在30~40min。
上述方案中,所述锻造步骤中,开坯料空冷至500℃后入炉缓慢冷却至300℃以下再出炉空冷。
上述方案中,所述热处理步骤中,锻件在920~950℃保温预设时间后炉冷至600摄氏度,再升温至680℃保温预设时间后出炉空冷。
本发明提高铁水比以减少废钢中杂质元素的带入,控制出钢碳避免钢水过氧化,降低出钢磷控制钢锭易偏聚元素的偏析,控制出钢合金加入及出钢温度以保持钢水流动性;保证LF精炼过程白渣时间以促进夹杂上浮吸附;保证VD高真空保持时间以减少钢水气体含量,采用底吹氮气增氮以避免钢水二次氧化。
本发明所述模铸钢锭浇注步骤中,通过较低的吊包温度浇注以保证钢水以较快速度冷却,从而减轻元素偏析,采用脱模热送的方法进行后续加热锻造,一方面可减轻由枝晶偏析带来的一次带状组织,另一方面可缩短产品生产周期、降低材料成本。
本发明所述锻造步骤中,在较高的温度保持较高的时间,充分均匀材料各元素的分布,保证终锻温度以促进组织转变均匀。
本发明,所述热处理步骤中,充分奥氏体化后炉冷以抑制先共析铁素体析出,减轻带状程度,升温至Ac1温度以上再保温以促进组织转变均匀,最后快速冷却以避免异常组织转变。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过控制钢水冶炼过程提高钢水纯净度,从而减少夹杂物在材料加工变形过程中作为先共析铁素体成核的核心;改进模铸浇注过程及钢锭冷却减轻成分偏析;通过提高钢锭锻造加热温度、延长保温时间达到均匀钢锭成分;保证终锻温度控制组织转变;利用锻造余热进行热处理消除带状组织。
本发明所述组分方案和冶炼、模铸、锻造、热处理方法制得的低碳CrNiMo齿轮钢满足以下性能要求:带状组织:按GB/T 13299标准评级,检测结果不大于1.5级,且无贝氏体等异常组织的出现;力学性能:抗拉强度≥1350MPa,屈服强度≥1250MPa,断后伸长率≥12%,断面收缩率≥40%;冲击KV2(-40℃)≥40J。
本发明所述的制备方法可有效减轻浇注冷却过程由枝晶偏析带来的一次带状组织,消除锻造变形过程产生的二次带状组织。
附图说明
图1是本发明一实施方式的低碳CrNiMo齿轮钢带状组织示意图。
图2是传统齿轮钢带状组织示意图。
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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
一种低碳CrNiMo齿轮钢,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.14~0.22%,Si:0.17~0.35%,Mn:0.50~0.90%,Cr:1.50~1.80%,Ni:1.40~1.70%,Mo:0.25~0.35%,Al:0.020~0.045%,Cu≤0.20%,P≤0.015%,S≤0.015%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.5ppm,[N]:70-150ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
优选的,所述的低碳CrNiMo齿轮钢,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.17~0.20%,Si:0.20~0.30%,Mn:0.55~0.60%,Cr:1.65~1.72%,Ni:1.55~1.62%,Mo:0.28~0.32%,Al:0.028~0.038%,Cu≤0.10%,P≤0.010%,S≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.0ppm,[N]:75-120ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
一种所述低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,包括钢水冶炼、钢锭浇注、锻造和热处理等步骤,各步骤的具体要求如下:
(1)钢水冶炼
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≥85%。
优选地,出钢终点的[C]在0.08~0.14%,[P]≤0.007%,优选目标为[C]:0.10~0.14%,[P]≤0.005%,出钢温度≥1680℃,电炉冶炼出钢至LF精炼的成分及温度控制目标要求为:C:0.10~0.15%、Si:0.10~0.20%、Mn:0.42~0.58%、Cr:1.48~1.68%;温度≥1580℃。
优选地,LF精炼过程前中期采用沉淀脱氧剂进行深脱氧,中后期采用扩散脱氧剂以保持炉内还原性气氛,保证白渣保持时间≥30min,化学成分在前中期调整到位,避免中后期加入合金导致钢水纯净度下降,钢水冶炼时间在60~100min之间,时间太短夹杂无法上浮吸附,太长则导致钢包被侵蚀,从而污染钢水。
VD真空处理步骤中,真空度67Pa以下,保持时间≥20min,破空后喂入铝线以调整钢水中铝含量;软吹时间≥30min,采用底吹氮气增氮。
优选地,VD真空过程高真空度67Pa以下保持时间20~25min,太短则钢水内氢、氧等气体排除不净,太长则钢渣、钢水剧烈混合导致钢水纯净度下降,高真空下采用底吹氮气增氮,避免破空后喂入氮线导致钢渣界面破坏引起钢水二次氧化,软吹时间控制在30~40min,使夹杂有足够时间上浮,避免长时间软吹导致被钢渣吸附的夹杂重新回到钢水中。
(2)模铸钢锭浇注
所述模铸钢锭浇注步骤中,钢水吊包温度为1560~1570℃,到达脱模时间后开始分盘脱模,脱模后热送至锻造车间;脱模温度应≥750℃,热送过程采用保护罩保温。具体的,浇注前应对锭模进行氩气置换,将锭模内的空气排出,防止二次氧化;钢水引流重量不小于850kg,浇注结束钢包留钢(含渣)不小于4t,保证浇注钢锭钢水的纯净度;帽口浇高≥260mm,有利于锭身凝固收缩钢液补充;浇注结束后,钢锭静置时间不小于6h,应保证脱模温度≥750℃;脱模后立即热送至锻造车间,热送过程采用保护罩对钢锭进行保温,防止被雨淋风吹导致钢锭冷速过快导致开裂。
(3)锻造
所述锻造步骤中,包括热送加热、钢锭开坯锻造、冷却、开坯料下料后加热和锻件锻造。钢锭热送到锻造车间,应现对钢锭进行空冷至400~450℃,主要是为了促进组织转变,加速析出物的析出,防止钢锭在后续加热过程高温段长时间保温导致的晶粒严重粗化;空冷后装入加热炉开始加热,为防止升温速度过快导致钢锭内外温差大引起的开裂,钢锭应在740~760℃保温不小于4h,然后再全速升温至≥1250℃,在高温段保温不小于7h,起到均匀成分的作用,主要是碳、铬等元素的扩散;钢锭开坯锻造始锻温度应≥1180℃,钢材在高温下塑性好,有利于快速锻造成型,终锻温度不小于780℃,避免在两相区变形导致带状组织、混晶等严重缺陷;然后开坯料空冷至500℃左右,但不应小于480℃,起到细化晶粒、促进碳氮化物析出强化的目的,再入炉缓冷,主要是利用锻造余热保温缓冷以降低硬度,便于锯切下料。
开坯料下料后,进行成品锻件的加热锻造,开坯料的加热温度、保温时间及锻造温度上,原理和钢锭锻造类似,但因开坯料横截面小于钢锭,故在相应温度即时间控制上略有不同。开坯料在840~860℃保温不小于3h,防止热应力导致开裂,再全速升温至≥1180℃,在高温段保温不小于6h,兼顾均匀成分和温度的目的;锻件锻造的始锻温度应≥1150℃,经两镦两拔至所需尺寸,终锻温度≥800℃,防止两相区锻造产生混晶等微观缺陷。
(4)热处理
所述热处理步骤中,利用成品锻件的锻造余热进行加热保温,可有效缩短生产周期,大大降低制造成本,为后续产品的切削加工、渗碳淬火等工序得到理想的金相组织(F+P)和力学性能,保证产品尺寸精度。因终锻温度在800℃以上,成品锻件可直接在920~950℃奥氏体化保温,根据锻件尺寸,按1.5h/100mm控制保温时间,随后炉冷至600℃左右,抑制先共析铁素体析出,减轻带状程度,再升温到680℃,按5h/100mm控制保温时间,促进组织转变均匀,到达保温时间后直接出炉空冷以细化晶粒。
高精密齿轮用钢,在带状组织控制方面,一旦控制不当,会使钢的组织不均匀,影响材料力学性能及塑韧性,严重情况下引起材料报废或使用过程中非预期损坏。本发明通过控制钢水精炼过程提高钢水纯净度,从而减少夹杂物在材料加工变形过程中作为先共析铁素体成核的核心。改进模铸浇注过程及钢锭冷却减轻成分偏析;通过提高钢锭锻造加热温度、延长保温时间达到均匀钢锭成分。保证终锻温度控制组织转变;利用锻造余热进行热处理消除带状组织。本发明通过热送钢锭锻造以缩短生产周期,降低生产成本,控制枝晶偏析引起的一次带状组织;本发明通过控制锻造工艺,利用锻造余热进行热处理消除热压力加工过程产生的二次带状组织。
本发明热送钢锭,省去钢锭缓冷的时间(几天到一周),缩短生产周期长,减少钢锭从室温加热到锻造温度所耗用的天然气,降低成本;利用锻造余热进行热处理,缩短冷却时间(传统工艺需冷却至室温后再热处理),降低热处理费用。
实施例
一种低碳CrNiMo齿轮钢,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.18%,Si:0.25%,Mn:0.58%,Cr:1.68%,Ni:1.58%,Mo:0.30%,Al:0.032%,Cu:≤0.01%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.010%,[H]:0.8ppm,[N]:108ppm,其它为Fe和不可避免的杂质。
所述低碳CrNiMo齿轮钢的制造方法,包括如下步骤:钢水冶炼、模铸钢锭浇注、锻造和热处理。
所述钢水冶炼步骤包括电炉冶炼、LF精炼和VD真空处理:
1.采用铁水热装技术,铁水比为88.9%;出钢指标:出钢[C]0.08%;出钢[P]0.0029%;出钢温度1690℃;出钢过程加入硅锰合金、金属锰及低碳铬铁等合金粗调成分,使LF到站成分及温度达到控制目标:C:0.14%、Si:0.17%、Mn:0.48%、Cr:1.65%;温度1610℃。
2.钢水到达LF站后通电化渣,然后喂入铝线进行沉淀脱氧,白渣保持时间为50min,钢水冶炼时间为85min。
3.VD工序高真空保持时间为23min,高真空期间采用底吹氮气增氮,流量控制在80NL/min,破空后软吹时间为37min。
所述模铸钢锭浇注步骤包括热送加热、钢锭开坯锻造、冷却、开坯料下料后加热和锻件锻造:
锭型为10t八角梅花锭,钢水吊包温度为1565℃,钢水浇注前10min内锭模氩气置换,引流重量1200kg,留钢量为6.2t,帽口较高为280mm,浇注结束10h开始脱模,脱模温度850℃,脱模后1h内装入热送车辆并盖好保温罩。
所述锻造包括以下步骤:
1.热送车辆到达锻造厂后,将钢锭置于避风处空冷,此时钢锭为650℃左右,3h后开始装炉加热,此时钢锭为430±10℃,入炉后在750℃保温8h,然后升温至1280℃保温12h,始锻温度为1200℃,经一镦一拔至500mm方,终锻温度为850℃,空冷至500℃开始入炉缓冷,炉冷至200℃出炉,待缓冷至室温后锯切下料。
2.开坯料在850℃保温4h后升温至1200℃,保温8h后开始锻造,始锻温度为1160℃,经两镦两拔至所需尺寸,终锻温度为880℃,随后利用锻造余热进行热处理。
所述热处理包括以下步骤:
锻件在930℃保温15h后炉冷至600℃,随后升温至680℃保温50h,到达保温时间后出炉空冷。空冷时应在避风处,避免风吹导致锻件冷却不均导致变形,影响后续精加工尺寸、产生异常遗传组织。
将本实施例制造的低碳CrNiMo齿轮钢和传统齿轮钢(对比例)检测结果做对比,实施例力学性能(拉伸、冲击)优异,见表1。
表1力学性能
由表1可以看出,本发明实施例强度更高,塑性更好,低温冲击值是传统齿轮钢2倍多,故实施例可以在更严苛应变载荷、更复杂环境下持续稳定工作,疲劳强度优良,可以大大延长产品使用寿命。
将实施例与对比例按GB/T 13299标准进行带状组织评级,实施例带状组织为1.0级,见图1,对比例带状组织为3.0级,见图2。由带状组织评级结果和图片可知,实施例带状组织更好,无贝氏体等异常组织,在产品后续渗碳、淬火、回火等热处理过程中畸变更小,便于后续切削、精加工等。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低碳CrNiMo齿轮钢,其特征在于,包括以下重量百分比的化学成分:
C:0.14~0.22%,Si:0.17~0.35%,Mn:0.50~0.90%,Cr:1.50~1.80%,Ni:1.40~1.70%,Mo:0.25~0.35%,Al:0.020~0.045%,Cu≤0.20%,P≤0.015%,S≤0.015%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.5ppm,[N]:70-150ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低碳CrNiMo齿轮钢,其特征在于,包括以下重量百分比的化学成分:C:0.17~0.20%,Si:0.20~0.30%,Mn:0.55~0.60%,Cr:1.65~1.72%,Ni:1.55~1.62%,Mo:0.28~0.32%,Al:0.028~0.038%,Cu≤0.10%,P≤0.010%,S≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035%,[H]≤1.0ppm,[N]:75-120ppm,余量为铁及其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的低碳CrNiMo齿轮钢,其特征在于,包括以下重量百分比的化学成分:
C:0.18%,Si:0.25%,Mn:0.58%,Cr:1.68%,Ni:1.58%,Mo:0.30%,Al:0.032%,Cu:≤0.01%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,As+Sn+Pb+Sb+Bi:≤0.010%,[H]:0.8ppm,[N]:108ppm,其它为Fe和不可避免的杂质。
4.一种根据权利要求1-3任意一项所述低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,其特征在于,包括钢水冶炼、模铸钢锭浇注、锻造和热处理;
所述钢水冶炼步骤包括电炉冶炼、LF精炼和VD真空处理;电炉冶炼的铁水比≥85%,出钢终点的[C]在0.08~0.14%,[P]≤0.007%,出钢温度≥1680℃;电炉冶炼出钢至LF精炼的成分及温度控制目标要求为:C:0.10~0.15%、Si:0.10~0.20%、Mn:0.42~0.58%、Cr:1.48~1.68%,温度≥1580℃;LF精炼采用沉淀脱氧结合扩散脱氧,钢水进站造白渣,白渣保持时间≥30min,冶炼时间≥60min;冶炼中后期分多次加入扩散脱氧剂;VD真空处理步骤中,真空度67Pa以下,保持时间≥20min,破空后喂入铝线以调整钢水中铝含量;软吹时间≥30min,采用底吹氮气增氮;
所述模铸步骤中浇注采用下注法,钢水吊包温度控制在1560~1570℃,到达脱模时间后开始分盘脱模,脱模后热送至锻造车间;脱模温度应≥750℃,热送过程采用保护罩保温;
所述锻造步骤包括热送加热、钢锭开坯锻造、冷却、开坯料下料后加热和锻件锻造,钢锭空冷至400~450℃,再装入加热炉开始加热,钢锭在740~760℃保温不小于4h后,全速升温至≥1250℃,在高温段保温不小于7h;钢锭开坯锻造始锻温度应≥1180℃,经一次镦粗后再拔长至所需尺寸,终锻温度应≥780℃,开坯料应空冷后入炉缓慢冷却再出炉空冷;空冷后的开坯料经锯切至所需重量后进加热炉加热,在840~860℃保温不小于3h后,全速升温至≥1180℃,在高温段保温不小于6h;锻件锻造的始锻温度应≥1150℃,经两镦两拔至所需尺寸,终锻温度≥800℃,装炉热处理,再进行热处理步骤。
5.根据权利要求4所述的低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,其特征在于,所述钢水冶炼步骤中,出钢终点的[C]:0.10~0.14%,[P]≤0.005%。
6.根据权利要求4所述的低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,其特征在于,所述钢水冶炼步骤中,钢水冶炼时间为60~100min,VD真空过程高真空度67Pa以下保持时间20~25min,软吹时间控制在30~40min。
7.根据权利要求4所述的低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,其特征在于,所述锻造步骤中,开坯料空冷至500℃后入炉缓慢冷却至300℃以下再出炉空冷。
8.根据权利要求4所述的低碳CrNiMo齿轮钢的带状组织控制方法,其特征在于,所述热处理步骤中,锻件在920~950℃保温预设时间后炉冷至600摄氏度,再升温至680℃保温预设时间后出炉空冷。
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