CN115404389B - 一种长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法，成分上采用低碳，添加适量的镍、钼元素，并控制钢中的残余元素铜、钛、钙以确保钢材拥有稳定的强度与较高的冲击。制造方法中无需使用真空脱气炉降低钢中氢含量，而是采用连铸坯热送至轧钢加热炉，轧钢加热炉高温扩散，淬火后同时进行球化退火与扩氢处理，可以将钢中的氢控制在0.00015％以下。高温轧材整体入水槽淬火处理，高温钢材表面完全与空气隔绝，急速冷却过程中钢材表面不会产生脱碳。淬火后的钢材为非平衡态全马氏体组织，相对于珠光体+铁素体这类平衡组态织，在球化退火过程中非平衡态组织马氏体的碳化物更容易发生断裂、位移，最终转变为球状的小颗粒，球化效果更好，球化率更高。

Description

一种长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其涉及齿轮钢的制造方法。
背景技术
在发动机齿轮传动过程是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。该传动过程具有结构紧凑、效率高、寿命长等优点。发动机传动齿轮为有齿的轮状机件,通常成对啮合,其中一个转动,另一个就被带动，用来改变传动方向、转动方向以及转动速度。传动齿轮是发动机最重要的零件之一，使用冷加工制造的发动机传动齿轮具有尺寸精度高、强度好、疲劳寿命高等优点。冷加工制造长寿命发动机传动齿轮的钢材需要满足钢材硬度低、组织球化率高、脱碳层浅、钢材强度较高、冲击性能较好等特点。
专利公开号CN110229996A的专利文献公开了一种汽车变速箱齿轮用钢及生产工艺，其化学成分的重量百分含量为：C 0.18％～0.20％、Si 0.20％～0.28％、Mn 0.90％～1.00％、Cr 1.05％～1.15％、Ti 0.05％～0.07％、S≤0.012％、P≤0.020％、Als 0.015％～0.030％、Ca 0.0015％～0.0030％、Ni≤0.03％、Mo≤0.03％、B≤0.0006％、O≤0.0015％、N≤0.0060％；生产工艺中转炉冶炼终点碳0.08-～0.12wt％，终点磷≤0.015wt％；LF精炼白渣保持时间15～30分钟；RH精炼真空度在100Pa以下，纯脱气时间10～15min，软吹时间10～15min；连铸工序全过程保护浇注，钢包长水口采用氩封保护，结晶器使用低碳保护渣，采用低过热度浇铸；铸坯加热段温度1140～1180℃，均热段温度1150～1180℃；轧制工序开轧温度1000～1050℃，终轧温度900～950℃；采用本发明所生产的汽车变速箱齿轮用钢具有高均质化、窄淬透性的特点。
发明内容
本发明为满足长寿命发动机传动齿轮用钢的要求，开发了一种长寿命发动机传动齿轮用钢及其制造方法，钢材的氢含量≤1.5ppm，钢材的硬度≤140HBW，钢材的组织球化率≥90％，钢材单边脱碳层深度≤0.1mm。
本发明针对长寿命发动机传动齿轮用钢设计的化学成分：按重量百分比为C:0.21～0.25％，Si:0.15～0.35％，Mn:0.85～1.15％，Cr:0.55～0.85％，P:≤0.012％，S:≤0.005％，Ni:0.18～0.35％，Mo:0.20-0.37％，Al:0.015-0.045％，N：0.0070-0.0180％，Cu:≤0.10％,Ti:≤0.0030％,Ca:≤0.0015％,O:≤0.0012％,H:≤0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述化学元素对应的主要作用及设计依据是：
C:钢中的碳含量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低。本发明发动机传动齿轮用钢采用低碳含量设计，碳含量选择范围为0.21～0.25％。
Si:精炼过程渣面加粉状脱氧剂SiC，起到扩散脱氧的作用。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面会形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。但硅含量的增加会降低钢材的韧性。因此，本发明中的Si含量选择范围为0.15～0.35％。
Mn:在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。Mn能与Fe无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，本发明中的Mn含量选择范围为0.85～1.15％。
Cr:本发明发动机传动齿轮用钢属于渗碳钢，渗碳层内会形成大量含铬的碳化物从而提升渗层的强度。同时，含铬的齿轮钢具有一定的高温抗氧化性，高温加热时不易产生表面脱碳。因此，本发明中的Cr含量选择范围为0.55～0.85％。
P:本发明发动机传动齿轮用钢属于冷加工用钢，磷元素会导致钢材冷加工过程中产生冷作硬化现象。因此，需要严控钢中的磷含量，本发明P含量的选择范围为P≤0.012％。
S:硫是在本发明钢中属于有害元素，硫以硫化铁(FeS)的形态存在于本发明钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。当钢材轧制时，由于FeS化合物的过早熔化会导致轧制后的钢材产生裂纹。因此，需要严控钢中的硫含量，本发明S含量的选择范围为S≤0.005％。
Ni:镍元素的加入既可以提升钢材的抗拉强度，也可以提升钢材的冲击功。在低碳钢中添加适量的镍元素，有利于轧后淬火的钢材形成全马氏体组织。但是，镍属于贵金属，加入过多的镍会导致钢材成本显著上升。因此，本发明Ni含量的选择范围为0.18～0.35％。
Mo:钼能使钢的晶粒细化，提高钢材的机械性能。还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。在低碳钢中添加适量的钼元素，有利于轧后淬火的钢材形成全马氏体组织。但是，钼属于贵金属，加入过多的钼会导致钢材成本显著上升。因此，本发明Mo含量的选择范围为0.20-0.37％。
Al、N:精炼过程在钢中加入一定含量的Al可以起到脱氧的作用，精炼结束后采用钢包底吹氮的方式提升钢中的氮含量，钢中形成的AlN质点可以起到钉扎晶界细化晶粒的作用。因此，本发明Al含量的选择范围为0.015-0.045％，N含量的选择范围为0.0070-0.0180％。
Cu、Ti、Ca:属于本发明钢中的残余元素。残余Cu影响着钢材的抗拉强度的稳定性；残余Ti会与钢中的氮元素结合，形成带棱角的夹杂物TiN,从而降低钢材的强度与韧性；Ca元素加入会在钢中形成更多的非金属夹杂物。因此应严格控制钢中的铜、钛、钙，Cu:≤0.10％，Ti:≤0.0030％，Ca:≤0.0015％。
O:钢中的氧含量越低，氧化物含量就越少，传动齿轮的疲劳寿命也就越长。因此，钢中氧含量必须严格控制O:≤0.0012％。
H:属于有害元素，过量的H原子会在钢中聚集形成白点。通常采用真空脱气的方法来降低钢中的氢含量，但是真空脱气炉投资成本与使用成本均较高。本发明无需使用真空脱气炉降低钢中氢含量，而是采用连铸坯热送至轧钢加热炉，轧钢加热炉高温扩散，轧制冷却结束后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，通过以上步骤可以控制钢中的氢含量≤0.00015％。
上述长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法包含如下工艺步骤：
(1)炼钢采用KR铁水预处理降低钢中的硫含量；转炉过程平均供氧强度控制≥5.1m3/min·t，转炉冶炼周期控制≤20min；同时控制转炉出钢终点碳≥0.07％。精炼过程钢液喂入铝线深脱氧、渣面加粉状脱氧剂SiC相结合的方式加强脱氧，同时加入无钛合金调整钢水化学成分至目标值；精炼结束后的钢液禁止喂入硅钙线，采用钢包底吹氮的方式提升钢液中的氮含量，同时促进钢中的氧化物进一步上浮，钢中氧含量降低至12ppm以下；浇铸过程全流程保护防止铸坯在冷却过程产生白点缺陷，浇铸出的铸坯通过热送的方式进入轧钢加热炉保温，加热炉温度650-700℃，热送温度≥650℃。
(2)高温连铸坯入轧钢加热炉加热至1230℃-1250℃，在此温度区间高温扩散2小时以上，连铸坯经高温扩散后使用火焰清理清除掉表面的脱碳缺陷，随后轧制成材，终轧温度控制在900-950℃。高温轧材整体入水槽淬火处理，出水温度≤99℃，防止钢材表面脱碳进一步脱碳，淬火后的钢材为全马氏体组织。
(3)淬火后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，具体工艺为：钢材加热至770℃后保温6小时，炉冷至690℃后继续保温5小时，随后炉冷至550℃，最后钢材出炉空冷。
优选地，铸坯的断面≥400cm2，最终轧材的横截面面积≤60cm2，以匹配本申请的上述制造方法。
本发明针对长寿命发动机传动齿轮用钢，成分上采用低碳，添加适量的镍、钼元素，并控制钢中的残余元素铜、钛、钙。以确保钢材拥有稳定的强度与较高的冲击。本发明无需使用真空脱气炉降低钢中氢含量，而是采用连铸坯热送至轧钢加热炉，轧钢加热炉高温扩散，轧制冷却结束后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，通过以上步骤可以控制钢中的氢含量≤0.00015％。高温轧材整体入水槽淬火处理，高温钢材表面完全与空气隔绝，急速冷却过程中钢材表面不会产生脱碳。淬火结束后的钢材为全马氏体组织，非平衡态组织马氏体因其内部势能较大，相对于珠光体、铁素体这类平衡组态织，在球化退火过程中非平衡态组织马氏体的碳化物更容易发生断裂、位移，最终转变为球状的小颗粒。最终生产出的长寿命发动机传动齿轮用钢，其特征在于：钢材的氢含量≤1.5ppm，钢材的硬度≤140HBW，钢材的组织球化率≥90％，钢材单边脱碳层深度≤0.1mm。钢材880℃油淬+200℃回火后的抗拉强度为1050-1280MPa,常温冲击功KU2≥55J。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)浇铸过程隔绝空气，浇铸获得的铸坯热送至加热炉(650℃)保温，以避免产生铸坯产生白点缺陷，这是因为精炼后的钢水氢含量较高，氢含量普遍在5.0-9.0ppm之间，一般浇铸较大规格连铸坯之前钢水必须进行真空脱氢处理，若钢液不进行真空脱氢处理，而直接浇铸成较大规格的连铸坯，随着铸坯温度的逐渐降低到650℃以下，过量的氢原子在钢中的溶解度开始变得越来越小，因较较大规格的铸坯中心区域原子态的氢扩散到铸坯表面需要经过较远的迁移距离，一般需要在高温状态保持较长的时间才能确保铸坯中心区域过量的氢原子扩散至钢材表面的大气中。没有能够扩散到大气中的氢会聚积到钢的显微孔隙中并结合成分子态的氢，分子态的氢几乎不会再继续扩散，因而会在钢材内部形成巨大的局部压力，使钢产生内部发生断裂，最终形成了钢材内部的白点缺陷。
(2)本申请将全马氏体组织进行球化退火与扩氢同时处理，基于本发明钢特定的化学成分，先使用热模拟机确定了该发明钢材的Ac1为740℃，再根据Ac1温度制定出该最优的球化退火工艺，最优的球化退火工艺的特点能够让钢材在最短的热处理时间内，球化退火后的组织球化率能够≥90％；同时当轧材在650℃以上长时间的保温时，氢原子在钢中的溶解度较大，此时轧材中的氢原子还未聚积到材料的显微孔隙中形成分子态的氢；此时的氢原子拥有足够大的动能与较长的扩散时间，因此钢材的整个扩氢过程得以顺利的同步进行。
(3)成分上采用低碳，添加适量的镍、钼元素，并控制钢中的残余元素铜、钛、钙。以确保钢材拥有稳定的强度与较高的冲击。另外，在低碳钢中添加适量的镍、钼元素，有利于轧后淬火的钢材形成全马氏体组织，这也十分关键。
(4)本发明无需使用真空脱气降低钢中氢含量，而是采用铸坯热送至轧钢加热炉，在轧钢加热炉中高温扩散，轧制冷却结束后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，通过以上步骤可以控制钢中的氢含量≤0.00015％。相对于使用高成本的真空脱气脱进行脱气，该方法有效地利用了后道生产工序，使其充分发挥出降低钢中的氢含量的作用，从而提高了该发明钢种的生产效率、降低了该发明钢种的生产成本。
(5)高温轧材整体入水槽淬火处理，高温钢材表面完全与空气隔绝，急速冷却过程中钢材表面不会产生脱碳，相对于空冷、风冷与缓冷，该冷却方法不会产生脱碳层。
(6)同时淬火结束后的钢材为全马氏体组织，非平衡态组织的马氏体因其内部势能较大，相对于珠光体、铁素体这类平衡态组织，在球化退火过程中非平衡态组织马氏体的碳化物更容易发生断裂、位移，最终转变为球状的小颗粒，钢材的球化效果会更好，钢材的组织球化率会更高。
依据本发明记载的长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法生产的齿轮钢，具备钢材硬度低、组织球化率高、脱碳层浅、钢材强度较高、冲击功较好等特点。钢材的氢含量≤1.5ppm，钢材的硬度≤140HBW，钢材的组织球化率≥90％，钢材单边脱碳层深度≤0.1mm。钢材880℃油淬+200℃回火后的抗拉强度为1050-1280MPa，常温冲击功KU2≥55J。
附图说明
图1为本发明实施例1齿轮钢的金相组织图，球化率为95％；
图2为本发明实施例2齿轮钢的金相组织图，球化率为95％。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1、实施例2：
两实施例所涉及的齿轮用钢制造方法：KR铁水预处理→100t转炉初炼→100t精炼炉精炼→100t钢包底吹氮→连铸方坯(240mm×240mm)→连铸方坯热送→加热炉加热→火焰清理→轧制→轧材入水槽淬火→球化退火+扩氢处理。制造两个批次的长寿命发动机传动齿轮用钢。
炼钢采用KR铁水预处理以降低钢中的硫含量，钢中硫含量降低至0.002％以下；转炉过程平均供氧强度为5.5m3/min·t(实施例1)、5.3m3/min·t(实施例2)，转炉冶炼周期为18min(实施例1)、19min(实施例2)，转炉出钢终点碳为0.08％(实施例1)、0.09％(实施例2)；精炼过程钢液喂入铝线深脱氧、渣面加粉状脱氧剂SiC相结合的方式加强脱氧，同时加入无钛合金调整钢水化学成分至目标值；精炼结束后的钢液禁止喂入硅钙线，采用钢包底吹氮的方式提升钢液中的氮含量，同时促进钢中的氧化物进一步上浮，钢中氧含量降低至9.7ppm(实施例1)、8.9ppm(实施例2)；连铸过程全流程保护浇铸，为防止连铸坯产生白点缺陷，浇铸出的连铸坯通过热送的方式进入轧钢加热炉，热送温度为685℃(实施例1)、670℃(实施例2)，铸坯在650℃加热炉内保温，保温2小时以上。
高温连铸坯入轧钢加热炉加热至1230℃-1250℃，在此温度区间高温扩散2小时，连铸坯经高温扩散后使用火焰清理清除掉表面的脱碳缺陷，随后轧制成材，终轧温度为929℃(实施例1)、937℃(实施例2)，轧材的最终规格为φ25mm(实施例1)、φ42mm(实施例2)。高温轧材整体入水槽淬火处理，出水温度在99℃以下，防止钢材表面进一步脱碳，淬火后的钢材为全马氏体组织。
淬火后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，具体工艺为：钢材加热至770℃后保温6小时，炉冷至690℃后继续保温5小时，随后炉冷至550℃，两次炉冷的冷速相同，均为20℃/h，最后钢材出炉空冷。
实施例1和2制得的钢材化学成分见表1；
表1(wt％)
C Si Mn Cr P S Ni Mo
实施例1 0.22 0.21 0.87 0.59 0.010 0.003 0.19 0.21
实施例2 0.25 0.29 1.12 0.83 0.008 0.002 0.33 0.36
Al N Cu Ti Ca O H
实施例1 0.027 0.0118 0.02 0.0019 0.0013 0.00097 0.00012
实施例2 0.031 0.0123 0.03 0.0022 0.0010 0.00089 0.00010
实施例1和2的制得的钢材硬度、组织球化率、单边脱碳层深度见表2；
表2
钢材硬度 组织球化率 单边脱碳层深度
实施例1 135HBW 95％ 0.07mm
实施例2 138HBW 95％ 0.05mm
实施例1和2制得的钢材经880℃油淬，200℃回火，钢材的抗拉强度与常温冲击功见表3；
表3
抗拉强度 常温夏比冲击功KU2
实施例1 1065MPa 107J
实施例2 1268MPa 68J
针对长寿命发动机传动齿轮用钢，成分上采用低碳，添加适量的镍、钼元素，并控制钢中的残余元素铜、钛、钙。以确保钢材拥有稳定的强度与较高的冲击。本发明无需使用真空脱气炉降低钢中氢含量，而是采用连铸坯热送至轧钢加热炉，轧钢加热炉高温扩散，轧制冷却结束后的钢材入真空退火炉同时进行球化退火与扩氢处理，通过以上步骤可以控制钢中的氢含量≤0.00015％。高温轧材整体入水槽淬火处理，高温钢材表面完全与空气隔绝，急速冷却过程中钢材表面不会产生脱碳。淬火结束后的钢材为全马氏体组织，非平衡态组织马氏体因其内部势能较大，相对于珠光体、铁素体这类平衡组态织，在球化退火过程中非平衡态组织马氏体的碳化物更容易发生断裂、位移，最终转变为球状的小颗粒，球化效果更好，球化率更高。
本申请将化学成分和合理的炼钢、轧钢、退火工艺结合，成功制造了一种长寿命发动机传动齿轮用钢，填补了国内空白。

Claims (4)

1.一种长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法，其特征在于：包括
步骤一、钢水冶炼：炼钢选用的铁水采用KR铁水预处理降低钢中的硫含量至0.002％以下；铁水以及合金原料一起入转炉初炼，初炼过程平均供氧强度≥5.1m3/min·t，转炉冶炼周期≤20min，控制转炉出钢终点碳≥0.07％；初炼完成后转精炼，精炼过程采用钢液喂入铝线深脱氧、渣面加粉状脱氧剂SiC相结合的方式加强脱氧，同时加入无钛合金调整钢水的化学成分至目标值；精炼结束后的钢液禁止喂入硅钙线作夹杂物变性处理，采用钢包底吹氮的方式提升钢液中的氮含量，同时促进钢中的氧化物进一步上浮，钢中氧含量降低至12ppm以下；钢水目标化学成分重量百分比为C:0.21～0.25％，Si:0.15～0.35％，Mn:0.85～1.15％，Cr:0.55～0.85％，P:≤0.012％，S:≤0.005％，Ni:0.18～0.35％，Mo:0.20-0.37％，Al:0.015-0.045％，N：0.0070-0.0180％，Cu:≤0.10％,Ti:≤0.0030％,Ca:≤0.0015％,O:≤0.0012％，余量为Fe及不可避免的杂质；精炼后的钢水直接浇铸成铸坯，为了防止铸坯产生白点缺陷，铸坯热送至加热炉保温，加热炉温度650-700℃，热送温度≥650℃；
步骤二、铸坯轧前在加热炉中加热至1230℃-1250℃，在此温度区间高温扩散2小时以上，铸坯经高温扩散后使用火焰清理清除掉表面的脱碳缺陷，随后轧制成材，终轧温度控制在900-950℃，高温轧材整体入水槽淬火处理，并控制出水温度≤99℃，获得非平衡态的全马氏体组织；
步骤三、淬火后的钢材入真空炉同时进行球化退火与扩氢处理：加热至770℃后保温6小时，炉冷至690℃后继续保温5小时，随后炉冷至550℃，两次炉冷的冷速均控制在15-25℃/h，最后钢材出炉空冷，最终钢材的氢含量≤1.5ppm。
2.根据权利要求1所述的长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法，其特征在于：所述铸坯的截面积≥400cm2的铸坯，终轧钢材的截面积≤60cm2。
3.根据权利要求1所述的长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法，其特征在于：所述方法生产的钢材，硬度≤140HBW，钢材的组织球化率≥90％，单边脱碳层深度≤0.1mm。
4.根据权利要求1所述的长寿命发动机传动齿轮用钢的制造方法，其特征在于：钢材经880℃油淬+200℃回火后的抗拉强度为1050-1280MPa，常温冲击功KU2≥55J。
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