CN114015936A - 一种高氮齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种高氮齿轮钢及其制备方法，所述高氮齿轮钢，其化学成分质量百分比为：C：0.17‑0.23％、Si：≤0.30％、Mn：0.55‑0.90％、Cr：0.85‑1.25％、P：≤0.030％、S：0.020‑0.035％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.15‑0.35％、N：0.010‑0.020％、Al：0.025‑0.050％、B≤0.0005％、[O]≤15ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。采用电炉冶炼、LF精炼、真空处理、连铸浇注、轧制、探伤，获得圆钢。本发明采用增氮控铝的方式提升钢中AlN的含量，从而细化晶粒。同时采用VD后喂入氮化锰包芯线对钢材进行增N处理，钢材氮的收得率可达85％以上，与传统的钒氮合金增氮的方法相比，钢材成分的均匀性和氮的收得率明显提高。

Description

一种高氮齿轮钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种高氮齿轮钢及其制备方法。
背景技术
随着汽车行业的蓬勃发展，齿轮钢在消费量大幅提升的同时，对成本、质量的要求也越来越高，如钢的洁净度、淬透性稳定性、晶粒度、带状组织、易切削性等均有较高的要求。各个企业均在开展新型齿轮钢的研发及推广，通常在CrMnTi、CrMo、 CrNiMo齿轮系列的基础上加入微合金化元素Nb、V等方式，或Nb-Ti、V-Ti复合的方式，Nb、V合金价格较高，这种做法在提升了钢的性能的同时大大的提升了材料的成本。
在传统观念中，氮会使钢变脆，而且易使钢产生皮下气泡、表面裂纹等缺陷，因此通常齿轮钢中要求氮含量≤80ppm，但随着氮与微合金元素的相互作用被逐渐认识到，人们开始尝试提高钢中的氮含量，但如何精准的控制氮含量，以及如何确认氮与微合金元素的比例是人们近年来研究的关键。此外，含硫含铝钢的浇注问题一直是钢铁行业面临的难题，易产生Al2O3和CaS夹杂，堵塞水口，造成生产不顺等情况。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种高氮齿轮钢及其制备方法，以较低的成本使齿轮钢获得优良的综合性能，生产的齿轮钢具有洁净度高、淬透性好、晶粒细小均匀等特点。
为达到上述目的，本发明提供一种高氮齿轮钢，其化学成分质量百分比为：C：0.17-0.23％、Si：≤0.30％、Mn：0.55-0.90％、Cr：0.85-1.25％、P：≤0.030％、S：0.020-0.035％、 Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.15-0.35％、N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％、 Ti:≤0.008％、Ca：≤0.002％、B≤0.0005％、[O]≤15ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。
作为优选地，一种高氮齿轮钢，其化学成分质量百分比为：C：0.19-0.22％、Si：≤0.25％、Mn：0.70-0.85％、Cr：1.00-1.20％、P：≤0.020％、S：0.020-0.035％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.18-0.25％、N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％、Ti: ≤0.008％、Ca：≤0.002％、B≤0.0003％、[O]≤12ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。
本发明不含Nb、V、Ni、Ti等元素，而仅采用低Mo合金化，成本较低。采用 Mn、Cr、Mo合金化，合理匹配三元素，使钢获得理想的淬透性；添加S使钢具有良好的切削性能；同时本发明不添加其他的微合金化元素，采用AlN细化晶粒，为保证晶粒细化效果，N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％，且2.5≤Al/N≤5；为了使钢获得稳定的淬透性，控制B≤0.0005％。
针对本齿轮钢高氮含硫含铝的特点，本发明提供一种高氮齿轮钢的制备方法，具体包括以下步骤：
1)冶炼：入炉铁水重量比例≥40％，电炉终点C≥0.07％，P≤0.015％，出钢温度1640～1660℃，出钢加入高纯碳化硅和纯铝锭，最后加入合金渣料；
2)LF精炼：LF到位Al控制0.070～0.090％，快速调渣，成分调整后吹氩搅拌，根据实际喂入铝线，出钢前3～5分钟喂入钙线，喂入铝线与钙线之间时间间隔不少于7min，精炼出钢温度1655～1675℃；
3)VD真空：入VD炉前扒渣，真空度小于67Pa保持时间≥12分钟，氩气流量 50～70NL/min；破空后，先喂入氮化锰线，后喂入硫线，控制正常炉次上钢温度1565～ 1590℃；
4)连铸：连铸使用双层中间包覆盖剂，中包过热度15～30℃，拉矫温度≥920℃，铸坯落地缓冷≥24小时；
5)轧制：加热时控制加热高温段温度1210～1250℃，均热温度1200～1230℃，且温度≥1200℃保温时间不小于2h，总加热时间不少于4h，控制轧制节奏。钢材出缓冷坑后，经漏磁及超声波探伤获得所需圆钢。
作为优选地，所述步骤1)中加入高纯碳化硅的量为0.8～1.5kg/t钢，加入纯铝锭的量为2.0～2.5kg/t钢，其中，高纯碳化硅的纯度≥98％，且Ti≤0.01％；纯铝锭的纯度≥96％。
作为优选地，所述步骤2)中LF到位Al控制0.070～0.090％；采用低钛精炼渣，低钛精炼渣中Ti≤0.01％，炉渣成分为：Al2O3＝25～32％，CaO＝44～50％，SiO2＝6～ 9％，MgO＝5～7％，碱度控制5～8，氩气流量600～1000NL/min，铝控制在0.060～ 0.080％，喂入钙线的量为0.8～1.5m/吨钢。
作为优选地，所述步骤3)中VD破空后喂入氮化锰线的量为2.5～5.0m/t钢，喂入硫线的量为1.2～1.6m/t钢，氩气流量10～20NL/min，软吹氩时间不小于15分钟。
作为优选地，所述步骤4)中所述双层中间包覆盖剂的下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低钛空心颗粒中包覆盖剂，其中，低钛碱性中包覆盖剂中Ti≤0.01％。
作为优选地，所述步骤4)中采用电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流150～250A，频率3～4HZ，末端电磁搅拌电流250～300A，频率12～14HZ；比水量0.25～0.27L/kg； 260mm×300mm方坯拉速0.5～0.55m/min，180mm×220mm方坯拉速1.05～1.10 m/min。
作为优选地，其特征在于，所述步骤5)中加热时预热段缓慢加热，升温速度 15～20℃/min，开轧温度1100～1150℃，终轧温度≤950℃，上倍尺冷床温度≤930℃，冷床加盖保温罩，冷床停留时间≥30min，锯切温度≤350℃，入坑缓冷温度≥200℃，缓冷时间≥24h。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)本发明采用增氮控铝的方式提升钢中AlN的含量，从而细化晶粒。同时采用 VD后喂入氮化锰包芯线对钢材进行增N处理，钢材氮的收得率可达85％以上，与传统的钒氮合金增氮的方法相比，钢材成分的均匀性和氮的收得率明显提高。
2)本发明在生产过程中，通过合理设计生产工艺，尤其是铝、氮、硫的加入方式，解决了高氮含硫含铝钢的连铸水口结瘤及高氮钢易产生裂纹的两大技术难题，使生产稳定顺行，且钢材夹杂物、探伤等性能指标优异。
3)本发明在制备工艺方面，采用电炉高配铝；精炼早加铝，铝钙控间隔；VD 破空后先加MnN线，后加硫线的顺序，保障了氮、硫收的率。冶炼连铸全过程采用低钛原材料，降低钢种Ti含量，提升钢材洁净度和疲劳寿命。合理设计连铸电磁搅拌和配水、拉速参数，使钢的均匀性大幅提升，钢的淬透性A、B面极差不大于2HRC。
4)本发明轧制过程充分发挥加热高温扩散，轧后缓冷的作用，使钢在组织、硬度等方面具有良好性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-3
本发明提供一种高氮齿轮钢，采用UHP超高功率电炉、LF精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材、探伤工艺生产钢材。实施例1-3是以Φ100mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
本发明提供一种高氮齿轮钢，其化学成分质量百分比优选为：C：0.19-0.22％、Si：≤0.25％、Mn：0.70-0.85％、Cr：1.00-1.20％、P：≤0.020％、S：0.020-0.035％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.18-0.25％、N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％、 Ti:≤0.008％、Ca：≤0.002％、B≤0.0003％、[O]≤12ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。
本发明提供一种高氮齿轮钢的制备方法，具体生产工艺如下：
1)冶炼
入炉铁水重量比例60～80％，电炉终点C≥0.10％，P≤0.015％，出钢温度1640～1660℃，出钢加入高纯碳化硅0.8～1.5kg/t钢，加入纯铝锭2.0～2.5kg/t钢，最后加入合金渣料。
2)LF精炼
LF到位Al控制0.070～0.090％，快速调渣，采用低钛精炼渣，炉渣成分 Al2O3＝25～32％，CaO＝44～50％，SiO2＝6～9％，MgO＝5～7％，碱度控制5～8。成分调整后吹氩搅拌，氩气流量600～1000NL/min，根据实际喂入铝线，铝控制在 0.060～0.080％，出钢前3～5分钟按照0.8～1.5m/吨钢喂入钙线，喂入铝线与钙线之间时间间隔7～12min，精炼出钢温度1655～1675℃。
3)VD真空
入VD炉前扒渣。真空度小于67Pa保持时间12～15分钟，氩气流量50～ 70NL/min；破空后，先喂入氮化锰线3～4m/t，后喂入硫线1.2～1.6m/t，氩气流量 10～20NL/min，软吹氩时间20～30分钟；控制正常炉次上钢温度1565～1580℃。
4)连铸
连铸使用双层中间包覆盖剂，下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低钛空心颗粒中包覆盖剂，采用电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流200～250A，频率3～4HZ，末端电磁搅拌电流250～300A，频率12～14HZ；比水量0.25～0.27L/kg；中包过热度15～30℃，260mm×300mm方坯拉速0.5～0.55m/min，拉矫温度930～960℃，铸坯落地缓冷≥24小时。
5)轧制
预热段缓慢加热，升温速度15～20℃/min，控制加热高温段温度1210～1250℃，均热温度1200～1230℃，且温度≥1200℃保温时间2～2.5h，总加热时间不少于4～ 5h；控制轧制节奏，开轧温度1100～1150℃，终轧温度920～950℃，上倍尺冷床温度900～930℃，冷床加盖保温罩，冷床停留时间35～50min，锯切温度300～350℃，入坑缓冷温度200～240℃，缓冷时间24～48h。钢材出缓冷坑后，经漏磁及超声波探伤获得所需圆钢。
具体的工艺参数见表1～表3所示。表1是1-3实施例高氮齿轮钢的化学成分，表2是冶炼、连铸过程关键工艺参数，表3为轧制过程关键工艺参数。
表1高氮齿轮钢实施例化学成分(重量，％)
Figure BDA0003310469960000051
表2冶炼、连铸过程关键工艺参数
Figure BDA0003310469960000052
表3轧制及扒皮过程关键工艺参数
Figure BDA0003310469960000053
实施例1-3每炉钢材成品的性能检验结果如表4～6所示。
表4低倍、碳极差、硬度检验结果
Figure BDA0003310469960000054
Figure BDA0003310469960000061
表5高倍组织检验结果
Figure BDA0003310469960000062
表6淬透性检验结果
Figure BDA0003310469960000063
从实施例1-3可以看出，该高氮齿轮钢洁净度较高，非金属夹杂物控制良好，均匀性好，晶粒均匀细小。本发明涉及的一种高氮齿轮钢漏磁、超声波(A级)联合探伤合格率98％以上。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高氮齿轮钢，其特征在于，所述高氮齿轮钢的化学成分质量百分比为：C：0.17-0.23％、Si：≤0.30％、Mn：0.55-0.90％、Cr：0.85-1.25％、P：≤0.030％、S：0.020-0.035％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.15-0.35％、N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％、Ti:≤0.008％、Ca：≤0.002％、B≤0.0005％、[O]≤15ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。
2.根据权利要求1所述的高氮齿轮钢，其特征在于，所述高氮齿轮钢的化学成分质量百分比为：C：0.19-0.22％、Si：≤0.25％、Mn：0.70-0.85％、Cr：1.00-1.20％、P：≤0.020％、S：0.020-0.035％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.20％、Mo：0.18-0.25％、N：0.010-0.020％、Al：0.025-0.050％、Ti:≤0.008％、Ca：≤0.002％、B≤0.0003％、[O]≤12ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，且2.5≤Al/N≤5。
3.一种权利要求1或2所述高氮齿轮钢的制备方法，包括如下步骤：
1)冶炼：入炉铁水重量比例≥40％，电炉终点C≥0.07％，P≤0.015％，出钢温度1640～1660℃，出钢加入高纯碳化硅和纯铝锭，最后加入合金渣料；
2)LF精炼：LF到位Al控制0.070～0.090％，调渣，成分调整后吹氩搅拌，喂入铝线，出钢前3～5分钟喂入钙线，喂入铝线与钙线之间时间间隔不少于7min，精炼出钢温度1655～1675℃；
3)VD真空：真空度小于67Pa保持时间≥12分钟，氩气流量50～70NL/min；破空后，先喂入氮化锰线，后喂入硫线，控制正常炉次上钢温度1565～1590℃；
4)连铸：连铸使用双层中间包覆盖剂，中包过热度15～30℃，拉矫温度≥920℃，铸坯落地缓冷≥24小时；
5)轧制：加热时控制加热高温段温度1210～1250℃，均热温度1200～1230℃，且温度≥1200℃保温时间不小于2h，总加热时间不少于4h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中加入高纯碳化硅的量为0.8～1.5kg/t钢，加入纯铝锭的量为2.0～2.5kg/t钢，其中，高纯碳化硅的纯度≥98％，且Ti≤0.01％；纯铝锭的纯度≥96％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中LF到位Al控制0.070～0.090％；采用低钛精炼渣，低钛精炼渣中Ti≤0.01％，炉渣成分为：Al2O3＝25～32％，CaO＝44～50％，SiO2＝6～9％，MgO＝5～7％，碱度控制5～8，氩气流量600～1000NL/min，铝控制在0.060～0.080％，喂入钙线的量为0.8～1.5m/吨钢。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中VD破空后喂入氮化锰线的量为2.5～5.0m/t钢，喂入硫线的量为1.2～1.6m/t钢，氩气流量10～20NL/min，软吹氩时间不小于15分钟。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中所述双层中间包覆盖剂的下层使用低钛碱性中包覆盖剂，上层使用低钛空心颗粒中包覆盖剂，其中，低钛碱性中包覆盖剂中Ti≤0.01％。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中采用电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流150～250A，频率3～4HZ，末端电磁搅拌电流250～300A，频率12～14HZ；比水量0.25～0.27L/kg；260mm×300mm方坯拉速0.5～0.55m/min，180mm×220mm方坯拉速1.05～1.10m/min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中加热时预热段缓慢加热，升温速度15～20℃/min，开轧温度1100～1150℃，终轧温度≤950℃，上倍尺冷床温度≤930℃，冷床加盖保温罩，冷床停留时间≥30min，锯切温度≤350℃，入坑缓冷温度≥200℃，缓冷时间≥24h。
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