專利名稱：一種低合金鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金鋼，具體的說，涉及一種用作齒輪或軸承的低合金鋼。
背景技術：
齒輪一般是采用專用的齒輪鋼，先加工為齒還，再進行機械加工、齒形加工、熱處理、精加工等工藝過程制成。熱處理過程中，淬火處理就是為了使齒面達到規定的硬度要求，淬透性是齒輪鋼的重要性能指標之一，它主要是保證不同大小齒輪的心部硬度，且幫助控制齒輪熱處理變形。齒輪鋼的淬透性和淬透性帶寬的控制，主要取決于化學成分及其均勻性。也就是對淬透性影響大的元素如碳、錳等的控制，根據鋼中碳和合金元素對淬透性各點硬度值的影響，確定該鋼的內控成分范圍。但隨著機械技術的發展，對齒輪硬度要求也隨之提高，利用傳統的齒輪鋼僅僅通過淬火就很難得到令人滿意的硬度。 因此有必要通過改進材料的成分和工藝方法來滿足各項要求，如齒輪的表面硬度和心部的沖擊韌性。CN101736189B公開了一種高頻淬火齒輪及該齒輪的熱處理工藝，該齒輪為鑄造成型，經高頻淬火，回火后制得，但其提供的齒輪鋼中的碳含量較高，澆鑄件的晶粒較大，韌性較差，而且高頻淬火后開裂和變形的傾向大。基于上述缺陷，本發明的目的是提供一種可用于齒輪或軸承的硬度高，韌性好，具有較高疲勞強度的低合金鋼材料及其加工和熱處理方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種可用于齒輪或軸承的硬度高，韌性好，具有較高疲勞強度的低合金鋼材料及其制備方法。本發明所述的低合金鋼的成分(重量％)為C:0.55 1.24%;Si :0. 2 O. 35%;Mn :1. 05 I. 35% ；Cr :1. 50 I. 80% ；Ni :1. 30 2. 20% ；Mo :0. 20 O. 45% ；Cu :0. 4 O. 6%；Ti 0. 05 O. 08%,N ^ O. 015 ;S，P 均〈O. 005%,O ^ 25ppm，其余為 Fe 和不可避免的雜質。在上述化學成分中，碳是通常鋼中所采用的最廉價的強化元素。碳在鋼中主要以固溶或生成碳化物的形式存在。碳化物可作為增強相增加鋼的硬度和強度，利用熱處理方法，先在較高的溫度下使碳化物都熔融在奧氏體中，然后利用碳化物微細化淬火方式進行熱處理，使碳化物顆粒極為細小且均勻分布，可進一步提高鋼的強韌性；另外C是對高頻淬火性影響最大的元素，使硬化層更加硬化，還可使硬化層變得更厚，從而有助于提高扭轉疲勞強度。Si是鋼鐵冶煉時加入的脫氧劑引入的，Si可在高頻淬火的加熱時，使奧氏體的成核點的數量增加，同時還具有抑制奧氏體的晶粒成長，使硬化層細粒化的作用。另外，還有抑制碳化物的生成、防止晶界強度下降的作用。并且，還能夠促進貝氏體組織的生成，從而有效提高扭轉疲勞強度，但過量的Si會使切削性和冷鍛性下降。
Mn是鋼鐵冶煉時加入的脫氧和脫硫元素，同時也是保證淬透性的元素。Mn含量應控制在I. 05 I. 35%。Cr，Mo和Ti是碳化物形成元素，也能夠有效提高鋼的淬透性，以獲得所需的強度。Ni和Cu都是非碳化物形成元素，可固溶于鐵素體中，通過固溶強化來提高扭轉疲勞強度，并抑制碳化物的生成，防止晶界強度降低，提高扭轉疲勞強度。另外，P在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而不利于齒輪疲勞性能的提高；s會形成MnS夾雜物和在晶界偏析會惡化鋼的韌性，從而不利于齒輪疲勞性能的提高。因此，S含量應控制在O. 010%以下。而且鋼中存在的氧化物和硫化物夾雜、有害元素如氮、氫、氧等，會降低鋼材的力學性能，惡化鋼材的工藝性能，因此，要求NS 0.015 ;S，P均〈O. 005%, O ^ 25ppm。本發明經冶煉爐溶煉后，鋼水可澆鑄成鋼錠，再鍛造或軋制成材，機加工制成制品 熱處理；另外鋼水也可直接洗鑄成鑄件再進行熱處理使用，優選將其直接澆鑄成鑄件然后進行熱處理使用。本發明還提供一種適用于上述低合金鋼的鑄造方法。所述鑄造方法包括以下步驟(I)制造模樣用泡沫材料制造模樣，模樣的齒形與齒形零件一致；(2)涂料和干燥在模樣表面涂掛膠粘劑，噴砂并烘干；(3)造型將干燥的模樣置于砂箱中，放置澆道，往砂箱中填砂進行造型，并在模樣上設置冒口；(4)澆注、落砂和清理往砂箱中澆注鐵水，冷卻后開箱落砂，對鑄件進行清理。步驟(2)可重復多次；優選2-8次；其中，所述烘干如下進行加熱至260 300°C保溫30分；噴砂可采用射砂機進行；另外，所述噴砂可選用本領域常用的噴砂，考慮到附著在鑄件表面的噴砂經過熱處理后也可以起到強化表面的作用，優選碳化硅，三氧化二鋁，鐵格硼或碳化鎢等高硬度材料；其顆粒的大小可選用本領域常用的顆粒大小，優選2-500 μ m ;更優選5-10 μ m ；所述膠粘劑為聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一種或兩種的混合物。采用上述鑄造方法，鑄件的表面光潔，工藝簡單，極易形成流水線作業，同時制得的毛坯零件只需要少量的切削加工或直接不需要切削加工即可達到工藝的要求，減少了加工的工序縮短了整個的加工時間。然后進行熱處理，采用的熱處理工藝為等溫淬火+高頻淬火+回火。所述等溫淬火工藝如下加熱至1020 1080°C保溫10 30min,使材料完全轉化為奧氏體，且碳化物溶入奧氏體中；然后在500 380°C等溫處理I 5h，碳化物均勻析出，奧氏體轉化為下貝氏體，水冷。此時金相組織為下貝氏體/少量馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。下貝氏體的硬度和強度略低于回火馬氏體，但塑性好，沖擊韌性好，非常適合作為齒輪或軸承的芯材料。晶粒大小是齒輪鋼的一項重要指標。齒輪鋼中細小均勻的奧氏體晶粒，經等溫淬火后得到細小貝氏體和馬氏體組織，明顯改善齒輪的疲勞性能，同時減少齒輪熱處理后的變形量。然后采用高頻淬火工藝進行表面硬化處理，所述高頻淬火工藝如下溫度為900 1000°C，加熱速度為400 600°C /s ;加熱時間3 5s，同時加熱淬火，急速冷卻，冷卻速度大于形成奧氏體的速度，可采用水、油等常用的介質，優選冷卻速度在300°C /s以上，優選600°C/s。高頻淬火可多次進行，以增加硬化層厚度。所述硬化層厚度最好達到
I.5mm以上，優選2 4mm。然后低溫回火，得到制品，所述低溫回火工藝如下在100 180°C，保溫60 120mino經過上述熱處理，齒輪或軸承的心部為貝氏體和馬氏體組織，表面通過高頻淬火在表面形成硬化層，且硬化層的原奧氏體粒徑小，高頻感應加熱的升溫速度快，保溫時間極短，淬火加熱溫度高，過熱度大，奧氏體形核多，又不易長大，因此淬火后表面得到細小的隱晶馬氏體，淬火齒輪表面強度較高，并且奧氏體晶粒細化，耐磨性又有顯著提高。得到的制 品的心部強度高、沖擊韌性高，表面硬度高，耐磨性好。因此，特別的，本發明還提供上述低合金鋼制品的制備方法。所述低合金鋼制品的制備方法為I)將熔融的金屬液體倒入砂型中，使其澆鑄成鑄件后，備用；2)將上述鑄造好的鑄件加工后進行等溫淬火，然后進行高頻淬火；3)將加熱后的鑄件油淬，空氣冷卻至室溫；4)然后進行低溫回火處理，在100 180°C，保溫60 120min5)將回火處理后的鑄件，空氣冷卻至室溫。所述步驟I)如下進行(I)制造模樣用泡沫材料制造模樣，模樣的齒形與齒形零件完全一致；(2)涂料和干燥在模樣表面涂掛膠粘劑，噴砂并烘干；所述噴砂為碳化硅，三氧化二鋁，鐵格硼或碳化鎢；其顆粒的大小為20-500 μ m ;優選20-100 μ m ;所述膠粘劑為聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一種或兩種的混合物；(3)造型將干燥的模樣置于砂箱中，放置澆道，往砂箱中填砂進行造型，并在模樣上設置冒口；(4)澆注、落砂和清理往砂箱中澆注鐵水，冷卻后開箱落砂，對鑄件進行清理。所述等溫淬火工藝如下加熱至1020 1080°C保溫10 30min，使材料完全轉化為奧氏體，且碳化物溶入奧氏體中；然后在500 380°C等溫處理I 5h，碳化物均勻析出，奧氏體轉化為下貝氏體，水冷。所述高頻淬火工藝如下溫度為900 1000°C，加熱速度為400 600°C /s ;同時加熱淬火，急速冷卻。所述急速冷卻的冷卻速度在300°C /s以上，優選400 600°C /s。與現有技術相比，本發明提供的低合金鋼綜合性能良好，不僅具有較高的硬度，而且還具有較好的韌性和較高的疲勞強度；且鑄造性能好，鑄件成品率高，具有900MPa以上抗拉強度，洛氏硬度超過HRC58和良好塑韌性的優點。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述。如無特別指明，本發明所用的原料均為市購。實施例I
利用真空感應爐冶煉本發明所述的低合金鋼，其具體化學成分如表I所示。表I化學成分表
權利要求
1.一種低合金鋼，其特征在于，所述低合金鋼包括以下重量百分數的成分c 0. 55 I. 24% ；Si 0. 2 O. 35 % ；Mn :1. 05 I. 35 % ；Cr :1. 50 I. 80 % ；Ni :1. 30 2. 20 % ;Mo 0. 20 O. 45% ；Cu :0. 4 O. 6% ；Ti :0. 05 O. 08%, N ^ O. 015% ;S，P 均〈O. 005%,O( 25ppm,其余為Fe和不可避免的雜質。
2.根據權利要求I所述的低合金鋼的鑄造方法，其特征在于，包括以下步驟 (O制造模樣用泡沫材料制造模樣，模樣的齒形與齒形零件一致； (2)涂料和干燥在模樣表面涂掛膠粘劑，噴砂并烘干；所述噴砂為碳化硅，三氧化二鋁，鐵格硼或碳化鎢；其顆粒的大小為2-500 μ m ;優選5-10 μ m ;所述膠粘劑為聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一種或兩種的混合物； (3)造型將干燥的模樣置于砂箱中，放置澆道，往砂箱中填砂進行造型，并在模樣上設 置冒口 ； (4)澆注、落砂和清理往砂箱中澆注鐵水，冷卻后開箱落砂，對鑄件進行清理。
3.根據權利要求I所述的低合金鋼的熱處理工藝，其特征在于，所述熱處理工藝為等溫淬火+高頻淬火+回火；所述等溫淬火工藝如下加熱至1020 108(TC保溫10 30min,然后在500 380°C等溫處理I 5h，水冷。
4.根據權利要求3所述的熱處理工藝，其特征在于，所述高頻淬火工藝如下溫度為900 1000°C，加熱速度為400 600°C /s ;加熱時間3 5s，同時加熱淬火，急速冷卻。
5.根據權利要求3所述的熱處理工藝，其特征在于，所述低溫回火工藝如下在100 180°C，保溫 60 120min。
6.根據權利要求I所述的低合金鋼的制品的制備方法，包括以下步驟 1)將熔融的金屬液體倒入砂型中，使其澆鑄成鑄件后，備用； 2)將上述鑄造好的鑄件加工后進行等溫淬火，然后進行高頻淬火； 3)將加熱后的鑄件油淬，空氣冷卻至室溫； 4)然后進行低溫回火處理，在100 180°C，保溫60 120min 5)將回火處理后的鑄件，空氣冷卻至室溫。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟I)如下進行 (O制造模樣用泡沫材料制造模樣，模樣的齒形與齒形零件完全一致； (2)涂料和干燥在模樣表面涂掛膠粘劑，噴砂并烘干；所述噴砂為碳化硅，三氧化二鋁，鐵格硼或碳化鎢；其顆粒的大小為2-500 μ m ;優選5-10 μ m ;所述膠粘劑為聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的一種或兩種的混合物； (3)造型將干燥的模樣置于砂箱中，放置澆道，往砂箱中填砂進行造型，并在模樣上設置冒口 ； (4)澆注、落砂和清理往砂箱中澆注鐵水，冷卻后開箱落砂，對鑄件進行清理。
8.根據權利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述等溫淬火工藝如下加熱至1020 1080°C保溫10 30min ;然后在500 380°C等溫處理I 5h，水冷。
9.根據權利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述高頻淬火工藝如下溫度為900 1000°C，加熱速度為400 600°C /s ;加熱時間3 5s，同時加熱淬火，急速冷卻。
10.根據權利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述急速冷卻的冷卻速度在3000C /s 以上，優選 400 600°C /s。
全文摘要
本發明涉及一種低合金鋼。所述低合金鋼包括以下重量百分數的成分C0.55～1.24％；Si0.2～0.35％；Mn1.05～1.35％；Cr1.50～1.80％；Ni1.30～2.20％；Mo0.20～0.45％；Cu0.4～0.6％；Ti0.05～0.08，N≤0.015％；S，P均<0.005％，O≤25ppm，其余為Fe和不可避免的雜質。與現有技術相比，本發明提供的低合金鋼綜合性能良好，不僅具有較高的硬度，而且還具有較好的韌性和較高的疲勞強度；且鑄造性能好，鑄件成品率高，具有900MPa以上抗拉強度，洛氏硬度超過HRC58和良好塑韌性的優點。
文檔編號C21D1/18GK102864383SQ20121040699
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者羅紹康 申請人:寧波吉威熔模鑄造有限公司