CN116790982A - 一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件，按照质量百分数计，其包括：C0.15～0.19％，Si0.10～0.30％，Mn0.45～0.70％，P≤0.030％，S0.015～0.035％，Cr0.90～1.20％，Nb0.035～0.050％，Al0.040～0.060％，B0.0015～0.0025％，Cu≤0.20％，N0.007～0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。本申请可以解决相关技术中冷挤压零件采用现有渗碳钢生产，球化退火耗时长，生产成本较高，效率低的问题。

Description

一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件
技术领域
本申请涉及渗碳钢的热处理技术领域，特别涉及一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件。
背景技术
目前，国内外的高速重载齿轮采用的钢种主要为渗碳钢，由于这类齿轮是通过专门的工艺生产并需经过热处理，在大载荷环境下使用，因此，所用的渗碳钢必须满足特定的性能要求。首先，渗碳钢应具有好的成形性，例如易成型性以及可加工性；其次，要求较好的淬透性以及淬火后产生较小的尺寸和形状变形；最后，渗碳后应具有良好的机械性能，例如弯曲疲劳强度，在齿根或油洞周围部分有较好的耐反复冲击性能，并且在齿面有较好的抗点蚀性能。
为提高生产效率，降低生产成本，高速重载齿轮中的圆柱齿轮等零件多采用冷挤压工艺生产。通常情况下，对冷挤压成形而言，典型的渗碳棒材在轧态时的硬度太高，轧后必须进行热处理来降低硬度。国内冷挤压成形零件广泛采用GB/T5216中规定的渗碳钢，国标GB/T5216规定材料合金元素含量为：C 0.17～0.23％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.60～0.95％，P≤0.030％，S≤0.035％，Cr 0.30～0.65％；Ni0.35％～0.75％，Mo 0.15～0.25％，Cu≤0.25％，奥氏体晶粒度不粗于5级。坯料经球化退火处理，其保温时间长达22～30h，退火后坯料的硬度范围为135～145HB，冷挤压成形时抗力大，不容易成形，导致局部变形量较大区域，容易出现内部微裂纹,增大了零件疲劳失效的风险。此外，冷挤压零件中的残余应力是渗碳热处理时导致晶粒粗化或晶粒异常。因此，对于冷成型零件采用连续炉渗碳或转炉渗碳，设备需具有中冷处理能力来细化晶粒，对渗碳热处理设备提出特殊要求。
总之，冷挤压零件采用现有渗碳钢生产，球化退火耗时长，生产成本较高，效率低。中冷工艺需要专用设备支持，且增加了生产工序，降低了生产效率。现有渗碳钢材料抗点蚀能力难以满足重载变速箱扭矩不断增大的市场需求。
发明内容
本申请实施例提供一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件，以解决相关技术中冷挤压零件采用现有渗碳钢生产，球化退火耗时长，生产成本较高，效率低的问题。
第一方面，提供了一种冷成形用渗碳钢，按照质量百分数计，其包括：C 0.15～0.19％，Si 0.10～0.30％，Mn 0.45～0.70％，P≤0.030％，S 0.015～0.035％，Cr 0.90～1.20％，Nb 0.035～0.050％，Al 0.040～0.060％，B 0.0015～0.0025％，Cu≤0.20％，N0.007～0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
第二方面，提供了一种如上所述的冷成形用渗碳钢的制造方法，其包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：先将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，进行顶底复合吹氧冶炼；
(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，使O含量不大于10PPM，S含量不大于0.035％，控制温度1520～1620℃，钢包中N≤60PPM，精炼30～50min；
(3)RH/VD真空处理：真空度≤133Pa，控制温度1530～1650℃，真空时间30～50min；
(4)连铸：采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面加入覆盖剂保护，连铸矫直段温度为900～980℃；
(5)轧制：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1100～1160℃，热轧温度为980～1050℃。
一些实施例中，转炉冶炼中，铁水与废钢装入的质量比为10:1～3；
和/或，覆盖剂的加入量为0.60～0.79公斤/吨钢；
和/或，连铸中，连铸坯料拉速为1.10～1.50m/min。
第三方面，提供了一种上所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其包括如下步骤：
a、锻造：将冷成形用渗碳钢加热后，经锻造成型为锻坯；
b、锻造余热奥氏体化：利用锻造余热，将锻造成型的锻坯转移至加热炉内保温，加热炉的温度为900～950℃，保温时间为60～100min，使其奥氏体化；
c、中冷：将奥氏体化后的锻坯置于中冷区冷却；
d、三段式等温球化退火：
第一阶段：将中冷处理后的锻坯转移至等温炉内，等温温度为550℃～620℃，等温时间为1～2h；
第二阶段：将第一阶段等温后的锻坯加热至755℃～770℃，等温时间为1～2h；
第三阶段：将第二阶段等温后的锻坯随炉冷却至660～680℃，等温时间为4～5h；
e、随炉冷却：将三段式等温球化退火处理后的锻坯随炉冷却至一定温度后出炉，空冷至室温；
f、冷挤压成型：将空冷后的锻坯冷挤压成型，得到坯件；
g、对坯件依次进行粗加工、精加工、高温渗碳处理、淬火处理和低温回火处理，得到零件。
一些实施例中，高温渗碳处理包括：
将坯件装入真空渗碳炉内，先在620～680℃预热保温1.5～2.5h，保持炉内真空压力＜200Pa；
然后将坯件加热至980～1020℃下进行强渗处理3～5h，控制环境碳势为0.95～1.25％C，控制炉内真空渗碳压力为800～1700Pa；
随后将坯件转移至扩散区，在960～990℃下进行高温扩散1～2h，控制环境碳势为0.85～1.15％C，控制炉内真空压力为600～1100Pa；
接着将坯件在920～950℃下进行低温扩散1～2h，控制环境碳势为0.75～0.95％C，控制炉内真空压力为300～500Pa；
最后将坯件降温至820～860℃保温1～1.5h，高温渗碳处理的工艺层深控制为0.7～1.5mm。
一些实施例中，当坯件为薄壁结构类型时，淬火处理采用限形压力淬火，压淬油温控制为60～80℃，喷油时间为110～130s，坯件降温至100～120℃时脱模。
一些实施例中，当坯件为厚壁结构类型时，淬火处理采用直接油淬，将坯件放入油温为110～155℃的淬火油槽中，用搅拌机搅拌淬火油，坯件降温至与油温一致时出油沥干。
一些实施例中，低温回火处理包括：将淬火处理后的坯件加热至160℃～200℃，保温1～3h。
一些实施例中，锻造中，将冷成形用渗碳钢加热至1130℃～1250℃，终锻温度为980℃～1070℃；
和/或，中冷中，300～350s内冷却至550～620℃；
和/或，随炉冷却中，随炉冷却至500℃。
第四方面，提供了一种零件，其采用如上任一所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法制造而成。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请实施例提供了一种冷成形用渗碳钢、制造方法、热处理方法及零件，设定C含量为0.15～0.19％，Mn含量为0.45～0.70％，Nb含量为0.035～0.050％，B含量为0.0015～0.0025％，N含量为0.007～0.020％；通过降低C、Mn元素含量，以降低钢的硬度，使之在球化退火具有快速软化的能力，大幅缩短球化退火时间；添加微量的B元素，可弥补C、Mn元素含量低带来的淬透性下降，在保证钢淬透性的同时不会对钢的硬度产生影响；适量Nb元素和N元素的添加可保证形成大量的氮化铌以及少量的碳化铌和碳氮化铌等第二相颗粒，形成的NbN不但能够提高钢的力学性能，而且还能钉扎晶界，抑制晶粒长大，效果显著。这些第二相颗粒在冷挤压零件渗碳时可起到强烈钉扎晶界的作用，使晶粒的粗化温度大幅提升，省去普通渗碳钢冷挤压零件渗碳时的中冷工序，提高生产效率，降低生产成本。此外，本申请在不添加Ni、Mo等贵金属元素的条件下，满足了冷挤压工艺的生产需求和零件的使用性能要求，进一步地降低了原材料生产成本。
冷成形用渗碳钢的锻坯采用三段式等温球化退火的热处理工艺，与现有的等温正火工艺+球化退火相比，大幅缩短了热处理时间，节约了产能，同时锻坯不同部位的金相组织更趋于一致，渗碳体球化形貌好，基体硬度低，散差小，硬度控制为112～123HB，可很好地满足后续生产要求。
由于冷挤压前锻坯的硬度更低，减少了因冷挤压抗力大而引起的微裂纹风险；同时省去了冷挤压零件渗碳过程中的中冷工序，提高了生产效率，渗碳后的零件晶粒更加细小，降低了零件热处理变形，提高了零件的表面精度，使零件的抗点蚀能力完全满足重载变速箱扭矩不断增大的市场需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的重型变速箱内齿轮零件示意图；
图2为本申请实施例提供的重型变速箱太阳轮零件示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种冷成形用渗碳钢，按照质量百分数计，其包括：C 0.15～0.19％，Si 0.10～0.30％，Mn 0.45～0.70％，P≤0.030％，S 0.015～0.035％，Cr 0.90～1.20％，Nb 0.035～0.050％，Al 0.040～0.060％，B 0.0015～0.0025％，Cu≤0.20％，N0.007～0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本申请中，对于C：C保证材料的基体强度和硬度。当C含量过高时，零件硬度高，冷变形抗力大，且在冷挤压过程中易产生裂纹；而含量过低时，零件硬度不足，达不到使用性能要求。因此，本申请降低了C含量，将C含量控制在0.15～0.19％范围之内，以降低钢的硬度，使之在球化退火时具有快速软化的能力，大幅缩短球化退火时间。
对于Si：Si与Mn作为共同的脱氧剂，影响钢中夹杂物的变形，同时Si在铁中的固溶度较大，能显著强化铁素体，改善基体韧性。然而，当加入过多量的Si时，钢的硬度增加，构成脱氧产物的硅氧化物是硬的，因此，本申请将Si含量控制住0.10～0.30％范围之内。
对于Mn：为了防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界的析出，加入Mn以析出稳定的MnS，使切屑容易断裂，从而改善钢的切削性能。然而，当加入过多的Mn时，会显著提高钢的硬度，使球化退火后的硬度达不到冷挤压工艺要求，故控制Mn的含量范围为0.45～0.70％，以降低钢的硬度，使之在球化退火时具有快速软化的能力，大幅缩短球化退火时间。
对于P：钢中的P固溶于铁素体中会提高强度，如含P量过高，则会显著降低塑性，增高硬度。故本申请控制P的含量范围为≤0.030％。
对于S：钢中加入S形成的硫化物会破坏金属基体组织的连续性，在外力作用下相当于应力集中源，减少了刀具的切削抗力，使得切削温度降低；硫化物的熔点通常较低，随着切削温度的升高而逐渐软化，具有良好的塑性变形能力，起到了润滑的作用，减少了摩擦力，减轻了切屑和刀具之间的摩擦，从而减轻了刀具的磨损；此外，硫化物还具有包裹减磨的作用，硬度较低的硫化物包裹在高硬度的氧化物表面时，减轻了刀具的磨损，同时还改善了加工表面的光洁度。但是，过多的S会与氧、铁生成共晶化合物(Fe-FeS、Fe-FeS-FeO)，在轧制时易导致开裂。因此，本申请S的目标控制范围为0.015～0.035％。
对于Cr：钢中Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但是对于塑性和韧性的改善无益，故本申请在钢中加入0.90～1.20％的Cr，在不影响钢材塑性和韧性的基础上，增强在强度方面的补给。
对于Nb：钢中的Nb以碳化物或碳氮化物形式析出，钉扎奥氏体晶界、延迟再结晶，形成大量变形带和亚晶界，从而保证了相变后组织的细小。对于需要经历渗碳热处理工艺的冷挤压用渗碳钢，铌的碳氮化物可有效阻止晶粒长大，提高晶粒粗化温度。然而，当Nb含量大于0.05％时，控制晶粒长大效果反而不明显，原因在于较多含量Nb易在钢中形成大颗粒析出相，细小析出相的数量减少，钉扎力减弱。因此，Nb的目标控制范围为0.035～0.050％。
对于Al：Al与O和N有很强的亲和力，是炼钢时的脱氧定氮剂。Al可以细化钢的本质晶粒，提高钢晶粒粗化的温度，但当钢中的固溶Al含量超过一定值时，奥氏体晶粒反而容易长大粗化。故本申请Al的控制范围为0.040～0.060％。
对于B：当B以酸溶硼的形式存在于钢中时，可弥补C和Mn含量的降低而引起的淬透性下降，保证材料的强度。同时，B的添加在保证钢淬透性的同时对钢的硬度没有明显影响，因此，将B的目标范围控制为0.0015～0.0025％。
对于N：将N含量控制为0.007～0.020％，可使Nb和N充分结合形成氮化铌，尽可能减少TiC或Ti(C,N)的形成，形成的NbN不但能够提高钢的力学性能，而且还能钉扎晶界，抑制晶粒长大，效果显著。此外，还可以形成少量的碳化铌和碳氮化铌等第二相颗粒，这些第二相颗粒在冷挤压零件渗碳时可起到强烈钉扎晶界的作用，使晶粒的粗化温度大幅提升，省去普通渗碳钢冷挤压零件渗碳时的中冷工序，提高生产效率，降低生产成本。
此外，本申请在不添加Ni、Mo等贵金属元素的条件下，满足了冷挤压工艺的生产需求和零件的使用性能要求，进一步地降低了原材料生产成本。
本申请实施例还提供了上述冷成形用渗碳钢的制造方法，其包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：先将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，进行顶底复合吹氧冶炼。
其中，在转炉冶炼中，铁水与废钢装入的质量比可以根据实际需要确定，比如，作为示例，铁水与废钢装入的质量比为10:1～3。
在吹氧前，可以先进行供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。
其中，供氮持续时间根据实际需要确定，比如，作为示例，可以进行2min时间供氮。
(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，使O含量不大于10PPM，S含量不大于0.035％，控制温度1520～1620℃，钢包中N≤60PPM，精炼30～50min。
在LF精炼处理过程中，可以向钢包中加入锰铁、硅铁或复合精炼脱氧剂的一种或几种合金。
(3)RH/VD真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，真空度≤133Pa，控制温度1530～1650℃，真空时间30～50min，得到真空脱气后的钢水。
(4)连铸：采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面加入覆盖剂保护，连铸矫直段温度为900～980℃。
在连铸处理中，采用弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割几部分。
覆盖剂的加入量为0.60～0.79公斤/吨钢；覆盖剂采用低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为100～130mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大。
二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为600～700A，频率为4～5Hz，连铸坯料拉速为1.10～1.50m/min。
(5)轧制：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1100～1160℃，热轧温度为980～1050℃。
本申请实施例还提供了一种上述冷成形用渗碳钢的热处理方法，其包括如下步骤：
a、锻造：将冷成形用渗碳钢加热后，经锻造成型为锻坯；
将规格为Φ70mm～Φ110mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成50mm～205mm的料段，保证下料尺寸准确、料段端面平整度高、无毛刺出现。
锻造中，感应加热至1130℃～1250℃，终锻温度为980℃～1070℃；经过锻造得到锻坯。
b、锻造余热奥氏体化：利用锻造余热，将锻造成型的锻坯快速地转移至加热炉内保温，加热炉的温度为900～950℃，保温时间为60～100min，使其充分奥氏体化。
其中，加热炉可以采用网带炉。
c、中冷：将奥氏体化后的锻坯置于中冷区冷却；
具体地，中冷中，300～350s内快速冷却至550～620℃，尽量避免锻坯中出现先共析铁素体。
d、三段式等温球化退火：
第一阶段：将中冷处理后的锻坯立即转移至等温炉内，等温温度为550℃～620℃，等温时间为1～2h；
第二阶段：将第一阶段等温后的锻坯加热至755℃～770℃，等温时间为1～2h；
第三阶段：将第二阶段等温后的锻坯随炉冷却至660～680℃，等温时间为4～5h；
在步骤d中，采用三段式等温球化退火，巧妙地将冷挤压工序前锻坯的等温正火工艺与球化退火工艺结合，不仅节约了加热时所需的能源，而且大幅缩短了球化退火时间。
三段式等温球化退火工艺中的第一阶段是为了获得均匀的珠光体+铁素体组织，带状组织≤1.5级；第二阶段从第一阶段的550℃～620℃直接加热至755～770℃，节约了加热能源，使珠光体中的渗碳体部分溶解，片状珠光体在保温过程中，由于其曲率半径不同，各处的溶解度不同，引起碳的扩散，打破了碳浓度的平衡，结果导致渗碳体的球化，使碳化物成小球或点状分布在铁素体基体上；第三阶段从755～770℃降温至660～680℃，目的是延长渗碳体的球化过程，进一步降低锻坯的硬度，得到有良好冷挤压性能的组织，晶粒度7～9级，硬度112～123HB。
总之，冷成形用渗碳钢的锻坯采用三段式等温球化退火的热处理工艺，与现有的等温正火工艺+球化退火相比，大幅缩短了热处理时间，节约了产能，同时锻坯不同部位的金相组织更趋于一致，渗碳体球化形貌好，基体硬度低，散差小，硬度控制为112～123HB，可很好地满足后续生产要求。
由于冷挤压前锻坯的硬度更低，减少了因冷挤压抗力大而引起的微裂纹风险；同时省去了冷挤压零件渗碳过程中的中冷工序，提高了生产效率，渗碳后的零件晶粒更加细小，降低了零件热处理变形，提高了零件的表面精度，使零件的抗点蚀能力完全满足重载变速箱扭矩不断增大的市场需求。
e、随炉冷却：将三段式等温球化退火处理后的锻坯随炉冷却至一定温度后出炉，空冷至室温；其中，随炉冷却的温度可以根据实际需要确定，比如，作为示例，随炉冷却至500℃。
f、冷挤压成型：将空冷后的锻坯冷挤压成型，得到坯件；
将空冷后的锻坯经喷丸去除表面氧化皮，车削加工后浸润高分子润滑剂，风干后在压力机上完成冷挤压成形，得到坯件。
g、对坯件依次进行粗加工、精加工、高温渗碳处理、淬火处理和低温回火处理，得到零件。
其中，高温渗碳处理包括：
根据零件技术要求设定好渗碳时间、扩散时间，编制相应的工艺曲线后，将坯件装入真空渗碳炉内进行高温渗碳，先在620～680℃预热保温1.5～2.5h，保持炉内真空压力＜200Pa；
然后将坯件加热至980～1020℃下进行强渗处理3～5h，控制环境碳势为0.95～1.25％C，控制炉内真空渗碳压力为800～1700Pa；
随后将坯件转移至扩散区，在960～990℃下进行高温扩散1～2h，控制环境碳势为0.85～1.15％C，控制炉内真空压力为600～1100Pa；
接着将坯件在920～950℃下进行低温扩散1～2h，控制环境碳势为0.75～0.95％C，控制炉内真空压力为300～500Pa；
最后将坯件降温至820～860℃保温1～1.5h，高温渗碳处理的工艺层深控制为0.7～1.5mm。
高温渗碳的目的是提高浅层深薄壁零件的生产效率，减少能源消耗；同时高温渗碳过程的贫氧环境可以减少零件表面的晶间氧化层深，提高零件的疲劳寿命。
针对于不同类型的零件，上述淬火处理有不同的方式。
比如，当坯件为薄壁结构类型时，淬火处理采用限形压力淬火，压淬油温控制为60～80℃，喷油时间为110～130s，坯件降温至100～120℃时脱模。
薄壁零件由于结构特点，渗碳淬火后易发生热处理变形，若不采用限形压力淬火，则零件的齿形、齿向、圆度和锥度会超出零件精度要求，无法生产出合格零件。
且压淬的优点是：保证薄壁零件渗碳淬火后的合格率，使薄壁零件能够达到批量化稳定化生产。
其中，变速箱后副齿套、前副齿套、一二档齿套、三档齿套、内齿圈等零件都属于薄壁结构类型的零件。
再比如当坯件为厚壁结构类型时，淬火处理采用直接油淬，将坯件放入油温为110～155℃的淬火油槽中，用搅拌机搅拌淬火油，坯件降温至与油温一致时出油沥干。
上述低温回火处理包括：将淬火处理后的坯件置于回火炉内，加热至160℃～200℃，保温1～3h。
厚壁零件的结构特点决定了其对渗碳淬火的热处理变形不敏感，采用直接淬火的方式即可保证零件的尺寸精度，无需采用成本昂贵的压力淬火。
且直淬的优点是：生产效率高，无需专用的压淬设备，生产成本低。
其中，变速箱一轴齿轮、常啮合齿轮、常啮合齿轮副、倒档齿轮、爬坡档齿轮等都属于厚壁结构类型的零件。
实施例1：
实施例1为一种冷成形用渗碳钢，用在重型变速箱内齿轮零件上，其化学成分按质量百分数包括：C 0.16％，Si 0.23％，Mn 0.58％，P 0.019％，S 0.024％，Cr 1.09％，Nb0.043％，Al 0.051％，B 0.0019％，Cu 0.17％，N 0.011％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本实施例中冷成形用渗碳钢的制造方法如下：
(1)转炉冶炼：将热装铁水、优质废钢按10:3的比例依次装入转炉中，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。
(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，向钢包中加入锰铁、硅铁或复合精炼脱氧剂的一种或几种合金，使O含量达到8PPM，S含量达到0.027％，控制温度为1580℃，钢包中N为56PPM，精炼40min。
(3)VD真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度为100Pa，得到真空脱气后的钢水，控制温度1620℃，真空时间35min。
(4)连铸：采用弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割几部分。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.65公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为110mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为660A，频率为5Hz。铸坯拉速为1.20m/min，连铸矫直段温度为950℃。
(5)轧制：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1140℃，热轧温度为1020℃。
本实施例中重型变速箱内齿轮零件的制造方法包括如下步骤：
(1)圆钢下料
将规格为Φ110mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成205mm的料段，保证下料尺寸准确、料段端面平整度高、无毛刺出现。
(2)坯料加热及锻造成形
将下料后的圆钢料段感应加热至1180℃，经锻造成形为齿轮类零件锻坯，终锻温度控制为1000℃。
(3)锻造余热奥氏体化保温
利用锻造余热，将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为930℃，保温时间为90min，使锻坯充分奥氏体化。
(4)中冷
将经奥氏体化后的锻坯置于中冷区快速冷却至580℃，冷却时间控制为320s，尽量避免锻坯中出现先共析铁素体。
(5)三段式等温球化退火
第一阶段：将中冷处理后的锻坯立即转移至等温炉内，等温温度控制为580℃，等温时间为1.5h；
第二阶段：将第一阶段等温后的锻坯加热至760℃，等温时间为1.5h；
第三阶段：将第二阶段等温后的锻坯随炉冷却至670℃，等温时间为4.5h，随炉冷却至500℃后出炉，空冷至室温。
(6)冷挤压成形
将三段式等温球化退火后的锻坯经喷丸去除表面氧化皮，车削加工后浸润高分子润滑剂，风干后在压力机上完成内齿轮齿形的冷挤压成形，得到齿坯。
(7)粗、精加工
齿坯经粗加工处理、精加工处理，成为热前精加工内齿轮半成品件。
(8)高温渗碳淬火处理
将半成品件装入连续炉内进行高温渗碳，先在650℃预热保温2h；
然后将半成品件加热至1000℃下进行强渗处理4h，控制环境碳势为1.15％C；
随后将半成品件转移至扩散区，在970℃下进行高温扩散1.5h，控制环境碳势为1.05％C；
接着将半成品件在940℃下进行低温扩散1.5h，控制环境碳势为0.85％C；
最后将半成品件降温至830℃保温1h，高温渗碳处理的工艺层深控制为0.7～1.2mm。
压淬处理：将高温渗碳后的半成品件采用限形压力淬火，压淬油温控制为70℃，喷油时间保持120s，半成品件降温至110℃时脱模。
(7)低温回火
将高温渗碳淬火后的冷挤压齿轮零件置于回火炉内，进行180℃的低温回火处理，保温时间控制为3h。
低温回火后的内齿轮经磷化处理，得到成品件，其零件结构如图1所示。
与内齿轮现生产“渗碳钢材料→锻造→等温正火→球化退火→冷挤压成形→去应力退火→粗、精加工→连续炉常规渗碳→中冷处理→压力淬火→低温回火→磷化处理”工艺流程相比，本实施例具有以下有益效果：①采用Nb、B复合微合金化成分技术方案来生产冷成形专用渗碳钢，使用该渗碳钢锻造的内齿轮毛坯经过三段式等温球化退火处理，大幅缩短了球化退火的工艺时间，同时球化退火后的硬度比现生产件更低，为112～116HB，使后续的冷挤压成形更加容易，变形抗力更小，冷挤压模具寿命提高，并降低了冷挤压内齿轮表面微裂纹倾向；②省去了冷挤压后的去应力退火工序及渗碳过程中的中冷工序，节约了生产成本，提高了生产效率。③冷挤压内齿轮可采用高温渗碳处理，渗碳时长缩短至现生产的60％，大幅提高了渗碳效率。
实施例2：
实施例2为一种冷成形用渗碳钢，用在重型变速箱太阳轮零件上，其化学成分按质量百分数包括：C 0.18％，Si 0.26％，Mn 0.63％，P 0.021％，S 0.028％，Cr 1.15％，Nb0.046％，Al 0.055％，B 0.0021％，Cu 0.12％，N 0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本实施例中冷成形用渗碳钢的制造方法如下：
(1)转炉冶炼：将热装铁水、优质废钢按10:2的比例依次装入转炉中，进行顶底复合吹炼，在吹氧前，先进行2分钟的供氮，然后吹氧直到结束，以钢水反应的化学能代替电能，保证冶炼期钢水脱碳量、冶炼终点碳和温度。
(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，向钢包中加入锰铁、硅铁或复合精炼脱氧剂的一种或几种合金，使O含量达到10PPM，S含量达到0.028％，控制温度为1610℃，钢包中N为56PPM，精炼50min。
(3)VD真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度为100Pa，得到真空脱气后的钢水，控制温度1620℃，真空时间45min。
(4)连铸：采用弧形连铸机，连铸包括浇铸、一冷、二冷、矫直、火焰切割几部分。采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面按照0.76公斤/吨钢加入低碳覆盖剂，浸入式水口插入深度为127mm，避免钢水冲击，造成液面波动过大；二冷部分采用弱冷工艺，结晶器保护渣采用碱度为4的高碱度保护渣；结晶器采用电磁搅拌，其电流为690A，频率为4.5Hz。铸坯拉速为1.15m/min，连铸矫直段温度为970℃。
(5)轧制：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1160℃，热轧温度为1050℃。
本实施例中重型变速箱太阳轮零件的制造方法包括如下步骤：
(1)圆钢下料
将规格为Φ75mm的圆钢棒料采用数控圆钢切断机下料成68mm的料段，保证下料尺寸准确、料段端面平整度高、无毛刺出现。
(2)坯料加热及锻造成形
将下料后的圆钢料段感应加热至1250℃，经锻造成形为齿轮类零件锻坯，终锻温度控制为1050℃。
(3)锻造余热奥氏体化保温
利用锻造余热，将终锻后的红热锻坯快速转移至网带炉内保温，网带炉的温度设定为950℃，保温时间为100min，使锻坯充分奥氏体化。
(4)中冷
将经奥氏体化后的锻坯置于中冷区快速冷却至620℃，冷却时间控制为350s，尽量避免锻坯中出现先共析铁素体。
(5)三段式等温球化退火
第一阶段：将中冷处理后的锻坯立即转移至等温炉内，等温温度控制为620℃，等温时间为2h；
第二阶段：将第一阶段等温后的锻坯加热至770℃，等温时间为2h；
第三阶段：将第二阶段等温后的锻坯随炉冷却至680℃，等温时间为5h，随炉冷却至500℃后出炉，空冷至室温。
(6)冷挤压成形
将三段式等温球化退火后的锻坯经喷丸去除表面氧化皮，车削加工后浸润高分子润滑剂，风干后在压力机上完成太阳轮齿形的冷挤压成形，得到齿坯。
(7)粗、精加工
齿坯经粗加工处理、精加工处理，成为热前精加工太阳轮半成品件。
(8)高温渗碳淬火处理
将半成品件装入连续炉内进行高温渗碳，先在680℃预热保温2.5h；
然后将半成品件加热至1020℃下进行强渗处理3.5h，控制环境碳势为1.25％C；
随后将半成品件转移至扩散区，在990℃下进行高温扩散1h，控制环境碳势为1.15％C；
接着将半成品件在950℃下进行低温扩散1h，控制环境碳势为0.95％C；
最后将半成品件降温至860℃保温1h，高温渗碳处理的工艺层深控制为1.1～1.5mm。
直淬处理：将高温渗碳后的半成品件放入油温为140℃的淬火油槽中，控制淬火油槽中搅拌机的搅拌速度，半成品件降温至与油温一致时出油沥干。
(7)低温回火
将高温渗碳淬火后的冷挤压齿轮零件置于回火炉内，进行160℃的低温回火处理，保温时间控制为2h。
低温回火后的太阳轮经磨齿处理、磷化处理，得到成品件，其零件结构如图2所示。
与太阳轮现生产“渗碳钢材料→锻造→等温正火→球化退火→冷挤压成形→去应力退火→粗、精加工→连续炉常规渗碳→中冷处理→油淬→低温回火→磨齿加工→磷化处理”工艺流程相比，本实施例具有以下有益效果：①采用Nb、B复合微合金化成分技术方案来生产冷成形专用渗碳钢，使用该渗碳钢锻造的太阳轮毛坯经过分段式等温球化退火处理，大幅缩短了球化退火的工艺时间，同时球化退火后的硬度比现生产件更低，为119～123HB，使后续的冷挤压成形更加容易，变形抗力更小，冷挤压模具寿命提高，并降低了冷挤压太阳轮表面微裂纹倾向；②省去了冷挤压后的去应力退火工序及渗碳过程中的中冷工序，节约了生产成本，提高了生产效率。③冷挤压太阳轮可采用高温渗碳处理，渗碳时长缩短至现生产的50％，大幅提高了渗碳效率。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种冷成形用渗碳钢，其特征在于，按照质量百分数计，其包括：C0.15～0.19％，Si0.10～0.30％，Mn0.45～0.70％，P≤0.030％，S0.015～0.035％，Cr0.90～1.20％，Nb0.035～0.050％，Al0.040～0.060％，B0.0015～0.0025％，Cu≤0.20％，N0.007～0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的冷成形用渗碳钢的制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：先将废钢装入转炉中，再将铁水直接装入转炉中，进行顶底复合吹氧冶炼；
(2)LF精炼处理：偏心炉底留钢留渣出钢，炉后进行预脱氧，使O含量不大于10PPM，S含量不大于0.035％，控制温度1520～1620℃，钢包中N≤60PPM，精炼30～50min；
(3)RH/VD真空处理：真空度≤133Pa，控制温度1530～1650℃，真空时间30～50min；
(4)连铸：采用长水口氩气密封保护和中间包吹氩保护浇注，中间包钢液面加入覆盖剂保护，连铸矫直段温度为900～980℃；
(5)轧制：连铸坯料奥氏体化加热后的开轧温度为1100～1160℃，热轧温度为980～1050℃。
3.如权利要求2所述的冷成形用渗碳钢的制造方法，其特征在于：
转炉冶炼中，铁水与废钢装入的质量比为10:1～3；
和/或，覆盖剂的加入量为0.60～0.79公斤/吨钢；
和/或，连铸中，连铸坯料拉速为1.10～1.50m/min。
4.一种如权利要求1所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
a、锻造：将冷成形用渗碳钢加热后，经锻造成型为锻坯；
b、锻造余热奥氏体化：利用锻造余热，将锻造成型的锻坯转移至加热炉内保温，加热炉的温度为900～950℃，保温时间为60～100min，使其奥氏体化；
c、中冷：将奥氏体化后的锻坯置于中冷区冷却；
d、三段式等温球化退火：
第一阶段：将中冷处理后的锻坯转移至等温炉内，等温温度为550℃～620℃，等温时间为1～2h；
第二阶段：将第一阶段等温后的锻坯加热至755℃～770℃，等温时间为1～2h；
第三阶段：将第二阶段等温后的锻坯随炉冷却至660～680℃，等温时间为4～5h；
e、随炉冷却：将三段式等温球化退火处理后的锻坯随炉冷却至一定温度后出炉，空冷至室温；
f、冷挤压成型：将空冷后的锻坯冷挤压成型，得到坯件；
g、对坯件依次进行粗加工、精加工、高温渗碳处理、淬火处理和低温回火处理，得到零件。
5.如权利要求4所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于：
高温渗碳处理包括：
将坯件装入真空渗碳炉内，先在620～680℃预热保温1.5～2.5h，保持炉内真空压力＜200Pa；
然后将坯件加热至980～1020℃下进行强渗处理3～5h，控制环境碳势为0.95～1.25％C，控制炉内真空渗碳压力为800～1700Pa；
随后将坯件转移至扩散区，在960～990℃下进行高温扩散1～2h，控制环境碳势为0.85～1.15％C，控制炉内真空压力为600～1100Pa；
接着将坯件在920～950℃下进行低温扩散1～2h，控制环境碳势为0.75～0.95％C，控制炉内真空压力为300～500Pa；
最后将坯件降温至820～860℃保温1～1.5h，高温渗碳处理的工艺层深控制为0.7～1.5mm。
6.如权利要求4所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于：当坯件为薄壁结构类型时，淬火处理采用限形压力淬火，压淬油温控制为60～80℃，喷油时间为110～130s，坯件降温至100～120℃时脱模。
7.如权利要求4所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于：当坯件为厚壁结构类型时，淬火处理采用直接油淬，将坯件放入油温为110～155℃的淬火油槽中，用搅拌机搅拌淬火油，坯件降温至与油温一致时出油沥干。
8.如权利要求4所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于，低温回火处理包括：将淬火处理后的坯件加热至160℃～200℃，保温1～3h。
9.如权利要求4所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法，其特征在于：
锻造中，将冷成形用渗碳钢加热至1130℃～1250℃，终锻温度为980℃～1070℃；
和/或，中冷中，300～350s内冷却至550～620℃；
和/或，随炉冷却中，随炉冷却至500℃。
10.一种零件，其特征在于：其采用如权利要求4～9任一所述的冷成形用渗碳钢的热处理方法制造而成。
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