CN115386798B - 一种超低硅Nb微合金化齿轮钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低硅Nb微合金化齿轮钢及其制造方法，属于齿轮钢技术领域。本发明的齿轮钢，其包括以下重量百分比的化学成分：C：0.22～0.26％，Si：≤0.10％，Mn：0.30～0.50％，Cr：0.80～0.90％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.30～0.50％，Al：0.030～0.050％，Nb：0.030～0.060％；P：≤0.010％，S：≤0.015％，T.O：≤10ppm，[N]：60～120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明通过元素配比及轧制工艺优化有效降低齿轮渗碳过程中表面氧化层深度，得到的齿轮钢，其抗拉强度1000～1160MPa，屈服强度800～930MPa，断后伸长率≥30％，室温冲击功(U2)≥100J，渗碳后氧化层深度≤40μm，渗碳热处理后旋弯疲劳强度≥650MPa。

Description

一种超低硅Nb微合金化齿轮钢及其制造方法
技术领域
本发明属于齿轮钢技术领域，涉及一种超低硅Nb微合金化渗碳齿轮钢及其制造方法，适用于制造高品质汽车零部件用钢。
背景技术
汽车齿轮是汽车传动部件的重要组成部分，渗碳技术是齿轮表面硬化处理的主要工艺技术。在齿轮渗碳过程中除了表面渗碳层被氧化以外，氧溶解并进入合金内部，并与合金中较活泼的元素发生氧化反应而形成颗粒状氧化物沉淀，称之为内氧化。齿轮在较长时间的运行过程中，内氧化沉淀物成为疲劳源，最终导致零件疲劳失效；此外，内氧化后的区域合金元素减少，导致合金元素分布不均匀和淬透性下降，从而提高齿轮渗碳变形量和传动噪声。随着商用车及新能源车向轻量化及高功率化方向发展，对齿轮钢强度和疲劳寿命提出了更高的要求，渗碳层内氧化现象也越来越受到重视。
文献《渗碳齿轮内氧化控制技术研究》和《渗碳淬火工艺对12Cr2Ni4钢内氧化级别的影响》均研究了渗碳工艺对内氧化行为的影响，但是未从元素配比角度去考虑如何改善渗碳过程中的内氧化现象。文献《渗碳齿轮内氧化控制技术研究》指出氧化元素Si、Cr、Mn是与内氧化层深度成正比例关系，而Ni、Mo几乎没有影响，但是文中并未对T.O含量做限定，且文献中试验钢为真空感应炉冶炼，无法在工业中大规模应用。
目前还没有公开一种能够改善齿轮渗碳过程中内氧化现象并适合电炉生产的齿轮钢。
发明内容
1.要解决的问题
针对上述不足，本发明了提供一种超低硅Nb微合金化渗碳齿轮钢及其制造方法，通过对其组分、配比及制造工艺进行优化，所得综合性能优良，低内氧化的齿轮钢，其抗拉强度1000～1160MPa，屈服强度800～930MPa，断后伸长率≥30％，室温冲击功(U2)≥100J，渗碳后氧化层深度≤40μm，渗碳热处理后旋弯疲劳强度≥650MPa。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种超低硅Nb微合金化渗碳齿轮钢的化学成分配比(按重量百分比)为C：0.22～0.26％，Si：≤0.10％，Mn：0.30～0.50％，Cr：0.80～0.90％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.30～0.50％，Al：0.030～0.050％，Nb：0.030～0.060％；P：≤0.010％，S：≤0.015％，T.O：≤10ppm，[N]：60～120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
通过对本发明齿轮钢的组分及配比进行优化设计，能够得到一种低内氧化性的渗碳齿轮钢，其抗拉强度1000～1160MPa，屈服强度800～930MPa，断后伸长率≥30％，室温冲击功(U2)≥100J，渗碳后氧化层深度≤40μm，旋弯疲劳强度≥650MPa。
具体的，以下对本发明齿轮钢成分体系进行分析说明：
C：C是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素，并且成本较低，为了保证齿轮钢有足够的强度和足够的淬透性，需要足够的C含量，并且适量的碳含量有利于固定钢中的微合金元素，避免渗碳过程中被氧化。但过高的碳含量会影响钢的韧性，反而不利于钢的疲劳性能，故确定碳含量范围0.22～0.26％。
Si：Si是强氧化性元素，能够提高C的活性，但Si是易内氧化元素且Si形成的氧化物距表面较远，在齿轮后续加工过程中难以去除，因此，为了避免内氧化对材料疲劳性能的影响，因尽可能低的降低材料的Si含量，故Si含量控制在≤0.10％。
Mn：Mn可以扩大奥氏体相区，并且稳定奥氏体组织，提高钢的淬透性，因此Mn含量≥0.30％。但是过量的Mn会降低钢的塑性，恶化轧制过程钢的韧性，且Mn是易氧化元素，较高的Mn会加大内氧化层深度，因此Mn含量应≤0.5％，综上所述，Mn含量控制在0.30-0.5％。
Cr：Cr可提高钢的淬透性及强度，Cr与钢中碳结合形成细小碳化物，提高材料的强度和疲劳性能，因此，Cr含量≥0.80％；但是Cr为易氧化元素，较高的Cr含量会恶化氧化层深度，因此Cr含量应≤0.90％。综上所述，Cr含量控制在0.80～0.90％。
Mo：Mo能明显提高钢的淬透性，防止回火脆性及过热倾向。此外，本发明中Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，并且Mo能细化晶粒。而Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，促进晶界铁素体薄膜的形成，不利于钢的热塑性，增加钢的再热裂纹倾向，且成本较高。Mo元素为不易氧化元素，可有效遏制渗碳过程中内氧化行为。因此，控制Mo含量为0.30～0.50％。
Ni：Ni能有效提高钢的心部韧性，降低韧脆转变温度，提高低温冲击性能，具有提高钢材料疲劳强度的效果，Ni在本发明中另一个作用是提高层错能，位错跨过势垒提高，提高抗扭转性能，而Ni成本较高，且Ni含量过高会降低热加工后的切削性。故Ni含量控制在0.30～0.50％。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.030％时，作用不明显，高于0.050％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此在炼钢过程中Al的加入时机加以调整，保证Al含量应控制在0.030～0.050％。
Nb：Nb是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，Nb的碳氮化物可以“钉扎”晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，有效的降低渗碳淬火变形，在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度。在轧制过程中，细小的碳氮化铌因形变诱导析出，从而达到细化奥氏体晶粒提高钢的强韧性的目的，但过多的Nb会降低钢的淬透性。因此，Nb含量控制在0.030～0.060％。
P和S：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的S，在不影响产品性能的同时，会明显改善齿轮钢的切削性能，而MnS同时具有细化晶粒的效果；P是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.010％，S≤0.015％。
T.O：T.O是钢中夹杂物和内氧化点的主要来源，因此，对钢中氧的控制是决定齿轮钢性能的关键，故T.O≤10ppm。
[N]：[N]能与Nb和Al等形成化合物，细化晶粒，合理的Al/[N]对晶粒细化明显作用，而过高的[N]会形成气泡等连铸缺陷。因此，[N]含量应控制在60～120ppm。
作为本发明的进一步优化，为了提高所得齿轮钢的性能，避免其在渗碳过程中出现内氧化现象，通过对钢中部分元素进一步优化，便于发挥各组分之间的协同配合作用，从而降低渗碳变形量，提升齿轮疲劳寿命和品质。由于钢中Cr、Mn、Si和T.O均为易氧化元素，不利于渗碳过程中氧化层控制，因此对氧化层深度贡献系数X为正值，而Mo、Ni、Nb不易氧化且有利于提高齿轮钢的强韧性，因此对氧化层深度贡献系数X为负值。综上所述，为了达到最佳的合金化效果，各元素之间应该满足以下公式：X＝Cr/13+Mn/15+Si/10+10*T.O-Mo*3-Ni*6-Nb*10，50≤X≤100。
更进一步的，本发明还提供了上述渗碳齿轮钢的冶炼方法，通过电炉的强脱氧能力在电炉冶炼时对Mn、Cr元素含量进行控制，从而降低成品钢中的氧含量。具体的，本发明的齿轮钢，其生产工艺包括：电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制(精整)成材。
连铸坯冶炼制造过程中，应满足以下要求：
(1)利用电炉的强脱氧能力，在电炉冶炼阶段添加含Cr、Mn合金，并调至目标值；
(2)在LF冶炼过程中喂Al线，这样既可以保证铝含量，也能防止钢中含Al夹杂物过多，避免水口蓄瘤；
(3)在RH真空冶炼过程中，真空度≥30Pa，真空脱气时间≥20min。
棒材轧制过程中，应满足以下要求：
(1)轧制加热：钢坯在加热炉内的残氧含量≤3％。
材料性能检验方法：
采用930℃渗碳温度进行渗碳处理，渗碳热处理后在830～880℃进行油淬处理，冷却至室温后进行低温回火，回火温度为180～200℃。
本发明在20CrMo钢的基础上，不添加Si并且降低Mn、Cr含量，适量添加C、Ni、Nb元素，细化材料组织晶粒，提升材料力学性能，并通过炼钢过程合金添加顺序调整，降低易氧化元素Cr、Mn与氧接触时间实现超低氧含量控制，从而保证所得产品渗碳后氧化层深度≤35μm，旋弯疲劳强度≥680MPa，较现有普通齿轮钢而言，在保证基础力学性能和淬透性的基础上，其具有更低的内氧化层深度，其抗疲劳性能优异，尤其适用于高品质汽车零部件使用。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例1的组织照片；
图2为本发明对比例1的组织照片；
图3为本发明对比例2的组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1-3为采用本发明的特定成分和特定冶炼工艺的齿轮钢，对比例1为采用本发明成分，但是不采用本发明特定冶炼工艺和轧制工艺，这导致T.O含量也无法控制到目标要求，对比例2为按照GB/T 3077标准要求并采用常规的冶炼、轧制工艺进行生产的20CrMo。实施例与对比例其他的冶炼及轧制生产工艺均相同。
表1本发明实施例化学成分(单位：T.O、[N]为ppm，其它为wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Nb [N] T.O X
实施例1 0.23 0.06 0.36 0.006 0.005 0.82 0.32 0.33 0.035 0.027 97 7 66.9
实施例2 0.25 0.05 0.44 0.008 0.006 0.86 0.36 0.39 0.037 0.032 93 7 66.4
实施例3 0.25 0.03 0.49 0.008 0.009 0.89 0.43 0.46 0.043 0.043 93 6 55.6
对比例1 0.24 0.09 0.47 0.009 0.010 0.83 0.35 0.38 0.032 0.039 100 12 116.4
对比例2 0.20 0.24 0.85 0.009 0.011 1.23 0.22 0.43 0.016 0.035 89 15 146.6
对比例3 0.21 0.25 0.80 0.010 0.010 1.20 0.20 / 0.020 / 80 18 179.6
表2为实施例与对比例材料调质热处理后力学性能、渗碳后旋弯疲劳性能和氧化层深度检测结果。力学性能热处理制度为：860℃×1h(油冷)+200℃×2h(空冷)。
表2实施例与对比例力学性能和疲劳性能
由图1-2和表1、表2可知，本发明通过合金设计和生产工艺控制，提出一种解决传统渗碳齿轮钢渗碳过程中表面易氧化的方法和疲劳寿命较低的方法。本发明在20CrMo钢的基础上，不添加Si并且降低Mn、Cr含量，适量添加C、Ni、Nb元素，细化材料组织晶粒，提升材料力学性能。并通过炼钢过程合金添加顺序调整，降低易氧化元素Cr、Mn与氧接触时间实现超低氧含量控制。本发明专利的超低Si和超低O的合金设计思路也可适用于其他合金钢体系，可有效降低齿轮渗碳过程中表面氧化层深度。

Claims (5)

1.一种超低硅Nb微合金化齿轮钢，其特征在于：包括以下重量百分比的化学成分C：0.22～0.26％，Si：≤0.10％，Mn：0.30～0.50％，Cr：0.80～0.90％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.30～0.50％，Al：0.030～0.050％，Nb：0.030～0.060％；P：≤0.010％，S：≤0.015％，T.O：≤10ppm，[N]：60～120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
其成分满足关系式X＝Cr/13+Mn/15+Si/10+10*T.O-Mo*3-Ni*6-Nb*10，50≤X≤100；
其抗拉强度1000～1160MPa，屈服强度800～930MPa，断后伸长率≥30％，室温冲击功KU2≥100J，渗碳后氧化层深度≤40μm，渗碳热处理后旋弯疲劳强度≥650MPa。
2.一种超低硅Nb微合金化齿轮钢的制造方法，其特征在于：采用权利要求1的组分及配比进行生产，包括如下步骤：
步骤一、电弧炉冶炼；
步骤二、LF精炼、RH真空处理；
步骤三、圆坯连铸；
步骤四、轧制；
步骤五、渗碳处理、油淬、冷却和低温回火。
3.根据权利要求2所述的一种超低硅Nb微合金化齿轮钢的制造方法，其特征在于：步骤一中，在电弧炉冶炼阶段添加含Cr、Mn合金，并调至目标值；步骤二中，在LF精炼过程中喂Al线，在RH真空冶炼过程中，真空度≥30Pa，真空脱气时间≥20min。
4.根据权利要求2所述的一种超低硅Nb微合金化齿轮钢的制造方法，其特征在于：步骤四中，钢坯在加热炉内的残氧含量≤3％。
5.根据权利要求2所述的一种超低硅Nb微合金化齿轮钢的制造方法，其特征在于：步骤五中，采用930℃渗碳温度进行渗碳处理，渗碳热处理后在830～880℃进行油淬处理，冷却至室温后进行低温回火，回火温度为180～200℃。
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