CN117344218A - 一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法 - Google Patents

一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法，C：0.16‑0.21％，Si：0.20‑0.37％，Mn：0.50‑0.80％，Cr：1.5‑1.8％，Mo：0.25‑0.35％，V:0.10‑0.20％；Ni：1.4‑1.7％，P≤0.010％，S：0.015‑0.035％，Al：0.015‑0.025％，[N]：60‑110ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，本发明通过微合金化、感应热处理工艺等优化，齿轮钢接触疲劳性能提升50％以上，即在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107。

Description

一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法
技术领域
本发明属于齿轮钢领域，涉及一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法，生产的齿轮用于制造风电、铁路交通领域。
背景技术
齿轮钢是特钢领域中用量较大，要求较高的关键材料，广泛应用于机械、交通、能源等领域。齿轮钢的性能要求不仅影响设备的寿命等技术经济指标，同时影响着使用安全性等要求。齿轮工作环境复杂、恶劣，主要失效形式为啮合面磨损，接触疲劳引起的麻坑剥落、齿根弯曲疲劳而产生裂纹或折断等。通常要求其材料具有良好的强韧性以及耐磨性，故可以通过材料的接触疲劳来反映材料的性能。
现有技术中，马莉等人在《微合金化渗碳齿轮钢的接触疲劳性能》中提到较低的氧含量能够有效减少氧化物夹杂数量和齿轮，这有利于提高齿轮钢的接触疲劳性能；同时，Nb含量能够控制齿轮钢渗碳层晶粒度，提高渗碳层硬度，从而提高疲劳裂纹萌生及扩展阻力，这是导致Nb微合金化后接触疲劳性能较好的原因之一。范黎明等在《Ti对20CrMnTiH齿轮钢接触疲劳性能影响研究》文章中表明，低钛氮乘积(0.0001352)比高钛氮乘积(0.0004320)拥有更好的接触疲劳性能，大致提高约一个时间数量级。王燕等人在《高温轴承钢中碳化物和高温接触疲劳寿命的研究》一文中提到，通过改善碳化物的不均匀性和降低碳化物尺寸能够有效地提高接触疲劳额定寿命和中值疲劳寿命。徐帆等人在
《碳、铬含量对不锈轴承钢的组织和接触疲劳寿命的影响》中认为一定的碳和铬含量能够有效提高接触疲劳性能，非金属夹杂物和粗大的共晶碳化物在接触应力下容易产生应力集中而成为疲劳源，影响疲劳寿命。
中国专利，公布号为CN 101319294 A，公布日为2008年12月10日的发明专利公开了一种细晶粒渗碳齿轮用钢及其制造方法，公开的钢的化学成分(重量％)为：C 0.15～0.25％，Si≤0.35％，Mn 0.60～0.90％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 0.80～1.20％，Mo0.15～0.35％，Nb 0.02～0.08％，B 0.0005～0.0035％，Al0.02～0.06％，Ti 0.01～0.04％，[N]≤0.015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。同时要求Ti≥2[N]，B≥([N]－Ti/3.4)/1.4+0.001。并采用终轧温度低于900℃的轧制生产工艺。其与现有渗碳齿轮钢20CrMoH相比，渗碳淬火后晶粒度大于10级，弯曲疲劳强度(σ－1)提高15％以上，接触疲劳寿命(L10)提高30％以上。但其额定接触疲劳也仅为2.0×107左右，随着高铁、风电等产业对高性能齿轮钢性能要求的逐渐提高，它已不能适应当今对高接触疲劳性能材料的需求，因此需开发出性能更优的渗碳齿轮钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢及生产齿轮的方法，通过微合金化、感应热处理工艺等优化，齿轮钢接触疲劳性能提升50％以上，即在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107。
本发明具体技术方案如下：
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：C：0.16-0.21％，Si：0.20-0.37％，Mn：0.50-0.80％，Cr：1.5-1.8％，Mo：0.25-0.35％，V:0.10-0.20％；Ni：1.4-1.7％，P≤0.010％，S：0.015-0.035％，Al：0.015-0.025％，[N]：60-110ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢的成分满足以下条件：Al/[N]：2.0-4.0；
所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢的成分满足以下条件：0.60≤[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]≤0.70；此公式是机车齿轮强度的成分保证，但过高的会增加齿轮淬硬性，带来不利的影响，容易发生冷裂纹。因此，在保证强度的前提下，严控公式范围0.60≤[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]≤0.70；优选[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.65-0.70，更优选
[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.67-0.70。根据各元素在齿轮钢中起到强化作用，系数的匹配是根据各元素不同的强化效果拟合。
本发明提供的一种微合金化高接触疲劳性能齿轮的生产方法，包括以下工艺流程：电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。
所述加热，钢坯在加热炉的均热温度控制在1200-1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h-8.0h。
所述轧制，开轧温度1030-1050℃、终轧温度850-880℃。
轧制后缓冷，具体为：轧后落垛，空冷至不低于500℃入炉。
所述热处理具体为：将轧制成形的毛坯齿轮装炉，为了改善合金元素偏析造成带状组织，采用870-900℃的温度进行，加热时间4-5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3-5℃/s，再经650-680℃回火，时间4-6小时，最后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。
所述齿轮外径面表面感应淬火，具体为：齿轮外径面感应淬火速度400-450mm/min；优选的，齿轮进行表面感应淬火时，加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于热感应器线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，
齿轮进行表面感应淬火时，齿轮以40-60r/min自转；
齿轮进行表面感应淬火时，淬火及喷水需从下向上进行，水压
0.40-0.50MPa，喷水时间与加热时间保持一致；加热时间为20-50s；
所述齿轮进行表面感应淬火，零件直径D(单位：mm)越大，选择的频率越低，齿轮为大尺寸零件，电流频率选择1000-3000Hz；淬硬层深度15-20mm。
齿轮进行表面感应淬火后进行180-200℃低温回火以消除内应力；
回火完成后对齿轮表面进行精磨。
本发明提供的微合金化高接触疲劳性能齿轮，采用上述方法生产得到，组织为90％以上珠光体和少量铁素体；
所述微合金化高接触疲劳性能齿轮的晶粒度≥11.0级，晶粒尺寸≤6μm；心部晶粒度≥9级，晶粒尺寸≤15μm；在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107；抗拉强度≥1000-1100Mpa，屈服强度≥900Mpa，齿轮外径面U2槽口冲击≥50J，表面硬度280-320HB。
本发明设计思路如下：
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，为了保证齿轮钢足够的强度和淬透性，C含量不能低于0.16％，由于齿轮钢要保证韧性，C含量不能高于0.21％，故确定C含量为0.16-0.21％。
Si：Si是脱氧剂，同时通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提齿轮钢的淬透性，Si的含量不能低于0.20％，但过量的硅使C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向使得渗碳层易氧化，故Si的含量不能高于0.37％。Si含量控制在0.20-0.37％。
Mn：Mn可溶于铁素体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性，钢在热轧时韧性变坏。Mn含量控制在0.50-0.80％。
Si和Mn的加入可以起到固溶强化的作用，同时提高齿轮钢的热稳定性，从而降低齿轮材料对滚动接触疲劳和棘轮效应的敏感性，而减缓疲劳裂纹的萌生。硅元素是非碳化物形成元素，不存在于渗碳体中而主要固溶于体心立方晶格的铁素体中，和铁原子较大的尺寸差使铁素体晶格产生强烈的畸变，形成固溶强化。这种固溶强化作用不仅体现在齿轮钢的先共析铁素体中，还存在于珠光体铁素体中。齿轮钢显微组织以珠光体组织为主，因此，硅元素的加入会增加齿轮钢的总体强度，且较碳元素相比，对材料塑性的降低较小。
Cr：Cr可提高钢的淬透性及强度，Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能，故Cr含量不能低于1.5％，过高的Cr会降低钢的韧性，同时会在渗碳层组织中出现大量的碳化物，影响渗碳层性能，故Cr的含量不能高于1.8％。Cr是碳化物的形成元素。在珠光体形成过程中存在着合金元素在铁素体与渗碳体交界面及在铁素体与渗碳体之间的扩散和重新分布，渗碳体的化学成分可以在很宽范围内变化，并能与其他元素形成合金渗碳体。虽然不改变渗碳体的晶体结构，但由于合金元素具有很低的扩散系数，从而能降低碳在奥氏体中的扩散系数，因此推迟渗碳体的形成和奥氏体均匀化，这将显著增加珠光体向奥氏体转变的温度，推迟奥氏体向珠光体的转变，从而使珠光体片层间距减小。
Mo是与Cr相比类似或具有更强烈效果的元素，并且用于提高钢材的淬火特性并且防止热处理材料的强度降低。然而，当Mo以小于0.25％的量添加时，难以确保钢的淬火特性；而当以大于0.35％的量添加时，形成具有脆弱低温韧性的组织，并且引起回火脆化，因此，优选使Mo的含量限于0.25％至0.35％。
Ni:Ni固溶至钢材中，提高钢材在热锻和热处理后的屈服强度和疲劳强度，同时，钢材的热锻和热处理后的韧性也会提高，Ni在1.4％以上，获得良好效果，因此，Ni下限设置为1.4％。如果Ni含量过高，则制造成本变高。因此，Ni控制在1.4-1.7％。
V：钒是齿轮钢中重要的强碳氮化物形成元素，通过加热溶解与冷却析出，可以在钢中形成间隙型VC、V4C3和富氮的V(C,N)第二相粒子，产生强烈的析出强化与细晶强化，起到显著提高屈服强度的作用。此外，含钒第二相粒子的形成，粒子周围微区因贫碳以及与铁素体较小的晶格错配度，促进先共析铁素体的形成而起到适度提高磨损速率的作用，从而达到协调接触疲劳与磨耗竞争关系，改善齿轮抗表面接触疲劳性能的目的。本发明将钒含量范围定为0.10％-0.20％，理由是，一方面钒含量超过该值，须采用更高的加热温度才能产生显著的强化效果，否则受固溶V含量低、基体碳含量较低的双重因素影响，会极大限制V微合金化提高强度的作用，甚至产生负效应；另一方面，钒含量过低起不到明显的析出强化作用，甚至因热处理制度不当，钒因夺基体中的碳而造成强度的下降。此外，晶界上V的碳氮化物强烈钉扎晶界而细化晶粒，从而改善先共析铁素体的形态、数量及分布，且细化奥氏体晶粒尺寸使得裂纹更容易在晶粒边界或珠光体边界弯折和钝化，增加裂纹的扩展阻力，进而在改善强韧配合关系上也能发挥作用。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.015％时，作用不明显，高于0.025％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此，Al含量应控制在0.015-0.025％。
[N]：能与Al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60-110ppm。同时控制Al/[N]：2.0-4.0。
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：0.015-0.035％。
与现有技术相比，本发明通过微合金化、感应热处理工艺等优化，齿轮钢接触疲劳性能提升50％以上，即在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107。
附图说明
图1为实施例1轧态齿轮坯表面的实际晶粒；
图2为实施例1回火态奥氏体晶粒度；
图3为对比例1轧态齿轮坯表面的实际晶粒；
图4为对比例1回火态奥氏体晶粒度。
具体实施方式
本发明提供的一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.16-0.21％，Si：0.20-0.37％，Mn：0.50-0.80％，Cr：1.5-1.8％，Mo：0.25-0.35％，V:0.10-0.20％；Ni：1.4-1.7％，P≤0.010％，S：0.015-0.035％，Al：0.015-0.025％，[N]：60-110ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
以上微合金化高接触疲劳性能齿轮钢的成分满足：
0.60≤[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]≤0.70、Al/[N]：2.0-4.0。
本发明提供的微合金化高接触疲劳性能齿轮，采用上述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产获得，具体生产工艺流程为：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。
具体以下工艺条件进行操作：
1)冶炼通过电磁搅拌及热处理工艺的优化控制来改善材质的带状组织技术。为了保证齿轮坯具有更高的致密性，提高齿轮坯钢的锻造比，采用Φ600mm断面的连铸坯通过改锻改轧为Φ380或Φ280mm圆钢来赋予轧坯具有初始锻压比。
2)加热：钢坯在加热炉的均热温度控制在1200-1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h-8.0h。
3)轧制：开轧温度1030-1050℃、终轧温度850-880℃。
4)缓冷：轧后落垛，空冷至不低于500℃入炉。
5)热处理：将轧制成形的毛坯齿轮装炉，为了改善合金元素偏析造成带状组织，采用870-900℃的温度进行，加热时间4-5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3-5℃/s，再经650-680℃回火，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。
6)齿轮外径面表面感应淬火：将齿轮进行外径面表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度400-450mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以40-60r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.40-0.50MPa，喷水时间与加热时间(20-50s)保持一致；零件直径D(单位：mm)越大，选择的频率越低，齿轮为大尺寸零件，电流频率选择1000-3000Hz；淬硬层深度15-20mm。
7)表面感应淬火后进行180-200℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
按照以上成分和生产方法生产的微合金化高接触疲劳性能齿轮，组织为90％以上珠光体和少量铁素体；晶粒度≥11.0级，晶粒尺寸≤6μm；心部晶粒度≥9级，晶粒尺寸≤15μm；在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107；抗拉强度≥1000-1100Mpa，屈服强度≥900Mpa，齿轮外径面U2槽口冲击≥50J，表面硬度280-320HB。
下面结合几个具体的案例对本发明进一步详细说明。
实施例1
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.17％，Si：0.25％，Mn：0.72％，Cr：1.52％，Mo：0.25％，V:0.11％；Ni：1.42％，P：0.01％，S：0.016％，Al：0.015％，[N]：60ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.64、Al/[N]：2.50，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用实施例1微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1230℃，预热、加热和均热总时间控制6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1047℃，终轧温度863℃，轧后经过冷床冷却至632℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3℃/s，再经650℃回火，时间4.5小时，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。其中，感应淬火具体为：将齿轮进行表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度420mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以45r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.45MPa，喷水时间与加热时间40s保持一致；感应淬火设备的电流频率f为1000Hz，淬硬层深度d为16：mm；零件直径D(单位：mm)越大，选择的频率越低，齿轮为大尺寸零件，表面感应淬火后进行180℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
实施例2
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.17％，Si：0.25％，Mn：0.73％，Cr：1.66％，Mo：0.30％，V:0.15％；Ni：1.61％，P：0.01％，S：0.025％，Al：0.02％，[N]：100ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.66、Al/[N]：2.00，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用实施例2微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1217℃，预热、加热和均热总时间控制6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1038℃，终轧温度857℃，轧后经过冷床冷却至633℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度4℃/s，再经670℃回火，时间4.5小时，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。其中，感应淬火具体为：将齿轮进行表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度440mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以50r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.45MPa，喷水时间与加热时间32s保持一致；感应淬火设备的电流频率f为1500Hz，淬硬层深度d为18mm，表面感应淬火后进行180℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
实施例3
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.18％，Si：0.25％，Mn：0.75％，Cr：1.78％，Mo：0.34％，V:0.19％；Ni：1.68％，P：0.01％，S：0.032％，Al：0.025％，[N]：105ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.69、Al/[N]：2.38，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用实施例3微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1239℃，预热、加热和均热总时间控制7.0h后进行圆钢轧制，开轧温度：1050℃，终轧温度879℃，轧后经过冷床冷却至636℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度5℃/s，再经680℃回火，时间4.5小时，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。其中，感应淬火具体为：将齿轮进行表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度430mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以60r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.45MPa，喷水时间与加热时间25s保持一致；感应淬火设备的电流频率f为2500Hz，淬硬层深度d为18mm，表面感应淬火后进行180℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
对比例1
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.26％，Si：0.42％，Mn：0.70％，Cr：1.2％，Mo：0.28％，V:0.08％；Ni：1.63％，P：0.010％，S：0.015％，Al：0.034％，[N]：95ppm，Al/[N]：3.58，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝ 0.77，其余为Fe和不可避免的杂质元素，且符合公式。
利用对比例1微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1187℃加热保温8.0h后进行圆钢轧制，开轧温度：1027℃，终轧温度841℃，轧后经过冷床冷却至638℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3.5℃/s，再经670℃回火，时间4.5小时，后进行机加工，不进 行表面感应淬火。
对比例2
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.18％，Si：0.26％，Mn：0.72％，Cr：2.3％，Mo：0.27％，V:0.24％；Ni：1.61％，P：0.010％，S：0.015％，Al：0.035％，[N]：60ppm，Al/[N]：5.83，[C+Mn/4+Si/2+(Cr+V)/10]＝ 0.74，其余为Fe和不可避免的杂质元素，且符合公式。
利用对比例2微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1284℃加热保温6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1083℃，终轧温度895℃，轧后经过冷床冷却至633℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3.5℃/s，再经680℃回火，时间4.5小时，后进行机加工，不进 行表面感应淬火。
对比例3
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.17％，Si：0.34％，Mn：0.78％，Cr：1.7％，Mo：0.25％，V:0.11％；Ni：1.42％，P：0.01％，S：0.025％，Al：0.015％，[N]：60ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.72、Al/[N]：2.50，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用对比例3微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1230℃，预热、加热和均热总时间控制6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1047℃，终轧温度863℃，轧后经过冷床冷却至632℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3.5℃/s，再经650℃回火，时间4.5小时，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。其中，感应淬火具体为：将齿轮进行表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度440mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以50r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.45MPa，喷水时间与加热时间32s保持一致；感应淬火设备的电流频率f为1500Hz，淬硬层深度d为18：mm；零件直径D(单位：mm)越大，选择的频率越低，齿轮为大尺寸零件，表面感应淬火后进行180℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
对比例4
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.17％，Si：0.25％，Mn：0.73％，Cr：1.66％，Mo：0.30％，V:0.15％；Ni：1.61％，P：0.01％，S：0.032％，Al：0.02％，[N]：100ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.66、Al/[N]：2.00，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用对比例4微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1226℃，预热、加热和均热总时间控制6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1040℃，终轧温度858℃，轧后经过冷床冷却至635℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用850℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度6℃/s，再经660℃回火，时间4.5小时，后进行机加工，不进行表面感应淬火。
对比例5
一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.18％，Si：0.25％，Mn：0.75％，Cr：1.78％，Mo：0.34％，V:0.19％；Ni：1.68％，P：0.01％，S：0.033％，Al：0.025％，[N]：105ppm，[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]＝0.69、Al/[N]：2.38，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
利用对比例5微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的方法，包括以下工艺流程：
电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。具体以下工艺条件进行操作：
连铸坯锯切后经过1217℃，预热、加热和均热总时间控制6.5h后进行圆钢轧制，开轧温度：1038℃，终轧温度857℃，轧后经过冷床冷却至633℃入坑缓冷，缓冷时间10h。热处理采用880℃的温度进行，加热时间4.5小时，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得齿轮出炉，采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度2.5℃/s，再经660℃回火，时间4.5小时，后进行机加工、感应淬火获得成品齿轮。其中，感应淬火具体为：将齿轮进行表面感应淬火；加热感应器与喷水圈沿水平方向进行微调，以保证齿轮处于线圈正中位置；加热感应器与喷水圈沿齿轮进行匀速轴向移动，淬火速度430mm/min；齿轮齿轮外径面表面感应淬火时，淬火机床带动齿轮以60r/min自转以保证齿轮加热和冷却均匀；淬火及喷水需从下向上进行，水压0.45MPa，喷水时间与加热时间25s保持一致；感应淬火设备的电流频率f为2500Hz，淬硬层深度d为18：mm；零件直径D(单位：mm)越大，选择的频率越低，齿轮为大尺寸零件，表面感应淬火后进行180℃低温回火以消除内应力，回火完成后对齿轮表面进行精磨。
表1本发明实施例化学成分(单位：[N]为ppm，其余％)
C Si Mn P S Cr Mo Ni Al V [N] Al/[N] 公式
实施例1 0.17 0.25 0.72 0.01 0.016 1.52 0.25 1.42 0.015 0.11 60 2.50 0.64
实施例2 0.17 0.25 0.73 0.01 0.025 1.66 0.30 1.61 0.020 0.15 100 2.00 0.66
实施例3 0.18 0.25 0.75 0.01 0.032 1.78 0.34 1.68 0.025 0.19 105 2.38 0.69
对比例1 0.26 0.42 0.70 0.01 0.015 1.2 0.28 1.63 0.034 0.08 95 3.58 0.77
对比例2 0.18 0.26 0.72 0.01 0.015 2.3 0.27 1.61 0.035 0.24 60 5.83 0.74
对比例3 0.17 0.34 0.78 0.01 0.025 1.7 0.25 1.42 0.015 0.11 60 2.50 0.72
对比例4 0.17 0.25 0.73 0.01 0.032 1.66 0.30 1.61 0.020 0.15 100 2.00 0.66
对比例5 0.18 0.25 0.75 0.01 0.033 1.78 0.34 1.68 0.025 0.19 105 2.38 0.69
表2轧钢生产工艺参数
表3各实施例及对比例的热处理工艺
表4各实施例及对比例的表面感应淬火工艺
各实施例和对比例齿轮的晶粒度、性能测试如表5、表6所示。
表5本发明实施例晶粒度级晶粒尺寸
表6接触疲劳额定疲劳寿命与中值疲劳寿命
试样编号 接触应力/GPa L10/cycle L50/cycle
实施例1 4.0 8.12×107 10.08×107
实施例2 4.0 8.63×107 10.64×107
实施例3 4.0 8.65×107 10.76×107
对比例1 4.0 3.36×10 7 5.20×10 7
对比例2 4.0 3.48×10 7 5.32×10 7
对比例3 4.0 5.37×10 7 7.37×10 7
对比例5 4.0 3.75×10 7 6.01×10 7
以上画下划线的数据为不满足本发明要求的数据。
由表5能够看出，本发明实施例1-3所述齿轮钢经过热处理后，晶粒度在11.0级以上，晶粒尺寸5.1～5.6μm，对比例晶粒度在9.0级，晶粒尺寸6.7～16.3μm；实施例的心部晶粒度均在9.5级以上，晶粒尺寸12.7～14.2μm，对比例晶粒度在8.0～8.5级，晶粒尺寸17.2～20.4μm。
表6为实施例和对比例的接触疲劳对比，通过微合金化、感应淬火等优化，实施例的接触疲劳较对比例齿轮钢接触疲劳性能提升50％以上，在压应力为4.0GPa条件下，额定疲劳寿命L10≥8×107，中值疲劳寿命L50≥10×107。

Claims (10)

1.一种微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，其特征在于，所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢包括以下质量百分比成分：
C：0.16-0.21％，Si：0.20-0.37％，Mn：0.50-0.80％，Cr：1.5-1.8％，Mo：0.25-0.35％，V:0.10-0.20％；Ni：1.4-1.7％，P≤0.010％，S：0.015-0.035％，Al：0.015-0.025％，[N]：60-110ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，其特征在于，所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢的成分满足以下条件：Al/[N]：2.0-4.0。
3.根据权利要求1所述的微合金化高接触疲劳性能齿轮钢，其特征在于，所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢的成分满足以下条件：0.60≤
[C+Mn/4+Si/2/+(Cr+V)/10]≤0.70。
4.一种权利要求1-3任一项所述微合金化高接触疲劳性能齿轮钢生产微合金化高接触疲劳性能齿轮的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→圆坯连铸→圆坯锻造→加热→轧制→热处理→加工→齿轮外径面表面感应淬火→检测→包装。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述加热，钢坯在加热炉的均热温度控制在1200-1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h-8.0h。
6.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述轧制，开轧温度1030-1050℃、终轧温度850-880℃。
7.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述热处理具体为：将轧制成形的毛坯齿轮装炉，870-900℃的温度进行加热时间4-5小时，出炉采用水冷方式冷，保证毛坯齿轮的冷却速度3-5℃/s，再经650-680℃回火，时间5-6小时。
8.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述踏面感应淬火，齿轮进行表面感应淬火时，淬火速度400-450mm/min；齿轮以40-60r/min自转。
9.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，齿轮进行表面感应淬火时，淬火及喷水需从下向上进行，水压0.40-0.50MPa，喷水时间与加热时间保持一致；加热时间为20-50s。
10.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，表面感应淬火电流频率选择1000-3000Hz；淬硬层深度15-20mm。
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