CN115449703A - 一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材及其制造方法 - Google Patents

一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材及其制造方法，化学成分按质量百分比设计为C：0.13～0.30％，Si：≤0.12％，Mn：0.60～1.40％，Cr：0.80～1.30％，P：≤0.030％，S：0.015～0.035％，Cu：≤0.25％，Al：0.020～0.050％，N：0.008～0.020％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，Nb≤0.02％，Ti≤0.010％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；组织为铁素体+珠光体，带状组织≤3.0级。截面硬度≤170HBW，同截面硬度极差≤15HBW，不同根棒材硬度极差≤20HBW。钢材具有优异的显微组织结构，截面硬度低，硬度均匀性好，材料成形性好，可满足直接冷精锻要求。

Description

一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，尤其涉及齿轮钢的制造方法。
背景技术
冷精锻是一种优质、高效、低成本的精密塑性成形工艺，具有切削加工无可比拟的优点，如制件尺寸精度高、机械性能好、材料利用率高、便于大批量自动化生产等，可以作为最终产品的制造方法广泛应用于交通运输工具、航空航天和机床等行业。
当前汽车工业的飞速发展，为冷精锻技术的发展提供了原动力，据不完全统计，每辆轿车中的直齿圆锥齿轮、前驱动轿车等速万向节零件、同步器齿环等都是典型的汽车冷锻件被广泛地用于汽车零部件的大批量生产中。并且随着汽车的轻量化和绿色低碳发展的需求，齿轮、齿轴制造业将更多地应用冷锻成形技术，冷精锻技术是未来的发展趋势。
传统的汽车齿轮、齿轴零件采用热锻成型或楔横扎工艺生产制造，其对钢材生产工艺，材料的外形尺寸等没有特殊工艺要求，热锻或楔横扎的锻件毛坯通常会进行等温退火，也有采用锻造后利用余热等温退火的工艺，使锻件获得均匀的铁素体+珠光体平衡组织，此加工过程时间长，能耗大。采用冷锻成形工艺生产齿轮齿轴零件时，可以提高原材料的成材率，减少零部件制造流程，降低零部件的加工能耗，材料成形性好，变形小。但是，目前热轧齿轮钢棒材还无法满足冷精锻型工艺要求，原因在于：1)尺寸公差波动大，尺寸偏大导致冷精锻成型零件有飞边或尺寸偏小导致冷精锻成型零件缺肉等；2)组织及硬度不均匀，无法保证零件冷锻成型要求。综上，普通热轧钢材不能满足直接冷锻成型工艺要求，有必要开发课直接用于冷精锻加工的等温退火齿轮钢来适应冷精锻成形技术的发展。
发明内容
本发明的目的是要提供一种齿轮钢棒材，适用于冷锻加工工艺。通过的化学成分合理设计，再结合制造方法控制最终材料的组织、硬度和外形尺寸精度，获得优良的冷锻加工性能，可直接用于冷锻成型加工成型。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材，化学成分按质量百分比设计为C：0.13～0.30％，Si：≤0.12％，Mn：0.60～1.40％，Cr：0.80～1.30％，P：≤0.030％，S：0.015～0.035％，Cu：≤0.25％，Al：0.020～0.050％，N：0.008～0.020％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，Nb≤0.02％，Ti≤0.010％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；组织为铁素体+珠光体，带状组织≤3.0级。
本发明控制Si、P、Cr元素含量，降低Si是为了减少冷作硬化，降低P防止产生“冷脆”现象，控制Cr减少变形强化引起的冷锻开裂影响，使得冷锻性能优异；各元素成分的设置依据如下：
1、C是钢中最基本的元素，齿轮零件经渗碳淬火回火后渗碳层具有较高的强度，同时齿根心部还具应有良好的的韧性，因此碳含量范围在0.13-0.30％。
2、Si：在渗碳钢中，硅元素会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量，并且一定含量的Si元素会造成材料变形加工硬化，因此Si含量的范围确定为≤0.12％。
3、Mn：锰元素强烈降低钢的Ar1和马氏体转变温度(其作用仅次于碳)和钢中相变的速度，提高钢的淬透性，增加残余奥氏体含量。因此Mn含量的范围确定为0.60-1.40％.
4、Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可以提高钢的强度和硬度，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性，因此本次发明Cr含量范围为0.80-1.30％
5、S的加入可以提高钢的切削性能，确定S含量范围为0.015-0.035％。
6、P是不可避免的杂质，易形成偏析、夹杂等缺陷，特别是P会降低材料的冷变形性能，导致钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象，因此对冷锻加工性能影响大。由此本发明使其上限为0.030％。
7、Al作为脱氧有效元素，主要用来脱氧和细化晶粒。通过与N结合形成的AlN可有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al2O3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为0.020-0.050％。
8、N：0.008～0.012％，N元素与Ti、Al等以氮化物等形式析出，AlN在晶界析出可有效防止晶粒长大，细化材料晶粒度。
9、O：≤0.0020％，O在钢中主要以Al2O3、MnO、CaO、SiO2等氧化物夹杂存在，钢中的氧化物夹杂能显著削弱钢的热加工或冷加工性，以及延展性、韧性、疲劳强度和钢的机械加工性能，因此规定使其上限为0.0020％。
10、Ti：≤0.01％，Ti：属于较强的固N元素，可以细化晶粒，但易通过与N结合形成的TiN、Ti(CN)在钢中属于硬脆的夹杂物，硬度高、呈浅黄色到紫玫瑰色、多边形特征棱角锋利，不变形，显著影响材料的疲劳寿命。由此本发明严格规定其上限为≤0.01％。
上述适用于冷精锻加工用等温退火齿轮钢棒材，其制造过程为：
电炉加入优质的铁水与废钢，初炼过程对钢水升温并且脱碳、脱磷；精炼过程加入优质合金调整钢水的化学成分，并且使用铝脱氧；使用真空脱气炉降低钢水中的气体氢含量；连铸全流程采用保护浇铸的方式，防止钢水二次氧化冶炼符合钢材化学成分的钢水。
轧制前将连铸坯加热至1150～1250℃，保温4小时及以上出炉，通过充分提高加热温度，能够让Al、N、C等元素充分而均匀溶解在奥氏体相中，为后续冷却过程中的均匀析出，有效的控制细化晶粒及均匀性做准备。加热时严格控制炉内气氛和炉内残氧量，减少材料表面脱碳。
棒材的外形尺寸由PSM精轧机组控制，采用4架PSM轧机组成，顺列式布置，可以单轧辊轧制过程中调节辊缝，轧后配备轮廓仪。
外形尺寸精度满足：φ45mm～φ100mm的棒材尺寸精度≤±0.20mm，椭圆度≤0.20mm。可满足冷锻材外形尺寸精度要求。
等温退火处理，热轧棒材平铺进入等温退火炉进行整体批量等温退火处理，获得均匀的铁素体+珠光体平衡组织和合适的硬度。等温退火工艺过程主要由三个阶段组成：
(1)奥氏体化阶段：将钢材加热至900℃-930℃，保温2h以上。
(2)快速冷却阶段：调整快冷段的喷冷风机的转速及热处理炉辊速来实现冷速的控制，将钢材快冷至等温温度650℃-700℃，快冷不限制具体的冷却速度区间，而是以喷冷风机允许的条件尽可能的快冷，优选20℃/min以上；
(3)等温阶段：650℃-700℃保温2小时以上，奥氏体向铁素体和珠光体充分转变；
最后随炉冷却至≤550℃以下出炉。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所得钢材的金相组织中为铁素体+珠光体，无贝氏体和马氏体。截面硬度≤170HBW，同截面硬度极差≤15HBW，不同根棒材硬度极差≤20HBW。钢材的外形尺寸精度：φ45mm～φ100mm的棒材尺寸精度≤±0.20mm，椭圆度≤0.20mm。钢材具有优异的显微组织结构，截面硬度低，硬度均匀性好，材料成形性好，可满足直接冷精锻要求。
附图说明
图1为本发明实施例1钢棒材外形尺寸统计图；
图2为本发明实施例1钢棒材的显微组织。
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
通过100吨电炉初炼→100吨LF炉精炼→100吨VD炉真空脱气→五机五流连铸，生产下述所示化学成分组成的钢，连铸坯截面尺寸300mm×340mm，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计满足：C：0.13～0.30％，Si：≤0.12％，Mn：0.60～1.40％，Cr：0.80～1.30％，P：≤0.030％，S：0.015～0.035％，Cu：≤0.25％，Al：0.020～0.050％，N：0.008～0.020％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，Nb≤0.02％，Ti≤0.010％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
把连铸坯在加热炉中加热至1200℃以上，炉内残氧量控制在5％以下，保温4小时出炉，高压水除鳞后进行轧制：控制开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃，精轧机组采用高精度PSM轧制。棒材下线后外形尺寸精度：φ80mm尺寸精度≤±0.20mm，椭圆度≤0.20mm。(外形尺寸统计见图1)。
热轧后棒材平铺进入等温退火热处理炉进行整体批量等温退火处理，经过奥氏体化阶段：将钢材加热至900℃-930℃，保温2h；快速冷却阶段：过调整快冷段的喷冷风机的转速和辊底炉辊速来实现冷速的控制，将钢材快冷至等温温度650℃-700℃；等温阶段：650℃-700℃保温2小时，奥氏体向铁素体和珠光体充分转变；最后随炉冷却至≤550℃出炉，获得均匀的铁素体+珠光体组织(组织见图2)，同截面硬度极差≤15HBW，不同根棒材硬度极差≤20HBW，(硬度值见表1)
表1为本发明实施例1钢棒材截面硬度；
Figure BDA0003773044490000051
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材，其特征在于：化学成分按质量百分比设计为C：0.13～0.30％，Si：≤0.12％，Mn：0.60～1.40％，Cr：0.80～1.30％，P：≤0.030％，S：0.015～0.035％，Cu：≤0.25％，Al：0.020～0.050％，N：0.008～0.020％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，Nb≤0.02％，Ti≤0.010％，Ca：≤0.0020％，Sn≤0.05％，[O]≤0.0020％，[H]≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；组织为铁素体+珠光体，带状组织≤3.0级。
2.根据权利要求1所述的适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材，其特征在于：截面硬度≤170HBW，同截面硬度极差≤15HBW，不同根棒材硬度极差≤20HBW。
3.根据权利要求1所述的适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材，其特征在于：外形尺寸：φ45mm～φ100mm，尺寸精度≤±0.20mm，椭圆度≤0.20mm。
4.一种制造权利要求1所述的适用于冷锻加工的等温退火齿轮钢棒材的方法，其特征在于：
步骤一、钢水冶炼和浇铸：按化学成分设计冶炼钢水，钢水浇铸成铸坯，所述铸坯为圆坯或方坯；
步骤二、铸坯加热：将铸坯在加热炉中加热至1200℃以上，炉内残氧量控制在5％以下，保温4小时以上出炉，高压水除鳞后进行轧制：控制开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃，采用4架以上的PSM定径轧机轧制，顺列式布置，单轧辊轧制过程中调节辊缝，轧后配备轮廓仪；
步骤三、等温退火：热轧棒材平铺进入等温退火炉进行批量等温退火处理，获得均匀的铁素体+珠光体平衡组织，等温退火主要由三个阶段组成：
(1)奥氏体化阶段：将钢材加热至900℃-930℃，保温2h以上。
(2)快速冷却阶段：调整快冷段的喷冷风机的转速及热处理炉辊速来控制冷速，将钢材快冷至等温温度650℃-700℃；
(3)等温阶段：650℃-700℃保温2小时以上，奥氏体向铁素体和珠光体充分转变；
最后随炉冷却至≤550℃以下出炉。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：步骤一中钢水冶炼涉及电炉初炼、炉外精炼、真空脱气，电炉加入优质的铁水与废钢，初炼过程对钢水升温并且脱碳、脱磷；精炼过程加入合金调整钢水的化学成分，并且使用铝脱氧；使用真空脱气炉降低钢水中的氢含量。
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