一種CrNiMo高強度齒輪鋼及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種CrNiMo高強度齒輪鋼及其制備方法。所述齒輪鋼的化學成分質量百分比如下：C：0.19％～0.25％，Si 0.17％～0.37％，Mn：0.70％～1.00％，P≦0.030％，S≦0.030％，Cr：0.85％～1.25％，Ni：0.40％～0.70％，Mo：0.30％～0.40％，Al：0.015％～0.050％，H≤2.5×10-4％，N：30×10-4％～80×10-4％，T.O≤15×10-4％，余量為Fe及不可避免的雜質。本發明還提供上述齒輪鋼的制備方法。本發明鎳、鉬合金的加入改善材料的熱處理性能，保證了材料各項力學性能；增加了材料的淬透性能，滿足了大模數齒輪的性能要求。
【專利說明】一種CrNiMo高強度齒輪鋼及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種CrNiMo高強度齒輪鋼及其制備方法，屬于合金鋼類齒輪鋼冶煉

【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 齒輪鋼是汽車材料中用量較大，要求較高的關鍵材料之一，它不僅影響車輛壽命， 能耗等技術經濟指標，而且對于滿足安全、環保及舒適要求也至關重要。
[0003] 從80年代開始，我國有計劃地引進工業發達國家的各類先進車型，各類國外先進 中、重型載貨汽車也不斷引進。同時，我國各大汽車生產廠同國外著名汽車大公司進行合 作，引進國外先進汽車生產技術，其中包括汽車齒輪的生產技術。目前，我國齒輪鋼基本滿 足使用和引進技術過程國產化的要求，但對于重型車傳動齒輪及中重型車的后橋齒輪用鋼 來說，由于國內重型汽車的超載使用和路況較差問題，使齒輪經常承受較大的過載沖擊載 荷，往往造成齒輪早期失效。對于大功率變速箱齒輪，要求能承受大的應力，因而確保齒輪 在大應力下的疲勞壽命就成為最關鍵的問題。結合大功率變速箱齒輪的服役條件及失效形 式，主要應考慮如下的三種疲勞強度：即彎曲疲勞強度、沖擊疲勞強度和耐蝕疲勞強度，從 而使齒輪用材料得到強化。為提高三種疲勞強度則必須考慮化學成分的控制，特別是合金 元素的控制、純凈度、晶粒度、組織特性、淬透性和力學性能等。
[0004] 在結構鋼領域，淬透性是進行高質而又經濟地選材和成分設計時所首先考慮的問 題。從硬度上講，它是鋼淬火后硬化層深度的量度。鋼的力學性能，尤其是屈服強度和沖擊 韌性與淬透性密切相關，而大截面的結構部件熱處理時又很難完全淬透。因此，結構鋼的淬 透性問題歷來引起人們的高度重視。
[0005] 中國專利文件CN101096742A提供了一種汽車用高強度齒輪鋼，其成分質量百分 比為：C :0· 20-0. 40, Si :0· 20-0. 50, Mn :0· 50-1. 00, Cr :0· 80-1. 30, Nb:0· 015-0. 080, V: 0.030-0. 090，M〇:0. 15-0. 55, Al :0.015-0. 050,余為Fe及不可避免雜質。其主要通過加 入微量的Nb、V元素，改善齒輪鋼的晶粒度、淬透性及帶寬、增加齒輪鋼的綜合力學性能， 提高使用壽命，降低生產成本。CN101319294A公開了一種細晶粒滲碳齒輪鋼及其制備方 法，其成分（重量 ％ )為：C 0· 15-0. 25 %，Si = 0· 35 %，Mn 0· 60-0. 90 %，Cr 0· 80-1. 2 0% , P ^ 0. 015% , S ^ 0. 010% , NbO. 02-0. 08% , B 0. 005-0. 0035% , Mo 0. 15-0. 35% , Al 0. 02-0. 06%，TiO. 01-0. 04%，余為Fe及不可避免雜質。其主要通過添加 Nb、B、Ti達到 細化晶粒并提高齒輪鋼熱塑性作用，采用冷軋低于900°C的軋制生產工藝使鋼中彌散分布 的第二相顆粒與現有滲碳齒輪鋼20CrM 〇H相比滲碳晶粒提高，彎曲疲勞強度、接觸疲勞壽 命相應提高。中國專利文件CN1861830A涉及一種重載荷齒輪用鋼，其提供了一種高抗拉強 度、高沖擊功、滲碳淬火變形小、易加工的重載齒輪鋼，主要通過添加 Nb、Cr、Ni、Mo、V細化 晶粒并保證足夠的淬透性，添加 RE保證低[0]含量，確保重載時的疲勞強度、降低Si、Mn等 易氧化元素，以進一步提高滲碳和基本韌性。但是，上述CN101096742A、CN101319294A的齒 輪鋼均為Cr-Mo系齒輪鋼，前者通過Nb、V微合金化來實現齒輪鋼品質、性能的提高，后者主 要過添加 Nb、B、Ti元素并采用特定的軋制工藝提高齒輪鋼的性能，兩者雖然提高了齒輪鋼 的性能，但不利于成本的降低。而CN1861830A開發的重載齒輪鋼屬Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，通 過添加 Nb、V及RE來實現改善其性能的作用，同時提高了原材料的成本。


【發明內容】

[0006] 針對目前Cr-Mn-Ti系齒輪鋼（代表鋼種20CrMnTiH及其子鋼號）在生產和使用 過程中暴露出的淬透性控制不理想，末端淬透性波動大、淬透性偏低，不能滿足重載汽車及 大型軸齒類零件性能要求等問題，本發明提供一種CrNiMo高強度齒輪鋼及其制備方法。本 發明齒輪鋼具有淬透性高和穩定、帶窄，可滿足高強度，大模數齒輪的加工及使用要求。
[0007] 本發明的技術方案如下：
[0008] -種CrNiMo高強度齒輪鋼，化學成分質量百分比如下：
[0009] C :0· 19 % ?0· 25 %，Si 0· 17 % ?0· 37 %，Mn :0· 70 % ?I. 00 %，P 芻 0· 030 %， S 蘭 0. 030 %，Cr :0. 85 % ?1. 25 %，Ni :0. 40 % ?0. 70 %，Mo :0. 30 % ?0. 40 %，Al : 0· 015%?0· 050%，H 彡 2· 5Χ1(Γ4%，Ν :30Χ1(Γ4%?80ΧΚΓ4%，T. 0 彡 15ΧΚΓ4%，余量 為Fe及不可避免的雜質。
[0010] 根據本發明，優選的，所述CrNiMo高強度齒輪鋼，化學成分質量百分比如下：
[0011] C :0· 20%?0· 24%，Si 0· 20%?0· 30%，Mn :0· 90%?1. 00%，P 芻 0· 015%， S 芻 0· 015 %，Cr :1· 05 % ?L 20 %，Ni :0· 42 % ?0· 46 %，Mo :0· 30 % ?0· 35 %，Al : 0· 015%?0· 050%，H 彡 2· 5Χ1(Γ4%，Ν :30Χ1(Γ4%?80ΧΚΓ4%，T. 0 彡 15ΧΚΓ4%，余量 為Fe及不可避免的雜質。
[0012] 根據本發明，優選的，所述CrNiMo高強度齒輪鋼，化學成分質量百分比如下：
[0013] C ：0. 22%, Si 0. 20%, Mn ：0. 91%, P ^ 0. 015%, S^O. 015%, Cr ：1, 08%, Ni ： 0· 42%，Mo :0· 32%，A1 :0· 0208%，H 彡 2· 5Χ1(Γ4%，Ν :63· 8Χ1(Γ4%，Τ· 0 彡 15ΧΚΓ4%，余 量為Fe及不可避免的雜質。
[0014] 根據本發明，決定齒輪使用壽命的三大要素為：抗彎曲疲勞、抗接觸疲勞、齒輪的 嚙合精度。齒輪材料合金元素與淬透能力的構成是決定三大要素的先決條件。齒輪鋼通常 為滲碳鋼，碳含量為〇. 20?0. 24%。較低的碳含量能保證零件心部有良好的韌性。硅（Si): 在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼含有0. 20?0. 30%的硅。鉻、錳、鎳、 鑰的作用是增加鋼的淬透性。但鉻和鑰為碳化物形成元素，將促使面層碳含量增加，容易在 滲層組織中出現大量碳化物，使滲層性能惡化。故Cr含量控制1.05%?1.20%較佳。在 鎳使鋼滲碳后各種力學性能優越，但工藝性差，鍛坯滲碳后不能直接淬火，要經過再次加熱 淬火，工藝較復雜，且價格較貴。Ni控制在0. 42 %?0. 46 %較佳；滲碳熱處理工藝是決定齒 輪質量、使用性能和使用壽命的重要工序，它決定齒輪的表面、心部硬度和金相組織、熱處 理后的變形和齒輪工作時齒輪的接觸情況，鋼材化學成分的設計應使滲碳后表面到心部碳 分布平緩過度，淬火后滲碳層不出現增加脆性、使零件早期破壞的大塊碳化物或網狀碳化 物。硅會降低滲碳層深度和表面碳含量，且在滲碳層中增加形成氧化物是傾向；錳會增加滲 碳層中殘余奧氏體的數量，故錳控制在0. 90%?1. 00%較佳；鉻會增加面層中碳含量和殘 余奧氏體數量；鑰會增加面層碳含量并減小形成氧化物的傾向，鑰控制在〇. 30%?0. 35% 較佳；磷⑵：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，壞，降低塑性，使冷彎性 能變壞，P控制在P = 0.015% ;硫（S):硫在通常情況下也是有害元素，使鋼產生熱脆性， S S 0.015% ;鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，鋁 還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫 腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、切削加工性能，因此，鋁控制在〇. 015%? 0· 050 % 較佳。
[0015] 本發明上述CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，步驟如下：
[0016] (1)電爐冶煉
[0017] 低鎳生鐵和廢鋼配料，低鎳生鐵占配料質量的18?25%，鐵水加入質量為配料量 的40?55 %;在配料過程中加入石灰40?45kg/t鋼，白云石9?12kg/t鋼，在熔化早期噴 碳粉造泡沫渣，終點碳低于〇. 10%時，按上限隨出鋼流加入鋼芯鋁1. 5?2. 5kg/t鋼，鋼包 合金化時按照成分下限配入合金調整，合成渣用量18±2kg/t鋼，控制出鋼時PS 0.015%， 出鋼溫度1630?1680°C ;
[0018] ⑵精煉爐冶煉
[0019] 控制爐渣堿度 3. 0±0· 5,渣成分 CaO 50%?55%、Si025%?10%、Al2O3IO^? 15%、（FeO+MnOf 1.0%)，精煉過程保持白渣；在白渣下充分攪拌后，取一次樣全分析，取 一次樣前，喂入鋁線0. 5?I. 5m/t鋼，根據一次樣分析結果，按內控要求調整C、Si、Μη、 Cr、Mo、Ni等成分含量；LF精煉爐出鋼前，喂入鋁線調整控制鋼中全鋁含量目標在0. 030? 0. 060%，按照2. 0?4. Om/t鋼喂入硅鈣線或I. 0?2. 5m/t鋼喂入鈣線，白渣保持時間大 于 20min ;
[0020] (3) VD爐真空精煉
[0021] 真空度小于67Pa保持時間彡12分鐘，VD爐處理后軟吹氬時間彡15分鐘，VD爐軟 吹氬處理后控制上鋼溫度：連鑄第一爐1590?1610°C，第二爐起1570?1590°C ;
[0022] (4)連鑄
[0023] 中間包液面700±50mm，結晶器液面波動彡±2mm，中間包過熱度按15?30°C 目標控制，中間包第一爐溫度1540?1550°C，第二爐以后1525?1540°C ;拉速控制 180mmX 220mm 述型按照 0· 90 ?I. 35m/min 控制；260mmX 300mm 述型按照 0· 55 ?0· 70m/ min控制，鑄坯進拉矯機溫度彡920°C，入坑緩冷時間彡24小時，出坑溫度彡250°C ;
[0024] (5)軋制
[0025] 預熱段溫度500?850°C，加熱段溫度1200?1270°C，均熱段溫度1200?1250°C; 冷坯加熱時間彡2. 5h，熱坯加熱時間彡2. 0h，開軋溫度彡IKKTC，終軋溫度彡850°C。
[0026] 根據本發明，優選的，步驟（1)中低鎳生鐵中鎳含量為1. 6?2. Owt%。為保障低 鎳生鐵電爐冶煉的經濟型，優化配料結構、提高低鎳生鐵加入量，采用固體配料模式；低鎳 生鐵按鋼種鎳元素規格中下限配入，鎳收得率以100 %計算。
[0027] 根據本發明，優選的，步驟（3)中真空度小于67Pa保持時間12?15分鐘，VD爐 處理后軟吹氦時間15?20分鐘。
[0028] 根據本發明，優選的，步驟（4)中，拉速控制180mmX220mm坯型按照I. 10±0. 02m/ min控制，260_X 300mm述型按照0. 62±0. 02m/min控制，鑄述進拉矯機溫度920? 1020°C，入坑緩冷時間25?30小時。
[0029] 根據本發明，優選的，步驟（5)中冷坯加熱時間3?5h，熱坯加熱時間2. 0?4h， 開軋溫度1120?1150°C，終軋溫度900?960°C。
[0030] 本發明的有益效果如下：
[0031] 1、本發明鎳、鑰合金的加入改善材料的熱處理性能，保證了材料的各項力學性能， 同時增加了材料的淬透性能，滿足了大模數齒輪的性能要求。
[0032] 2、本發明齒輪鋼低倍組織好，夾雜物級別低，氣體含量低，晶粒細小，組織致密，帶 狀組織級別低，末端淬透性和穩定性明顯提高。改善了材料的工藝加工性能及熱處理。
[0033] 3、堿度是保證爐渣脫磷脫硫能力的重要因素。但并不是堿度越高越好，而是有一 個最佳的堿度范圍。因吹煉前期爐溫低，如爐渣堿度過高，渣子發粘脫磷反應不能有效進 行；到后期爐溫高可以造堿度較高的渣，但過高會增加石灰消耗和熱損失，而爐渣脫磷硫 能力提高并不多，終渣堿度不能過小，否則影響磷硫的脫除且加劇爐渣對爐襯的侵蝕。本 發明經過大量實驗確定爐渣終渣堿度控制在3. 0?3. 2范圍內，渣成分CaO 50%?55%、 51025%?10%、八120310%?15%、$60+]?110蘭1.0%)，滿足鋼材純凈度的要求，滿足該鋼 高淬透性的要求，同時降低成本。
[0034] 4、本發明合理的配料結構，保證了鎳含量，同時降低了原材物料的成本，增加了鋼 材的效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明實施例1制得的齒輪鋼熱軋狀態金相組織照片100X。
[0036] 圖2為本發明實施例1制得的齒輪鋼熱軋狀態金相組織照片500X。

【具體實施方式】
[0037] 下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。
[0038] 實施例1
[0039] 以下的實施例用于闡述本發明，但本發明的保護范圍并不限于以下實施例。
[0040] 生產工藝流程為：配料一電弧爐冶煉一LF精煉爐精煉一VD真空精煉爐精煉一大 方坯連鑄一半連軋軋機軋制。
[0041] 為保障低鎳生鐵電爐冶煉的經濟型，優化配料結構、提高低鎳生鐵加入量，采用固 體配料模式；低鎳生鐵按鋼種鎳元素規格中下限配入，鎳收得率以100%計算。裝料布置低 鎳生鐵布在大料周圍并且靠近料框底部但要避開爐門防止熔化時噴濺。
[0042] 試驗生產4爐次，分別編號1#、2#、3#和4#。
[0043] (1)電弧爐冶煉
[0044] 爐料結構為廢鋼+低鎳生鐵（鎳質量含量為1. 6?2. 0% ) +鐵水，鐵水比例大于 40% ;4支爐壁氧槍吹氧脫碳為主，1支爐門氧槍吹氧脫碳為輔；與吹氧相結合，噴吹碳粉造 泡沫渣；配加40?45 kg /t石灰造渣脫磷；鋼包內渣料加入量18±2 kg /t。按爐次，主要 控制工藝參數列于表1。
[0045] 表1電弧爐冶煉主要工藝參數
[0046]

【權利要求】
1. 一種CrNiMo高強度齒輪鋼，其特征在于，化學成分質量百分比如下： C :0? 19 % ?0? 25 %，Si 0? 17 % ?0? 37 %，Mn :0? 70 % ?1. 00 %，P 芻 0? 030 %， S 蘭 0. 030 %，Cr :0. 85 % ?1. 25 %，Ni :0. 40 % ?0. 70 %，Mo :0. 30 % ?0. 40 %，A1 : 0? 015%?0? 050%，H 彡 2. 5X1(T4%，N :30X1(T4%?80XKT4%，T. 0 彡 15XKT4%，余量 為Fe及不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述的CrNiMo高強度齒輪鋼，其特征在于，化學成分質量百分比如 下： C :0? 20 % ?0? 24 %，Si 0? 20 % ?0? 30 %，Mn :0? 90 % ?1. 00 %，P 芻 0? 015 %， S 芻 0? 015 %，Cr :1. 05 % ?1. 20 %，Ni :0? 42 % ?0? 46 %，Mo :0? 30 % ?0? 35 %，A1 : 0? 015%?0? 050%，H 彡 2. 5X1(T4%，N :30X1(T4%?80XKT4%，T. 0 彡 15XKT4%，余量 為Fe及不可避免的雜質。
3. 根據權利要求1所述的CrNiMo高強度齒輪鋼，其特征在于，化學成分質量百分比如 下： C ：0. 22%, Si 0. 20%,Mn ：0. 91%,P ^ 0. 015%,S ^ 0. 015%,Cr ：1. 08%,Ni ：0. 42%, 1〇:0.32%，六1:0.0208%，11彡2.5\10-4%州：63.8\10 -4%，1'.0彡15\10-4%，余量為卩6 及不可避免的雜質。
4. 一種權利要求1-3任一項所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，步驟如下： (1) 電爐冶煉 低鎳生鐵和廢鋼配料，低鎳生鐵占配料質量的18?25%，鐵水加入質量為配料量的 40?55% ;在配料過程中加入石灰40?45kg/t鋼，白云石9?12kg/t鋼，在熔化早期噴 碳粉造泡沫渣，終點碳低于〇. 10%時，按上限隨出鋼流加入鋼芯鋁1. 5?2. 5kg/t鋼，鋼包 合金化時按照成分下限配入合金調整，合成渣用量18±2kg/t鋼，控制出鋼時0.015%， 出鋼溫度1630?1680°C ; (2) 精煉爐冶煉 控制爐渣堿度 3. 0±0. 5,渣成分 CaO 50%?55%、Si025%?10%、A120310%?15%、 (FeO+MnO = 1. 0% )，精煉過程保持白渣；在白渣下充分攪拌后，取一次樣全分析，取一次樣 前，喂入鋁線0. 5?1. 5m/t鋼，根據一次樣分析結果，按內控要求調整C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni 等成分含量；LF精煉爐出鋼前，喂入鋁線調整控制鋼中全鋁含量目標在0. 030?0. 060%， 按照2. 0?4. 0m/t鋼喂入硅鈣線或1. 0?2. 5m/t鋼喂入鈣線，白渣保持時間大于20min ; (3) VD爐真空精煉 真空度小于67Pa保持時間> 12分鐘，VD爐處理后軟吹氬時間> 15分鐘，VD爐軟吹氬 處理后控制上鋼溫度：連鑄第一爐1590?1610°C，第二爐起1570?1590°C ; (4) 連鑄 中間包液面700±50mm，結晶器液面波動彡±2mm，中間包過熱度按15?30°C目標控 制，中間包第一爐溫度1540?1550°C，第二爐以后1525?1540°C;拉速控制180mmX220mm 述型按照〇? 90?1. 35m/min控制；260mmX 300mm述型按照0? 55?0? 70m/min控制，鑄述 進拉矯機溫度彡920°C，入坑緩冷時間彡24小時，出坑溫度彡250°C ; (5) 軋制 預熱段溫度500?850°C，加熱段溫度1200?1270°C，均熱段溫度1200?1250°C ;冷 坯加熱時間彡2. 5h，熱坯加熱時間彡2. Oh，開軋溫度彡1100°C，終軋溫度彡850°C。
5. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1)中 低鎳生鐵中鎳質量含量為1. 6?2. 0%。
6. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（3)中 真空度小于67Pa保持時間12?15分鐘。
7. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（3)中 VD爐處理后軟吹氬時間15?20分鐘。
8. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（4) 中，拉速控制180mmX 220mm述型按照1. 10±0. 02m/min控制，260mmX 300mm述型按照 0. 62±0. 02m/min 控制。
9. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（4)中， 鑄坯進拉矯機溫度920?1020°C，入坑緩冷時間25?30小時。
10. 根據權利要求4所述的CrNiMo高強度齒輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5)中 冷坯加熱時間3?5h，熱坯加熱時間2. 0?4h，開軋溫度1120?1150°C，終軋溫度900? 960。。。
【文檔編號】C22C38/44GK104372258SQ201410563372
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】翟正龍, 鄭桂蕓, 刁峰, 歐陽崢容, 裴建華, 李泰 , 許倩, 盧棟, 于輝 申請人:山東鋼鐵股份有限公司