CN1272456C - 提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是在电炉冶炼过程中，控制钢水中的P含量，电炉出钢时，钢水中的P≤0.017%，在钢包精炼炉精炼过程中加入磷铁合金调整钢水中P的含量，使成品钢中P的含量在0.018-0.026%，在钢包精炼炉精炼的齿轮钢成品钢中，合金元素的含量为齿轮钢标准的中下限。本提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法有效地提高了齿轮钢的淬透性，离开淬火端9mm处的HRC可提高1-10；有效地提高了齿轮钢的热加工性能，把齿轮钢在锻造、热处理、热加工过程中的开裂比例减少20-40%。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法。
背景技术
随着机械制造业的发展，对齿轮钢的质量要求越来越高。高等级的齿轮钢既要求钢材具有窄的高淬透性带，同时又要求钢材具有良好的热加工性能。
在影响齿轮钢淬透性的诸多因素中，化学成分的影响最为重要，对于亚共析钢即C＜0.77％的钢，随着C、Mn、Cr含量的增加，钢的淬透性显著提高。现有的提高齿轮的淬透性与热加工性能的方法一般通过控制钢中的C、Mn、Cr含量，确保齿轮钢的淬透性合格。为了提高齿轮钢的淬透性，炼钢过程中要提高C、Mn、Cr合金元素的加入量，这不但使炼钢成本提高，而且随着钢中C、Mn、Cr合金含量的增加，钢的导热性能下降，钢材的塑性及韧性降低，钢材在热加工过程中，尤其是热加工变形量比较大的情况下，非常容易开裂。如国产40MnBH齿轮钢，用于制端淬性比较高的齿轮时，在热加工过程中出现形裂的比例达30-40％。
发明内容
为了克服现有提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法成本高、在热加工过程中容易开裂的不足之处，本发明提供一种提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，用本方法处理齿轮钢成本低，处理的齿轮钢淬透性好、塑性和韧性高。
本发明的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法的主要技术关键是在现有的制造齿轮的齿轮钢冶(精)炼、模注成锭、红送初轧、均热开坯、轧制成材的整个过程中，把齿轮钢冶炼分为电炉冶炼和钢包精炼炉精炼两步完成，电炉冶炼完成熔化和氧化，钢包精炼完成还原，钢包精炼炉精炼过程中加入磷铁合金调整钢水中P的含量在0.018-0.026％，随着钢中磷含量的增加，可以促进奥氏体晶粒的长大，有效的提高齿轮钢的淬透性，其次是成品钢中的合金元素的含量为齿轮钢标准化学成分的中下限，如GB5216-85标准或企业标准要求的中下限控制，并且电炉冶炼过程中，控制钢水中的P含量，电炉出钢时，钢水中的P≤0.017％。
本提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法的步骤如下：
1电炉冶炼
把废钢及铁水加入到电炉中冶炼，加入的铁水与废钢的重量比为1.1∶1至1.2∶1，废钢中的P含量为0.020-0.035％；铁水中的P含量为0.040-0.070％，Si含量为0.5-0.8％，铁水的温度大于1250℃。
先把废钢加入到电炉中，然后再加入铁水，加入铁水后开始吹氧，废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰固体炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，以保证钢包精炼炉中精炼工序正常进行为准，脱P至P≤0.017％之后，电炉出钢；在电炉出钢前，先根据所炼的钢种，在钢包精炼炉的钢包中加入含有对应元素的铁合金和石灰及合成渣并烘烤到800℃以上，然后把电炉的钢水倒入钢包中，钢水在钢包精炼炉的钢包中进行钢水初步合金化，铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低。如生产40MnBH齿轮钢，加入锰铁合金、硅铁合金，并预热30分钟，再把电炉中的钢水倒入钢包精炼炉的钢包中，加入锰铁、硅铁合金的量，是使钢包在进入精炼工位时钢中的Mn：1.13-1.23％，Si：0.17-0.27％。对于其它的钢种可加入铬铁合金、钼铁合金，加入的铁合金，应使钢水中对应的元素的含量为齿轮钢要求的中下限如GB5216-85的中下限。
B钢包精炼炉精炼
把装有钢水的钢包移到精炼工位，在还原条件下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和齿轮钢化学成分标准的要求如GB5216-85的要求，加入含有对应元素的铁合金和磷铁合金及碳粉调整钢水成分，钢包精炼炉的钢包出钢时，钢水中的合金元素控制在齿轮钢标准的中下限如GB5216-85的中下限，P的含量为0.018-0.026％。
再按照公知的方法进行真空脱气、模注成锭、红送初轧、均热开坯、轧制成圆钢。
本提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法的主要技术关键是调整控制钢中的磷含量，有效地提高了齿轮钢的淬透性，离开淬火端9mm处的HRC可提高1-10；有效地提高了齿轮钢的热加工性能，把齿轮钢在锻造、热处理、热加工过程中的开裂比例减少20-40％，如用本方法炼的40MnBH齿轮钢，经用原热加工工艺试验，开裂的比例小于3％，20CrMnTiH齿轮钢开裂比例小于2％，ZL20CrMoH齿轮钢的开裂比例小于2％；调整控制钢中P含量提高钢的淬透性的冶炼过程中，磷铁的加入量比现有方法少，价格低，可降低齿轮钢的生产成本，每吨成品钢的成本可降低8-20元，如40MnBH齿轮钢，磷铁的回收率为90-95％，钢包精炼炉精炼过程中，C及锰铁合金的加入量少，而且加入的磷铁价格低，降低了40MnBH齿轮钢的成本。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法。
实施例一是提高40MnBH齿轮钢的淬透性与热加工性的方法，用户要求端淬性能比有关标准窄而且严，要求是标准的上限，其步骤如下：
1电炉冶炼
电炉冶炼是完成废钢的熔化和氧化，把废钢30吨加入50吨高功率电炉中，废钢中的P含量为一般为0.020-0.035％，本实施例为0.026％；再把35吨的1280℃铁水加入到同一高功率电炉中，铁水中的P含量一般为0.040-0.070％，本实施例为0.055％，Si含量一般为0.5-0.8％，本实施例为0.6％；加入铁水后开始吹氧，采用全程吹氧废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰等固体炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，一般钢水温度达到1640-1680℃，C≥0.09％，P≤0.017％时出钢，本实施例是在1660℃，C＝0.11％，P＝0.016％时出钢，然后把钢水倒入装有锰铁合金、硅铁合金、石灰和合成渣并烘烤30分钟的钢包精炼炉的钢包中，钢水在该钢包中进行钢水初步合金化。铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低。
2钢包精炼炉精炼
把装有钢水的钢包精炼炉的钢包移到精炼工位，在还原气氛下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和GB5216-85成品钢的要求加磷铁合金、锰铁合金、硅铁合金及碳粉调整钢水成分，增加钢水中P的含量，使成品钢中C、Si、Mn、P的含量分别为C：0.39-0.41％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.13-1.23％，P：0.020-0.025％，本实施例是C：0.40％，Si：0.25％，Mn：1.15％，P：0.022％。
实施例二是提高20CrMnTiH齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，该钢种用于制造汽车、重型车床的齿轮和主轴，要求良好的淬透性和表面质量，其步骤如下：
1电炉冶炼
把废钢33吨加入50吨高功率电炉中，废钢中的P含量为一般为0.020-0.035％，本实施例为0.030％；再把35吨的1260℃铁水加入到同一高功率电炉中，铁水中的P含量为0.040-0.070％，本实施例为0.060％，Si含量一般为0.5-0.8％，本实施例为0.6％；加入铁水后开始吹氧，采用全程吹氧废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰等固体炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，一般钢水温度达到1640-1680℃，C≥0.09％，P≤0.017％时出钢，本实施例是在1650℃，C＝0.10％，P＝0.015％时出钢，然后把钢水倒入装有硅铁合金、铬铁合金、锰铁合金、石灰和合成渣并烘烤30分钟的钢包精炼炉的钢包中，钢水在该钢包中进行钢水初步合金化。铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低。
2钢包精炼炉精炼
把装有钢水的钢包精炼炉的钢包移到精炼工位，在还原气氛下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和GB5216-85成品钢的要求加入磷铁合金、锰铁合金及碳粉调整钢水成分，增加钢水中P的含量，使成品钢中C、Si、Mn、Cr、P的含量分别为C；0.20-0.22％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.00-1.10％，Cr：1.00-1.15％ P：0.020-0.025％，本实施例是C；0.21％，Si：0.20％，Mn：1.05％，Cr：1.10％P：0.022％。
实施例三是提高ZL20CrMoH齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，该钢种用于8吨载重汽车的后桥齿轮及变速箱齿轮，对力学性能、淬透性、非金属夹杂含量及奥氏体晶粒度要求很严，其步骤如下：
1电炉冶炼
把废钢30吨加入50吨高功率电炉中，废钢中的P含量为一般为0.020-0.035％，本实施例为0.025％；再把33吨的1260℃铁水加入到同一高功率电炉中，铁水中的P含量一般为0.040-0.070％，本实施例为0.050％，Si含量一般为0.5-0.8％，本实施例为0.6％；加入铁水后开始吹氧，采用全程吹氧废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰固体等炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，一般钢水温度达到1640-1680℃，C≥0.09％，P≤0.017％时出钢，本实施例是在1660℃，C＝0.12％，P＝0.016％时出钢，然后把钢水倒入装有铬铁合金、锰铁合金、钼铁合金、硅铁合金及石灰和合成渣并烘烤30分钟的钢包精炼炉的钢包中，钢水在该钢包中进行钢水初步合金化，铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低。
2钢包精炼炉精炼
把装有钢水的钢包精炼炉的钢包移到精炼工位，在还原气氛下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和标准Q/14000TB3003.1-2003成品钢的要求加入磷铁合金、锰铁合金、铬铁合金、钼铁合金及碳粉调整钢水成分，增加钢水中P的含量，使成品钢中C、Si、Mn、Cr、Mo、P的含量分别为C；0.21-0.23％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.80-0.90％，Cr：1.00-1.15％ Mo：0.20-0.30％，P：0.020-0.025％，本实施例是C：0.22％，Si：0.20％，Mn：0.85％，Cr：1.05％ P：0.023％。铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低。
上述三个实施例中，废钢中不得带有泥沙、砖石，清洁少锈少油污，预热30分钟的钢包精炼炉的钢包温度大于800℃。
把上述三个实施例的钢水出精炼工位后再按照公知的方案进行真空脱气、模注成锭、红送初轧、均热开坯、轧制成材。
上述三个实施例不是对本发明的限制，本发明的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，可用于其它齿轮钢。
在中华人民共和国国家标准GB5216-85中，上述实施例一、实施例二中成品钢的化学成分为：
| 牌号 | 化学成分％ | ||||||
| C | Si | Mn | Cr | B | Ti | p | |
| 40MnBH20CrMnTiH | 0.37-0.440.17-0.23 | 0.17-0.370.17-0.37 | 1.00-1.400.80-1.15 | 1.00-1.35 | 0.0005-0.035 | 0.04-0.10 | ≤0.030≤0.030 |
在太原钢铁(集团)有限公司企业标准Q/14000 TB3003.1-2003中，上述实施例三中成品钢的化学成分为：
| 牌号 | 化学成分％ | ||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | |
| ZL20CrMoH | 0.17-0.23 | 0.15-0.35 | 0.55-0.40 | ≤0.03 | ≤0.03 | 0.85-1.25 | 0.15-0.35 |
实施例二的Ti在模注成锭时加入。
名词解释
钢包精炼炉 由日本特殊钢公司1971年开发，可处理各种特殊钢，其特点是电弧加热，加合成渣洗及吹氩。LF为该炉Ladle Furnace的两个打头字母。
Claims (5)
1、一种提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是在电炉冶炼和钢包精炼炉精炼过程中，电炉冶炼完成熔化和氧化，钢包精炼炉完成还原精炼，钢包精炼炉精炼过程中加入磷铁合金调整钢水中P的含量，使钢水中P的含量在0.018-0.026％。
2、根据权利要求1所述的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是：电炉冶炼过程中，控制钢水中的P含量，电炉出钢时，钢水中的P≤0.017％，在钢包精炼炉精炼的齿轮钢成品钢中，合金元素的含量为国家标准GB5216-85的中下限。
3、根据权利要求1所述的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是：电炉冶炼过程中，控制钢水中的P含量，电炉出钢时，钢水中的P≤0.017％，在钢包精炼炉精炼的齿轮钢成品钢中，合金元素的含量为太原钢铁(集团)有限公司企业标准Q/14000 TB3003.1-2003的中下限。
4、根据权利要求1或2所述的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是：
A电炉冶炼把废钢及铁水加入到电炉中冶炼，加入的铁水与废钢的重量比为1.1∶1至1.2∶1，废钢中的P含量为0.020-0.035％；铁水中的P含量为0.040-0.070％，Si含量为0.5-0.8％，铁水的温度大于1250℃；先把废钢加入到电炉中，然后再加入铁水，加入铁水后开始吹氧，废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰固体炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，以保证钢包精炼炉中精炼工序正常进行，脱P至P≤0.017％之后，电炉出钢；在电炉出钢前，先根据所炼的钢种，在钢包中加入含有对应元素的铁合金和石灰及合成渣并烘烤到800度以上，然后把电炉的钢水倒入钢包精炼炉的钢包中，钢水在钢包中进行钢水初步合金化，铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低；
B钢包精炼炉精炼把装有钢水的钢包精炼炉的钢包移到精炼工位，在还原条件下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和国家标准GB5216-85的要求，加入含有对应元素的铁合金和磷铁合金及碳粉调整钢水成分，钢包精炼炉的钢包出钢时，钢水中的合金元素控制在国家标准GB5216-85的中下限，P的含量为0.018-0.026％。
5、根据权利要求1或3所述的提高齿轮钢的淬透性与热加工性能的方法，其特征是：
A电炉冶炼把废钢及铁水加入到电炉中冶炼，加入的铁水与废钢的重量比为1.1∶1至1.2∶1，废钢中的P含量为0.020-0.035％；铁水中的P含量为0.040-0.070％，Si含量为0.5-0.8％，铁水的温度大于1250℃；先把废钢加入到电炉中，然后再加入铁水，加入铁水后开始吹氧，废钢熔化和钢水氧化同时进行，在冶炼过程中废钢及石灰固体炉料迅速熔化，同时脱C、脱P、去气、去夹杂，以保证钢包精炼炉中精炼工序正常进行，脱P至P≤0.017％之后，电炉出钢；在电炉出钢前，先根据所炼的钢种，在钢包中加入含有对应元素的铁合金和石灰及合成渣并烘烤到800度以上，然后把电炉的钢水倒入钢包精炼炉的钢包中，钢水在钢包中进行钢水初步合金化，铁合金中，合金元素的含量要高、成分准确、块度合适、夹杂和有害元素含量低；
B钢包精炼炉精炼把装有钢水的钢包精炼炉的钢包移到精炼工位，在还原条件下进一步脱氧、脱硫、去除夹杂，同时根据精炼初期钢水的成分和企业标准Q/14000 TB3003.1-2003的要求，加入含有对应元素的铁合金和磷铁合金及碳粉调整钢水成分，钢包精炼炉的钢包出钢时，钢水中的合金元素控制在太原钢铁(集团)有限公司企业标准Q/14000 TB3003.1-2003中的中下限，P的含量为0.018-0.026％。
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