CN114774790A - 一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢及其制备方法，通过中碳+低锰+1.80％Ni+0.60％Cr+0.25％Mo且碳当量Ceq≤0.62合金化成份设计采用铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢。经过控轧控冷及随后的淬火+低温回火热处理后，力学性能达到技术标准要求，国内大型的城市地铁设备项目，使用性能得到行业内的认可。本发明铸坯生产的齿轮用圆钢经过淬火+低温回火热处理后，屈服强度≥1280MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≤0.86，断后伸长率≥13％，断面收缩率Z≥48％，同时‑20℃，1/4直径位置横向冲击功Aku≥90J，端淬值J13达到了≥34HRC，奥氏体晶粒度达到7.5级，具有良好的淬透性，同时具有良好强韧性性能。成为国内大齿轮圈、大轴承用钢的市场主打产品，具有指标性引领意义。
Description
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，涉及齿轮用圆钢的生产方法，具体涉及一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢及其制备方法。
背景技术
近年来，中国高铁建设快速发展。高铁对特钢的需求主要体现在高速动车组列车转向架用钢，包括构架、车轴、车轮、齿轮装置与轴承用钢等方面，高铁的快速发展将持续驱动高铁用特钢的市场需求。目前，我国在高铁领域的不断发展与创新对国产特钢提供了机遇与挑战。例如，齿轮箱是驱动动车组高速行驶的核心部件，其核心材料渗碳齿轮钢要求达到100亿周次疲劳寿命，制造的齿轮需满足30年/2400万公里全服役周期使用年限要求。这些条件对钢材的强韧性、耐磨性、疲劳性能及精密性均有着极高的要求。因此，国产高铁齿轮钢的研制面临着高洁净度控制、细晶粒度控制、超低氧控制、带状组织控制等多项技术难题。
目前，轨道交通用齿轮用钢全部是模铸+锻造的工艺生产，生产效率低，且成本比较高。国内仅有少量的钢铁厂家供货，均为模铸+锻造工艺生产。随着大方坯连铸工艺的不断成熟，目前客户需要使用连铸+热轧/锻造的工艺生产齿轮用圆钢、替代传统的模铸+锻造的生产工艺。为此，本项目开发了一种铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的生产方法对国内大齿轮圈、大轴承用钢的市场开发具有指标性引领意义。
国内很多钢厂均在研究齿轮用钢的生产工艺，大部分都集中在炼钢工艺的研究，但对大尺寸低屈强比齿轮用钢采用铸坯轧制的生产方法研究较少。已公布的专利文献内容中产品在实际工程应用更是微乎其微。
公开号为CN113817951 A一种轨道交通用连铸齿轮钢棒材的生产工艺，通过合理的冶炼工艺设计，得到了较好力学性能，但通篇未阐述其成分设计理念，且轧制尺寸也没有明确。本项目公布了大尺寸
公开号为CN113249651A一种控轧加高温回火的齿轮钢棒材，采用合理的成分设计，采用连铸坯生产φ20-80mm的冷锻用的齿轮钢用棒材生产工艺，且得到较好的硬度性能，但强度和冲击性能均未提到。
公开号为CN107254624B一种直径90mm以上大规格齿轮钢及其生产方法，重点描述了圆坯冶炼工艺且采用合理的成分设计，生产φ150mm圆钢，得到较好的端部淬透性能和较低的带状组织级别。但本专利采用的φ450mm的连铸圆坯做为原材料，其强度和冲击机械性能均为提到。
公开号为CN104372258B一种CrNiMo高强度齿轮钢及其制备方法，采用合理的成分设计，生产φ110mm，且得到较好的低倍等级、夹杂物等级和较好的端淬性能。但本专利的成分设计与本专利公布的成分理念有很大的不同，且选用180mm×220mm和260mm×300mm连铸方坯做为轧制原材料，通篇描述了冶炼生产方法，性能检测中未体现出强度和冲击机械性能情况，不满足现有在役轨道用钢对性能的要求。
考虑到城市铁路轨道发展趋势，大齿轮圈、大轴承需要大尺寸圆钢作为原材料，为延长齿轮用钢服役寿命，除常规低倍夹杂物控制优良外，还需要有优良的低屈强比性能，所有的要求均要易于生产且成本较低。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的方法，以解决低碳当量、低温冲击韧性、高淬透性、加工困难等技术难点。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢，采用中碳+低锰+Ni+Cr+Mo且碳当量Ceq≤0.62合金化学成份，铸坯生产得到；圆钢屈服强度≥1280MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≤0.86，断后伸长率≥13％，断面收缩率Z≥48％，同时-20℃，1/4直径位置横向冲击功Aku≥90J，端淬值J13≥34HRC，奥氏体晶粒度达7.5级。
具体地，所述齿轮用圆钢的化学成分按重量百分比计，包括，C：0.18-0.24％，Si：0.20-0.35％，Mn：0.50-0.70％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ni：1.5-1.9％，优选1.80％，Cr：0.50-0.70％，优选0.60％；Mo：0.2-0.3％，优选0.25％，Alt：0.020-0.050％，N：0.010-0.0150％，H≤0.0002％，O≤0.0015％；Cu为残余元素，不刻意添加；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.62；余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，本发明还提供上述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，包括如下工艺：
(1)铁水脱硫预处理；
(2)电炉冶炼；
(3)LF精炼+VD精炼；
(4)连铸；
(5)铸坯堆垛缓冷；
(6)加热轧制；
(7)热处理；
(8)端部淬火；
(9)钢板淬火+回火热处理。
具体地，所述步骤(5)铸坯堆垛缓冷工艺包括：
坯料经过堆垛缓冷，堆垛高度不超过3米，坯料入缓冷坑采用保护罩盖住；缓冷温度控制在700℃，缓冷时间为72小时，同时控制出缓冷坑温度为200-250℃。
具体地，所述步骤(6)加热轧制工艺包括：
坯料加热温度：1200-1260℃，出钢温度均≥1200℃，采用320mm×480mm大矩形铸坯：轧成φ150mm圆钢，坯料在炉总时间为300-320min，坯料出炉后即开始粗轧，粗轧终轧温度为≥1000℃，粗轧结束后，快速进入10台平立连轧机精轧。
进一步地，为确保轧制过程中坯料温降均匀减少心部带状组织产生时间，精轧过程中采用5组穿水箱穿水控制冷却工艺，穿水时长1-2min，精轧终轧温度830-850℃。
具体地，所述步骤(7)热处理工艺包括：
圆钢轧完进入辊底式退火炉，退火温度：690-700℃；退火时间：15小时。
具体地，所述步骤(8)端部淬火工艺包括：
端淬的淬火温度：910-930℃；保温时间：60min；淬火介质：水。
具体地，所述步骤(9)钢板淬火+回火热处理工艺包括：
钢板淬火温度850-860℃，淬火介质为机械油，保温时间为60min；回火温度为200-220℃，保温120min。
有益效果：
(1)本发明通过中碳+低锰+1.80％Ni+0.60％Cr+0.25％Mo且碳当量Ceq≤0.62合金化成份设计采用铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢，减少低屈强比、高淬透性成分设计复杂问题，生产工序简单、快捷交付，成本低廉；
(2)本发明铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢其圆钢尺寸为φ150mm，经过最优的淬火+低温回火热处理后，其力学性能达到：屈服强度≥1280MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≤0.86，断后伸长率≥13％，断面收缩率Z≥48％，同时-20℃，1/4直径位置横向冲击功Aku≥90J，端淬值J13达到了≥34HRC，奥氏体晶粒度达到7.5级，具有良好的淬透性，同时具有良好强韧性性能。
(3)本发明方法成功解决了低碳当量、低温冲击韧性、高淬透性、加工困难等技术难点。
(4)该本发明方法采用2辊粗轧机+10架平立连轧可逆轧机生产线能够生产高强度、高低温冲击、低屈强比、高淬透性大尺寸齿轮用圆钢。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明实施例5生产的圆钢7.5级奥氏体晶粒度金相组织微观结构。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
本发明实施例采用5组化学成分，分别见表1至表5。
表1 实施例1化学成分
表2 实施例2化学成分
表3 实施例3化学成分
表4 实施例4化学成分
表5 实施例5化学成分
本发明大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法包括如下工艺：
铁水脱硫预处理→电炉冶炼→LF+VD精炼→连铸→铸坯堆垛缓冷→加热轧制→热处理→端部淬火→钢板淬火+回火热处理→检验→挂牌标识→入库。
其中，铸坯堆垛缓冷工艺包括：坯料经过堆垛缓冷，堆垛高度不超过3米，坯料入缓冷坑采用保护罩盖住；缓冷温度控制在700℃，缓冷时间为72小时，同时控制出缓冷坑温度为200-250℃。
加热轧制工艺包括：坯料加热温度：1200-1260℃，出钢温度均≥1200℃，采用320mm×480mm大矩形铸坯：轧成φ150mm圆钢，坯料在炉总时间为300-320min，坯料出炉后即开始粗轧，粗轧终轧温度为≥1000℃，粗轧结束后，快速进入10台平立连轧机精轧。
为确保轧制过程中坯料温降均匀减少心部带状组织产生时间，精轧过程中采用5组穿水箱穿水控制冷却工艺，穿水时长1-2min，精轧终轧温度830-850℃。
热处理工艺为：圆钢轧完进入辊底式退火炉，退火温度：690-700℃；退火时间：15小时。
端部淬火工艺为：端淬的淬火温度：910-930℃；保温时间：60min；淬火介质：水。
钢板淬火+回火热处理工艺为：钢板淬火温度850-860℃，淬火介质为机械油，保温时间为60min；回火温度为200-220℃，保温120min。
由于高强度低屈强比大尺寸圆钢因需要低温冲击，本生产方法除成分设计采用加镍提高冲击韧性外，还采用精轧连轧阶段穿水工艺生产办法。圆钢轧后为确保平整冷却均匀，需要在690-700℃进行在线退火，退火时间15小时，矫直确保原始棒形平直。各实施例的具体加热工艺参数见表6。
表6
由于实验钢属于大尺寸方坯轧制成φ150mm圆钢，要获取高强度、低屈强比高低温冲击性能，为弥补铸坯心部带状组织很难改善的缺陷影响，钢板采用控制粗轧+精轧连轧穿水轧制模式控轧，降低高温状态下晶粒长大速度，本生产方法选用320mm×480mm大矩形坯料，且出炉温度采用高温出炉即温度≥1200℃，考虑合金溶解需要时间，在炉时间适当延长，确保坯料钢温整体均匀，增加轧制渗透至心部的能力，从而提高心部变形能力，降低心部组织晶粒尺寸。各实施例的控轧工艺参数见表7。
表7
各实施例端部淬火工艺参数见表8。
表8
| 实施例 | 淬火温度(℃) | 总在炉时间(min) | 淬火介质 |
| 1 | 910 | 60 | 水 |
| 2 | 911 | 60 | 水 |
| 3 | 922 | 60 | 水 |
| 4 | 925 | 60 | 水 |
| 5 | 930 | 60 | 水 |
各实施例试样淬火工艺参数见表9。
表9
| 实施例 | 淬火温度(℃) | 总在炉时间(min) | 淬火介质 |
| 1 | 850 | 60 | 机械油 |
| 2 | 850 | 60 | 机械油 |
| 3 | 856 | 60 | 机械油 |
| 4 | 860 | 60 | 机械油 |
| 5 | 855 | 60 | 机械油 |
各实施例试样回火工艺参数见表10。
表10
| 实施例 | 回火温度(℃) | 总在炉时间(min) | 冷却方式 |
| 1 | 203 | 120 | 空冷 |
| 2 | 200 | 120 | 空冷 |
| 3 | 210 | 120 | 空冷 |
| 4 | 215 | 120 | 空冷 |
| 5 | 220 | 120 | 空冷 |
各实施例经端部淬火后，试样性能见表11和表12。
表11
表12
通过以上性能数据可以看出，本发明通过中碳+低锰+1.80％Ni+0.60％Cr+0.25％Mo且碳当量Ceq≤0.62合金化成份设计采用铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢。一种铸坯生产大尺寸低屈强比齿轮用圆钢其圆钢尺寸为φ150mm，经过淬火+低温回火热处理后，其力学性能达到：屈服强度≥1280MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≤0.86，断后伸长率≥13％，断面收缩率Z≥48％，同时-20℃，1/4直径位置横向冲击功Aku≥90J，端淬值J13达到了≥34HRC，奥氏体晶粒度达到7.5级，见图1。具有良好的淬透性，同时具有良好强韧性性能。本发明所获得的这些强度、塑性、端淬性能、横向冲击韧性性能指标均达到技术标准要求，同时国内大型的城市地铁设备项目，使用性能得到行业内的认可。由于大尺寸圆钢受矩形铸坯冶炼质量发展影响，低屈强比性能要求，在实际工业化大生产过程中，为避免在生产过程中轧制形变不足，易造成原始晶粒尺寸粗大，甚至出现混晶现象，从而严重影响强度、塑性和低温冲击韧性相匹配的力学性能，故对坯料的缓冷工艺、穿水轧制工艺、热处理淬火+回火工艺进行了摸索优化，并进行了规定，从而实现工业化大生产采用较低的生产装备条件能够生产高等级大尺寸齿轮用圆钢。
本发明提供了一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢及其制备方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种大尺寸低屈强比齿轮用圆钢，其特征在于，采用中碳+低锰+Ni+Cr+Mo且碳当量Ceq≤0.62合金化学成份，铸坯生产得到；圆钢屈服强度≥1280MPa，抗拉强度≥1500MPa，屈强比≤0.86，断后伸长率≥13％，断面收缩率Z≥48％，同时-20℃，1/4直径位置横向冲击功Aku≥90J，端淬值J13≥34HRC，奥氏体晶粒度达7.5级。
2.根据权利要求1所述的大尺寸低屈强比齿轮用圆钢，其特征在于，所述齿轮用圆钢的化学成分按重量百分比计，包括，C：0.18-0.24％，Si：0.20-0.35％，Mn：0.50-0.70％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ni：1.5-1.9％，Cr：0.50-0.70％；Mo：0.2-0.3％，Alt：0.020-0.050％，N：0.010-0.0150％，H≤0.0002％，O≤0.0015％；Cu为残余元素，不刻意添加；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.62；余量为Fe及不可避免的杂质。
3.权利要求1所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，包括如下工艺：
(1)铁水脱硫预处理；
(2)电炉冶炼；
(3)LF精炼+VD精炼；
(4)连铸；
(5)铸坯堆垛缓冷；
(6)加热轧制；
(7)热处理；
(8)端部淬火；
(9)钢板淬火+回火热处理。
4.根据权利要求3所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，步骤(5)铸坯堆垛缓冷工艺包括：
坯料经过堆垛缓冷，堆垛高度不超过3米，坯料入缓冷坑采用保护罩盖住；缓冷温度控制在700℃，缓冷时间为72小时，同时控制出缓冷坑温度为200-250℃。
5.根据权利要求3所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，步骤(6)加热轧制工艺包括：
坯料加热温度：1200-1260℃，出钢温度均≥1200℃，采用320mm×480mm大矩形铸坯：轧成φ150mm圆钢，坯料在炉总时间为300-320min，坯料出炉后即开始粗轧，粗轧终轧温度为≥1000℃，粗轧结束后，快速进入10台平立连轧机精轧。
6.根据权利要求5所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，精轧过程中采用5组穿水箱穿水控制冷却工艺，穿水时长1-2min，精轧终轧温度830-850℃。
7.根据权利要求3所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，步骤(7)热处理工艺包括：
圆钢轧完进入辊底式退火炉，退火温度：690-700℃；退火时间：15小时。
8.根据权利要求3所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，步骤(8)端部淬火工艺包括：
端淬的淬火温度：910-930℃；保温时间：60min；淬火介质：水。
9.根据权利要求3所述大尺寸低屈强比齿轮用圆钢的制备方法，其特征在于，步骤(9)钢板淬火+回火热处理工艺包括：
钢板淬火温度850-860℃，淬火介质为机械油，保温时间为60min；回火温度为200-220℃，保温120min。
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