CN114892070B - 一种含硫齿轮钢及其生产的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含硫齿轮钢及其生产的方法，所述含硫齿轮钢的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18‑0.19％，S:0.020‑0.030％，Si：≤0.10％，Mn：1.33‑1.37％，Cr：1.23‑1.27％，Al：0.033‑0.041％，N：100‑120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；其中，Te和S元素之间的质量比关系满足：Te/S＝0.05‑0.10；所述含硫齿轮钢中硫化物呈MnTe包裹的MnS双层复合夹杂物，平均长宽比为1.5‑2.0；所述方法利用Te元素对齿轮钢硫化物进行调整，实现了改善硫化物形态，增加其硬度，减小锻造时的变形量的效果。

Description

一种含硫齿轮钢及其生产的方法
技术领域
本发明属于冶金材料技术领域，尤其涉及一种含硫齿轮钢及其生产的方法。
背景技术
齿轮钢是典型的特殊钢，它们是汽车动力传递系统及工程机械的关键材料，我国每年有上百万吨的市场需求。齿轮钢中硫含量通常在0.015-0.035％，硫的添加可以调控产品的切削性能、抗震性能，并起到防止裂纹扩散作用，但由于国内钢厂硫化物调控技术及手段的落后，齿轮钢中硫化物形态无法满足高端用户的硫化物检验标准，产品各向异性严重、切削性能差，难以获得汽车主机厂的质量认证。因此硫化物形态控制水平成为含硫特殊钢迈入高端市场最基本要求。硫元素能够提高钢材的切削性能，起到润滑、断屑等作用，是非调质钢、齿轮钢钢中需要添加的元素。但硫化物相对钢基体更软、熔点更低，在热轧过程中会变为长条形，对钢力学性能有害，将硫化物调控为球形、纺锤形等长宽比较小的硫化物，是含硫钢取得加工与力学性能平衡的关键。现有技术中，控制MnS为主的硫化物夹杂的形态的主要措施为向钢中添加Ca、Zr、Ba等元素。
Ca处理方法，一般是向钢中添加Ca，含量在0.001～0.010％范围，可有效改善非调质钢的切削性能。CN107760824B公开了一种非调质钢或齿轮钢中硫化物夹杂改质的冶炼方法，其改质工艺的实现主要是向精炼后的钢液中喂入硅镁钙复合包芯线，或者分别喂入硅镁、硅钙包芯线，使得钢中的全镁含量在4～25ppm之间，钙含量在5～25ppm之间，通过优化精炼过程钢中氧、硫、锰、钙、镁、铝的含量，可有效实施对非调质钢、齿轮钢的夹杂物改质，进而控制硫化物的形态、大小、分布。然而实际生产中由于Ca合金的收得率难以保证，且对于有Al要求的钢易造成钢液可浇性差的问题。
Zr处理方法，采取向钢中添加Zr元素的方法控制MnS形态，采取Zr脱氧，利用ZrO2作为凝固过程中MnS的异质形核核心，达到细化MnS的目的。CN110172638B公开了一种改善非调质钢中MnS夹杂物形态的冶金方法，所述方法生产方法：转炉冶炼；在钢包炉中采用白渣精炼；RH真空处理；浇注成方坯后轧制成圆钢；加工成齿轮并高温渗碳处理。本发明通过在传统齿轮钢的基础上添加V、N、Zr、Al、S等元素，使齿轮钢在950～1100℃渗碳，并保温4.5～5.5h下，奥氏体晶粒度不低于6级，满足用户高温渗碳工艺的需求；但二氧化锆容易聚集在钢材内部，形成脆性夹杂物，对钢的性能会产生一定危害。
Ba处理方法是向钢中添加0.0001-0.03％的钡合金，提高含硫非调质钢洁净度的同时，细化硫化物夹杂。CN108300833A公开了一种提高20CrMnTi齿轮钢连铸钢水质量的冶炼方法，有如下骤：(1)LF精炼电炉配加30％以上的铁水；(2)渣料配加量为石灰，电炉冶炼保证全程泡沫渣埋弧操作；(3)控制出钢钢水C≥0.05％、P≤0.010％，温度大于1630℃；(4)出钢前向钢包内加入硅锰合金、中碳铬合金，烘烤；(5)炉后脱氧；(6)电炉出钢口出钢时间大于110秒；(7)出完钢后迅速将吹氩氩气调整到软吹；(8)脱氧制度：出钢前加入铝渣球，电石，钢水出到20吨后加入硅钙钡，铝铁钢，出钢时间在140±10秒。由于钡与钙同族，且其活性更强，实际生产中钢材的收得率较低，操作有困难。
为优化硫化物在含硫齿轮钢中的形态，提升其综合性能，需要优化现有工艺。
发明内容
针对现有技术存在的含硫齿轮钢的成分改造方法存在收率较低，对钢材其他方面性能有损害等问题，本发明提出了一种含硫齿轮钢及其生产的方法，所述方法向VD真空冶炼后的钢液中添加特定含量的铁碲包芯线，调控含硫非调质钢的硫化物(MnS)的形态效果，进而调控含硫齿轮钢的质量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种含硫齿轮钢，所述含硫齿轮钢的化学成分按质量百分比计包括：
C：0.18-0.19％，S:0.020-0.030％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
其中，Te和S元素之间的质量比关系满足：Te/S＝0.05-0.10；
所述含硫齿轮钢中硫化物呈MnTe包裹的MnS双层复合夹杂物，所述硫化物的平均长宽比为1.5-2.0。
硫化物夹杂能显著影响钢材的疲劳性能，质软硫化物在一定程度上能有效减缓硬脆非金属夹杂物对基体的割裂、划伤作用，减小脆性夹杂物对基体产生的嵌镶应力，阻止疲劳裂纹的萌生；本发明对含硫齿轮钢20MnCr5加入适量的碲元素进行改质，碲处理对钢中硫化物能够进行有效改质，碲加入后形成MnTe与MnS共溶物，在钢液冷却凝固过程中，以氧化物为核心析出，根据不同的冷速，形成共溶物析出或者MnTe包裹在MnS表面析出，从而改善MnS与钢基体间的界面特性，使改性后硫化物更倾向于以球形析出，能降低MnS夹杂长宽比。
本发明提供含硫齿轮钢的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19％，例如可以是0.18％、0.182％、0.185％、0.188％或0.19％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；S：0.020-0.030％，例如可以是0.020％、0.022％、0.025％、0.028％或0.030％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Si：≤0.10％，例如可以是0.10％、0.095％、0.090％、0.080％或0.070％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Mn：1.33-1.37％，例如可以是1.33％、1.34％、1.35％、1.36％或1.37％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Cr：1.23-1.27％，例如可以是1.23％、1.24％、1.25％、1.26％或1.27％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Al：0.033-0.041％，例如可以是0.033％、0.035％、0.037％、0.039％、0.040％、或0.041％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；N：100-120ppm，例如可以是100ppm、102ppm、105ppm、108ppm、110ppm、112ppm、115ppm、118ppm或120ppm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
其中，Te和S元素之间的关系需满足：Te/S＝0.05-0.10，例如可以是0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.10，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Te/S过低，达不到硫化物改质的效果，硫化物依然是长条形，会引起钢材性能的各向异性，Te/S过高，由于Te元素是低熔点物质，在加热时易在钢材表面析出，造成表面裂纹等缺陷，影响钢材的成材率。
第二方面，本发明还提供了一种如第一方面所述的含硫齿轮钢生产的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后进行转炉，再与金属原料混合进行放钢；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水进行造渣；
(3)VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行深真空处理，喂入铁碲包芯线；
其中，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30％，Fe：70-92％；
(4)连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，得到所述含硫齿轮钢。
硫化物夹杂能显著影响钢材的疲劳性能，质软硫化物在一定程度上能有效减缓硬脆非金属夹杂物对基体的割裂、划伤作用，减小脆性夹杂物对基体产生的嵌镶应力，阻止疲劳裂纹的萌生；本发明通过对硫化物加入适量的变性剂，使其从长条状或链状转变为球状、纺锤形等长宽比较小的硫化物，能延长疲劳微裂纹形成时间，改善含硫齿轮钢的切削性。相关的反应式为：
Mn+S＝MnS
Mn+Te＝MnTe
MnS+MnTe＝Mn(Te,S)
本发明通过碲处理技术，在VD精炼环节添加铁碲包芯线，并优选其中Te的质量分数为8-30％，其原因在于Te含量太低会增加铁碲包芯线的喂线量，影响生产效率，Te元素是易挥发的低熔点物质，精炼环节中Te加入量太高又会影响收得率，钢材韧度、切削性等也不再会显著提升，根据硫含量不同的钢，加入不同Te含量的铁碲包芯线，更易精确控制钢中加入量，达到改善硫化物形态和分布的目的。碲处理后，在硫化物表面形成MnTe包裹层或者与MnS形成共溶物，改变MnS的表/界面特性，使硫化物更倾向以球状形态弥散分布于钢基体中，显著减低析出硫化物的长宽比，使钢材的切削性能与力学性能同时得到优化。另一方面，硫化物夹杂物熔点低，在热处理温度下能够进一步与钢基体发生固相反应，硫化物的溶解、变形，使对钢材进一步调控成为可能。
本方法VD真空冶炼步骤中，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30％，例如可以是8％、10％、12％、15％、18％、20％、25％或30％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Fe：70-92％，例如可以是70％、72％、75％、78％、80％、85％或90％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)中所述KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，例如可以是0.050％、0.049％、0.048％或0.045％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述转炉的终点中铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05-0.10％，例如可以是0.05％、0.06％、0.07％、0.08％或0.10％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；P≤0.020％，例如可以是0.020％、0.019％、0.018％、0.017％或0.016％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；S≤0.035％，例如可以是0.035％、0.033％、0.032％或0.030％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述金属原料包括低碳铬铁(C：≤0.50％)、低碳锰铁(C：≤0.40％)、硅铁和铝锭。
优选地，所述放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.11-0.16％，Si≤0.10％，例如可以是0.10％、0.095％、0.090％、0.080％或0.070％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Mn：1.17-1.23％，例如可以是1.17％、1.18％、1.20％、1.21％或1.23％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Cr：1.19-1.25％，例如可以是1.19％、1.20％、1.21％、1.22％或1.25％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Al：0.035-0.050％，例如可以是0.035％、0.040％、0.045％或0.050％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；其余组分为Fe以及不可避免的杂质。
优选地，所述放钢的终点温度≥1620℃。
优选地，步骤(2)中所述造渣包括通电同时进行投料。
优选地，所述通电中一次通电的时间≥15min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min或20min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述投料中一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉。
优选地，所述通电中二次通电的时间≥10min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min或15min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述投料中二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉。
优选地，所述投料中其余投料加入碳化硅。
优选地，所述LF精炼冶炼的总时间≥48min，例如可以是48min、49min、50min、52min或55min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述LF精炼冶炼中白渣保持时间≥15min，例如可以是15min、18min、20min或25min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.17-0.19％，Si：≤0.08％，例如可以是0.08％、0.075％、0.070％或0.060％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Mn：1.21-1.25％，例如可以是1.21％、1.22％、1.23％、1.24％或1.25％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Cr：1.23-1.27％，例如可以是1.23％、1.24％、1.25％、1.26％或1.27％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；Al：0.020-0.030％，例如可以是0.020％、0.022％、0.025％、0.028％或0.030％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；其余组分为Fe以及不可避免的杂质。
优选地，步骤(3)中所述深真空的压力为≤67MPa，例如可以是67MPa、66MPa、65MPa、64MPa或63MPa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述深真空的时间≥15min，例如可以是15min、15.5min、16min、16.5min、17min、17.5min或18min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，破空后和喂入铁碲包芯线之间，还依次喂入锰氮线、硅钙线和硫磺线；此处的破空是指深真空处理结束后，钢水与空气接触的时刻。
优选地，所述喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为100-110ppm，例如可以是100ppm、102ppm、105ppm、108ppm或110ppm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述VD真空冶炼结束前≥20min喂入硅钙线，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min或25min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述硅钙线分别喂入中包第一炉和连浇炉。
优选地，所述中包第一炉中硅钙线的喂入量为78-82米/炉，例如可以是78米/炉、79米/炉、80米/炉、81米/炉或82米/炉，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连浇炉中硅钙线的喂入量为58-62米/炉，例如可以是58米/炉、59米/炉、60米/炉、61米/炉或62米/炉，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述VD真空冶炼结束前10-14min喂入硫磺线，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min或15min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.020-0.030％，例如可以是0.020％、0.022％、0.025％、0.028％或0.030％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述喂入硫磺线1.5-2.5min后，喂入铁碲包芯线，例如可以是1.5min、1.8min、2min、2.2min或2.5min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.05-0.10。
优选地，步骤(3)中所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质。
优选地，步骤(4)中所述浇注的坯型尺寸为(230-250)mm×(230-250)mm，例如可以是230mm×230mm、235mm×235mm、240mm×240mm、245mm×245mm或250mm×250mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连铸冶炼中过热度为15-30℃，例如可以是15℃、18℃、20℃、22℃、25℃、28℃或30℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连铸冶炼中拉速为0.8-1.0m/min，例如可以是0.8m/min、0.85m/min、0.9m/min、0.95m/min或1.0m/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连铸冶炼中二冷水的流量为0.26-0.30L/kg，例如可以是0.26L/kg、0.27L/kg、0.28L/kg、0.29L/kg或0.30L/kg，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中“二冷水”全称“二冷段水雾冷却”，是连铸坯出结晶器后的第二段冷却。
优选地，所述连铸冶炼中二冷水的分配比为(40-45):(28-32):(12-16):(12-16)，例如可以是40:28:16:16、41:29:15:15、42:30:14:14、43:31:13:13或45:32:12:12，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连铸冶炼中电磁搅拌磁场的电流为230-270A，例如可以是230A、240A、250A、260A或270A，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述连铸冶炼中电磁搅拌磁场的频率为2.5-3.5HZ，例如可以是2.5HZ、2.8HZ、3HZ、3.2HZ或3.5HZ，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，末端电磁搅拌采用动态模型进行控制。
优选地，所述连铸冶炼的加热工艺参数如表1所示：
表1
本发明对所述转炉冶炼、LF精炼冶炼、VD真空冶炼和连铸冶炼的工艺流程以及使用的设备方式没有特殊限制，采用常规操作进行即可，也可根据实际工艺进行调整。
优选地，步骤(4)中所述连铸冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19％，S:0.020-0.030％，Te：0.0010-0.0020％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05-0.10％，P≤0.020％，S≤0.035％；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.11-0.16％，Si≤0.10％，Mn：1.17-1.23％，Cr：1.19-1.25％，Al：0.035-0.050％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间≥15min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间≥10min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间≥48min，白渣保持时间≥15min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.17-0.19％，Si：≤0.08％，Mn：1.21-1.25％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.020-0.030％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(3)VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间≥15min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为100-110ppm；VD真空冶炼结束前≥20min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以78-82米/炉的速度喂入中包第一炉和58-62米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前10-14min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.020-0.030％；喂入硫磺线1.5-2.5min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30％，Fe：70-92％，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.05-0.10；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(4)连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为(230-250)mm×(230-250)mm，过热度为15-30℃，拉速为0.8-1.0m/min；二冷水的流量为0.26-0.30L/kg，二冷水的分配比为(40-45):(28-32):(12-16):(12-16)；电磁搅拌磁场(230-270)A/(2.5-3.5)HZ，得到所述含硫齿轮钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种含硫齿轮钢，按国标GB/T10561-2005评级，硫化物A细由2.5级降至2.0级，A粗由1.5级降至A粗≤1.0级，法标评级在E级以上；
(2)本发明提供的一种含硫齿轮钢，硫化物的平均长宽比由传统工艺中的1.71左右降至1.5-2.0；
(3)本发明提供的一种含硫齿轮钢生产的方法，通过对含硫齿轮钢20MnCr5进行加碲改质，Te可与Mn、S结合形成MnTe包裹的MnS双层复合夹杂物，改善硫化物形态，增加其硬度，减小锻造变形量，达到调控含硫非调质钢的硫化物的形态效果。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的含硫齿轮钢生产的方法的流程示意图。
图2为本发明具体实施方式提供的含硫齿轮钢的测试方法的取样方式。
图3为本发明实施例1提供的含硫齿轮钢经过黑白处理的金相图片。
图4为本发明对比例2提供的含硫齿轮钢经过黑白处理的金相图片。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种含硫齿轮钢，所述含硫齿轮钢的化学成分按质量百分比计包括：
C：0.18-0.19％，S:0.020-0.030％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
其中，Te和S元素之间的质量比关系满足：Te/S＝0.05-0.10；
所述含硫齿轮钢中硫化物呈MnTe包裹的MnS双层复合夹杂物，平均长宽比为1.5-2.0。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种如上所述的含硫齿轮钢生产的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05-0.10％，P≤0.020％，S≤0.035％；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.11-0.16％，Si≤0.10％，Mn：1.17-1.23％，Cr：1.19-1.25％，Al：0.035-0.050％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间≥15min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间≥10min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间≥48min，白渣保持时间≥15min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.17-0.19％，Si：≤0.08％，Mn：1.21-1.25％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.020-0.030％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(3)VD真空冶炼(即VD真空脱气)：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间≥15min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为100-110ppm；VD真空冶炼结束前≥20min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以78-82米/炉的速度喂入中包第一炉和58-62米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前10-14min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.020-0.030％；喂入硫磺线1.5-2.5min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30％，Fe：70-92％，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.05-0.10；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19％，Si：≤0.10％，Mn：1.33-1.37％，Cr：1.23-1.27％，Al：0.033-0.041％，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(4)连铸冶炼(即连铸)：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为(230-250)mm×(230-250)mm，过热度为15-30℃，拉速为0.8-1.0m/min；二冷水的流量为0.26-0.30L/kg，二冷水的分配比为(40-45):(28-32):(12-16):(12-16)；电磁搅拌磁场(230-270)A/(2.5-3.5)HZ，得到所述含硫齿轮钢。
图1为以上生产方法的步骤示意图，如图1所示，原料依次经过转炉冶炼、LF精炼冶炼、VD真空脱气和连铸，并在VD真空脱气中喂入铁碲包芯线，得到钢材粗产品，再依次经过加热炉进行加热、轧制、检验、精整、入库，得到成品含硫齿轮钢。
需明确的是，采用了本发明实施例提供的工艺或进行了常规数据的替换或变化均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例1
本实施例提供一种含硫齿轮钢，还提供所述含硫齿轮钢生产的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.07％，P≤0.020％，S≤0.035％；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.13％，Si：0.09％，Mn：1.2％，Cr：1.22％，Al：0.043％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间25min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间20min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间50min，白渣保持时间25min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18％，Si：0.07％，Mn：1.23％，Cr：1.25％，Al：0.025％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(3)VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间为20min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为105ppm；VD真空冶炼结束前25min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以80米/炉的速度喂入中包第一炉和60米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前12min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.025％；喂入硫磺线2min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：19％，Fe：81％，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.08；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.185％，Si：0.07％，Mn：1.35％，Cr：1.25％，Al：0.036％，N：110ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(4)连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为240mm×240mm，过热度为22℃，拉速为0.9m/min；二冷水的流量为0.28L/kg，二冷水的分配比为42:30:14:14；电磁搅拌磁场250A/3HZ，得到所述含硫齿轮钢。
实施例2
本实施例提供一种含硫齿轮钢，还提供所述含硫齿轮钢生产的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05％，P≤0.020％，S≤0.035％；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.11％，Si：0.10％，Mn：1.17％，Cr：1.19％，Al：0.035％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间20min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间15min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间48min，白渣保持时间20min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.17％，Si：0.08％，Mn：1.21％，Cr：1.23％，Al：0.020％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(3)VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间为15min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为100ppm；VD真空冶炼结束前20min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以78米/炉的速度喂入中包第一炉和58米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前10min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.020％；喂入硫磺线1.5min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8％，Fe：92％，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.05；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18％，Si：0.09％，Mn：1.33％，Cr：1.23％，Al：0.033％，N：100ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(4)连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为230mm×230mm，过热度为30℃，拉速为1.0m/min；二冷水的流量为0.30L/kg，二冷水的分配比为45:28:12:12；电磁搅拌磁场270A/2.5HZ，得到所述含硫齿轮钢。
实施例3
本实施例提供一种含硫齿轮钢，还提供所述含硫齿轮钢生产的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050％，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05％，P≤0.020％，S≤0.035％；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.16％，Si：0.10％，Mn：1.23％，Cr：1.25％，Al：0.050％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
(2)LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间15min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间10min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间50min，白渣保持时间15min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.19％，Si：0.09％，Mn：1.25％，Cr：1.27％，Al：0.030％，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(3)VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间为15min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为120ppm；VD真空冶炼结束前25min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以82米/炉的速度喂入中包第一炉和62米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前14min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.030％；喂入硫磺线2.5min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8％，Fe：92％，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S＝0.05；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.19％，Si：0.09％，Mn：1.37％，Cr：1.27％，Al：0.041％，N：120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
(4)连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为250mm×250mm，过热度为15℃，拉速为0.8m/min；二冷水的流量为0.26L/kg，二冷水的分配比为40:32:16:16；电磁搅拌磁场230A/3.5HZ，得到所述含硫齿轮钢。
实施例4-5
每个实施例分别提供一种含硫齿轮钢，每个实施例采用本申请具体实施方式的含硫齿轮钢生产的方法制得，但各个实施例之间的钢材的化学成分组成、冶炼工艺条件不同，其中，相较于实施例1，实施例4的白渣保持时间为12min，实施例5的深真空的时间为12min，其余条件均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种含硫齿轮钢，所述含硫齿轮钢的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于，VD真空冶炼中喂入的铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：50％，Fe：50％。
对比例2
本对比例提供一种含硫齿轮钢，所述含硫齿轮钢的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于，生产过程中不加入铁碲包芯线。
性质测试：实施例1-5和对比例1-2得到的非调质钢进行如下测试。
1.化学成分
Te元素按NACIS/C H085:2013标准进行检验，其他元素按照GB/T 223和GB/T 4336标准，采用光谱仪检测钢材的化学成分组成，结果如表2所示。
表2
C Si Mn P S Cr Te Te/S
实施例1 0.19 0.2 1.36 0.014 0.028 0.032 0.0016 0.057
实施例2 0.2 0.23 1.35 0.017 0.025 0.033 0.002 0.080
实施例3 0.18 0.21 1.34 0.017 0.025 0.034 0.0023 0.092
实施例4 0.19 0.2 1.36 0.014 0.026 0.031 0.0022 0.085
实施例5 0.19 0.19 1.31 0.017 0.026 0.026 0.0016 0.062
对比例1 0.18 0.21 1.34 0.009 0.024 0.034 0.0034 0.142
对比例2 0.19 0.21 1.33 0.015 0.026 0.034 0 /
表中“/”表示Te含量为0，无法计算Te/S的比值。
2.硫化物检验
取对比炉和实验炉控温轧制后的棒材产品，直径58mm(轧制后经过扒皮处理)，在棒材上各取a、b两个试样，如图2所示。试样经过磨抛机磨抛处理之后，用金相显微镜(蔡司)对a试样进行观察并拍照，用Image Pro Plus软件统计分析a试样中硫化物的尺寸及分布情况，并根据国标GBT10561-2005进行评级，用Image Pro Plus软件将宽度2～4μm的A类夹杂物(硫化物)长度相加为细系评级长度，将宽度4～12μm的A类夹杂物的总长定为粗系评级长度，规定以最恶劣视场为最终评级结果；用非水溶液电解腐刻法对b试样进行电解。电解烘干后用扫描电镜(Phenom-World)及能谱观察分析夹杂物的三维形貌。
图3和图4分别为实施例1和对比例2的经过黑白转换后的金相照片图片。由图3可以看出未改质的硫化物呈细长型，对比例2钢中硫化物评级结果为细系2.5级，粗系0.5级，评级结果不能满足出厂要求，长条状硫化物偏多。大部分硫化物呈断续状分布，长条状硫化物明显减少。由图4可以看出改质后硫化物已被分割成单个的夹杂物，形状呈纺锤形，实施例1钢中硫化物评级结果为细系0.5级，粗系0.5级，实施例1钢中硫化物分布更均匀，大部分为椭球形。
根据国标查表可得实施例1-5和对比例1-2的20MnCr5钢中硫化物评级结果，结果如表3所示。
表3
从表2-3中可以看出：
(1)综合实施例1-5可以看出，本发明提供的含硫齿轮钢，经过碲元素的添加后，有效降低了钢材中硫化物的长宽比，钢中硫化物A细由2.5级降至2.0级，A粗由1.5级降至A粗≤1.0级，大部分硫化物呈断续状分布，长条状硫化物明显减少，法标评级在E级以内，改质后钢中硫化物分布更均匀，大部分为椭球形；
(2)综合实施例1和对比例1可以看出，实施例1采用质量百分比为Te：19％，Fe：81％的铁碲包芯线加入钢材进行改质，相较于对比例1采用质量百分比计为Te：50％，Fe：50％的铁碲包芯线，实施例1的含硫齿轮钢，钢中硫化物评级结果为细系2.0级，粗系1.0级，而对比例1的含硫齿轮钢，钢中硫化物评级结果为细系1.5级，粗系1.0级，但钢材的表面质量有明显恶化，由此表明，本发明选用质量百分比的优选范围内的铁碲包芯线进行添加，得到的含硫齿轮钢可以在改善硫化物形态同时，保证钢材表面质量，钢材性能得到提升；
(3)综合实施例1和对比例2可以看出，实施例1采用铁碲包芯线加入钢材进行改质，相较于对比例2不加入铁碲包芯线，实施例1的含硫齿轮钢，钢中硫化物评级结果为细系2.0级，粗系1.0级，法标评级达到D级，而对比例2的含硫齿轮钢，钢中硫化物评级结果为细系2.5级，粗系1.5级，法标评级仅为H级，由此表明，本发明采用铁碲包芯线处理得到的含硫齿轮钢，硫化物的长宽比显著降低，优化了钢材性能。
综上所述，本发明提供的含硫齿轮钢，利用Te元素对齿轮钢硫化物进行调整，调控后硫化物形态发生明显改善，可显著改善硫化物评级，齿轮钢硬度增大，锻造时变形量减小，平衡了含硫钢的加工与力学性能，适合工业生产使用。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (2)

1.一种含硫齿轮钢，其特征在于，所述含硫齿轮钢的化学成分按质量百分比计包括：
C：0.18-0.19%，S: 0.020-0.030%，Te：0.0010-0.0020%，Si：≤0.10%，Mn：1.33-1.37%，Cr：1.23-1.27%，Al：0.033-0.041%，N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
其中，Te和S元素之间的质量比关系满足：Te/S=0.05-0.10；
所述含硫齿轮钢中硫化物呈MnTe包裹的MnS双层复合夹杂物，所述硫化物的平均长宽比为1.5-2.0；
所述含硫齿轮钢采用如下方法生产得到，所述方法包括以下步骤：
（1）转炉冶炼：铁水经过KR预处理后进行转炉，再与金属原料混合进行放钢；
（2）LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水进行造渣；
（3）VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行深真空处理，喂入铁碲包芯线；
其中，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30%，Fe：70-92%；
（4）连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，得到所述含硫齿轮钢。
2.一种如权利要求1所述的含硫齿轮钢生产的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）转炉冶炼：铁水经过KR预处理后，铁水中的S的质量分数≤0.050%，随后进行转炉，所述转炉终点的铁水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.05-0.10%，P≤0.020%，S≤0.035%；再与低碳铬铁、低碳锰铁、硅铁和铝锭混合进行放钢，放钢后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.11-0.16%，Si≤0.10%，Mn：1.17-1.23%，Cr：1.19-1.25%，Al：0.035-0.050%，其余组分为Fe以及不可避免的杂质，放钢的终点温度≥1620℃；
（2）LF精炼冶炼：所述转炉冶炼后的钢水，一次通电的时间≥15min，一次投料加入石灰、铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；二次通电的时间≥10min，二次投料加入铝粉、碳化硅和碳粉进行造渣；其余通电时其余投料加入碳化硅保持精炼渣系的稳定；LF精炼冶炼的总时间≥48min，白渣保持时间≥15min；所述LF精炼冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.17-0.19%，Si：≤0.08%，Mn：1.21-1.25%，Cr：1.23-1.27%，Al：0.020-0.030%，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
（3）VD真空冶炼：所述LF精炼冶炼后的钢水进行压力≤67MPa的深真空处理，深真空的时间≥15min，依次喂入锰氮线、硅钙线、硫磺线和铁碲包芯线；喂入锰氮线后，钢水中N的质量分数为100-110ppm；VD真空冶炼结束前≥20min喂入硅钙线，所述硅钙线分别以78-82米/炉的速度喂入中包第一炉和58-62米/炉的速度喂入连浇炉；VD真空冶炼结束前10-14min喂入硫磺线，喂入硫磺线后，钢水中S的质量分数为0.020-0.030%；喂入硫磺线1.5-2.5min后，喂入铁碲包芯线，所述铁碲包芯线的化学成分按质量百分比计包括：Te：8-30%，Fe：70-92%，喂入铁碲包芯线后，钢水中Te和S的质量分数满足：Te/S=0.05-0.10；所述VD真空冶炼后的钢水的化学成分按质量百分比计包括：C：0.18-0.19%，S: 0.020-0.030%，Te：0.0010-0.0020%，Si：≤0.10%，Mn：1.33-1.37%，Cr：1.23-1.27%，Al：0.033-0.041%， N：100-120ppm，其余组分为Fe以及不可避免的杂质；
（4）连铸冶炼：所述VD真空冶炼后的钢水进行浇注，坯型尺寸为(230-250)mm×(230-250)mm，过热度为15-30℃，拉速为0.8-1.0m/min；二冷水的流量为0.26-0.30L/kg，二冷水的分配比为(40-45):(28-32):(12-16):(12-16)；电磁搅拌磁场(230-270)A/(2.5-3.5)HZ，得到所述含硫齿轮钢。
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