專利名稱：一種高溫真空滲碳齒輪用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種高溫真空滲碳齒輪用鋼，高溫真空滲碳前后鋼材的晶粒度保持在7. 0 8. 0級(jí)，淬透性J5mm穩(wěn)定控制在32HRC 42HRC，鋼材組織穩(wěn)定，性能穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境污染和能源枯竭的日益加劇，環(huán)保、節(jié)能、高性能、高效率的高溫真空滲碳技術(shù)成為近年國(guó)際熱處理技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的主要方向。目前國(guó)內(nèi)外常用的氣體滲碳溫度一般不高于930°C，而高溫真空滲碳由于其處理環(huán)境無(wú)氧，因此其滲碳溫度可高達(dá)980°C甚至1000°C以上。根據(jù)滲碳原理計(jì)算，滲碳溫度提高53°C左右，滲碳時(shí)間可以縮短50%左右。 因此如果把滲碳溫度提高到980°C，可以使?jié)B碳時(shí)間縮短為原來(lái)的50%。高溫真空滲碳技術(shù)以其自身的優(yōu)勢(shì)逐漸成為替代氣體滲碳技術(shù)的必然選擇。從二十世紀(jì)九十年代開始，高溫真空滲碳技術(shù)在歐洲和日本開始實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。 然而，到目前為止，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了高溫真空滲碳成套設(shè)備， 并且由于缺乏配套的高溫真空滲碳用齒輪鋼種，致使該設(shè)備當(dāng)作普通滲碳設(shè)備使用，造成企業(yè)與社會(huì)資源浪費(fèi)。因此，高溫真空滲碳齒輪鋼的開發(fā)研究迫在眉睫。高溫真空滲碳齒輪鋼的主要技術(shù)難題是在提高滲碳溫度后齒輪鋼的奧氏體晶粒出現(xiàn)混晶和晶粒粗大現(xiàn)象，從而影響齒輪的強(qiáng)度和精度，使齒輪無(wú)法使用而報(bào)廢。為保證高溫真空滲碳齒輪的性能要求，一般要求奧氏體晶粒度為5. 0-8. 0級(jí)。為獲得所要求的晶粒度，人們通常采用的方法是控制A1、N含量，或者添加Nb、Ti、V等元素，形成Al、Nb、Ti、V的碳、氮化合物微粒釘扎鋼材的奧氏體晶界，阻礙奧氏體晶粒在加溫過(guò)程中異常長(zhǎng)大，從而提高齒輪鋼奧氏體晶粒粗化溫度，保證齒輪經(jīng)過(guò)高溫真空滲碳處理后其組織和性能符合齒輪的使用要求。另一方面，為保證齒輪的淬火強(qiáng)度，通常對(duì)齒輪鋼的淬透性提出要求。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明齒輪齒根(對(duì)應(yīng)J5mm)處的淬火硬度為32-42HRC時(shí)，齒輪的疲勞壽命達(dá)到最佳水平?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，添加Nb等微合金元素使齒輪鋼經(jīng)過(guò)常溫滲碳淬火后的晶粒度提高到10級(jí)以上，這樣可以大幅度提高齒輪鋼的疲勞強(qiáng)度。但按照SAE J406標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度每升高1級(jí)，淬透性降低8%，因此不利于齒輪鋼的淬透性控制和強(qiáng)度提高。此外，加入Nb元素會(huì)使鋼材的熱加工性能變差，同時(shí)不可避免的會(huì)提高齒輪的加工成本。Ti元素也是齒輪鋼常見的控制晶粒度的微合金元素。Ti能與碳、氮形成TiN和 TiC起到釘扎晶界、抑制奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大的效果。但是，Ti含量過(guò)高容易形成粗大的 TiN夾雜，且TiN夾雜形狀尖銳，嚴(yán)重影響齒輪鋼的疲勞強(qiáng)度等性能。V元素的作用與Ti元素相近，但是由于V(CN)析出物的固溶溫度較低，因此，V元素在高溫滲碳條件下，對(duì)抑制齒輪鋼高溫奧氏體晶粒粗化的作用不如Nb和Ti元素明顯。中國(guó)專利CN10131^94A采用降低20CrMoH的終軋溫度至900°C，同時(shí)添加Nb等微合金元素使晶粒度提高到10級(jí)以上，從而使鋼材的接觸疲勞性能提高30%以上，彎曲疲勞強(qiáng)度提高15%以上。由于晶粒度過(guò)細(xì)，該專利通過(guò)加入B來(lái)提高其淬透性。已有的研究已經(jīng)表明，B是對(duì)淬透性非常敏感的元素，B含量的微小變化會(huì)引起淬透性較大的波動(dòng)，因此齒輪鋼中加入B元素不利于齒輪鋼淬透性帶寬的窄幅控制。中國(guó)專利CN101603151A通過(guò)增加Nb元素降低了 Ti含量，解決了由于Ti夾雜多而引起的接觸疲勞壽命問(wèn)題，但是，Nb元素的加入也提高了齒輪鋼材的生產(chǎn)成本。中國(guó)專利CN101275204A公開了了一種CrMnTi齒輪鋼，Ti含量控制在 0. 010% -0. 038%，仍然具有較高的Ti元素含量，出現(xiàn)夾雜的可能性仍然較大，不利于鋼材的組織和性能。中國(guó)專利CN101096742A公開了一種高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼，鋼中復(fù)合加入了 Nb、V、 Al等合金元素，細(xì)化了原始奧氏體晶粒。但是，Nb、V的復(fù)合添加也提高了鋼材的生產(chǎn)成本。綜上所述，合金元素含量過(guò)低，不能達(dá)到鋼材設(shè)計(jì)目的，無(wú)法滿足用戶的工況要求，合金元素含量過(guò)高，使某些性能指標(biāo)過(guò)剩，提高了鋼材成本，浪費(fèi)了有限資源。因此應(yīng)該在保證性能的前提下，盡量降低鋼材中合金元素的種類和數(shù)量，提高鋼材的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種保證淬透性、低成本的高溫真空滲碳齒輪用鋼。根據(jù)齒輪滲碳后對(duì)表面硬度和心部韌性的綜合要求，本發(fā)明鋼采用微合金化的方式，控制齒輪鋼高溫真空滲碳過(guò)程中奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大，使鋼材晶粒度嚴(yán)格控制在7. 0-8. 0級(jí)，保證淬透性J5mm穩(wěn)定控制在32HRC-42HRC，滿足普通齒輪鋼的各項(xiàng)性能要求。本發(fā)明具有合金元素簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝控制穩(wěn)定可靠，可用于高溫真空滲碳，大幅縮短滲碳時(shí)間，環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高溫真空滲碳齒輪用鋼，其重量百分比為，C :0. 10 0.30%，Si :0. 15 0.25%, Mn 0. 60 0. 90 %，P 彡 0. 025，S :0. 010 0. 020 %, Cr :0. 85 1. 25 %，Al 0. 033 0. 055%, N 0. 0160 0. 0300%, Ti 0. 001 0. 009%,
^ 0. 0020%，其余為
Fe以及不可避免雜質(zhì)；其中，A1/N質(zhì)量摩爾濃度比控制在0. 60 1.80范圍內(nèi)。在本發(fā)明鋼成分設(shè)計(jì)中，C是保證齒輪鋼使用強(qiáng)度所必需的成分。齒輪鋼需要表面強(qiáng)度的同時(shí)也需要足夠的心部沖擊韌性，同時(shí)，C是影響鋼的淬透性最主要的元素之一。C含量太低齒輪鋼強(qiáng)度不夠，且不能保證良好的淬透性要求，太高不能滿足齒輪心部韌性的需求。因此，本發(fā)明確定 C含量為0. 10 0. 30%。Mn是脫氧和脫硫的有效元素，同時(shí)也是影響鋼的淬透性的元素之一。在冶煉時(shí)加入可以起到脫氧和脫硫的作用。Mn含量小于0. 5%時(shí)脫氧和脫硫的作用較小，大于1. 0%以后淬透性不好控制，同時(shí)熱塑性變差，影響生產(chǎn)。同時(shí)，Mn能溶于鐵素體，起到固溶強(qiáng)化的作用。因此，本發(fā)明確定Mn含量為0.60 0.90%。Cr可以顯著提高鋼的淬透性以及強(qiáng)度、耐磨性等性能。另外，Cr降低了 C的活度， 可以防止加熱、軋制和熱處理過(guò)程中的脫碳，但是過(guò)高的Cr會(huì)明顯降低淬火及回火鋼材的韌性。因此，本發(fā)明中Cr含量確定為0.85 1.25%Al、Ti、N是主要的細(xì)化晶粒元素，本發(fā)明的積極效果就是控制齒輪鋼中Al、Ti、N的含量以及(Al，Ti)/N比。在冶煉初期，Al主要作為脫氧劑添加形成Al2O3夾雜上浮，進(jìn)入到渣系。為細(xì)化晶粒必須在鋼中有一定體積分?jǐn)?shù)的AlN粒子，某些資料認(rèn)為AlN粒子數(shù)大于IO7個(gè)/mm2，能穩(wěn)定細(xì)化晶粒。為此，首先必須確保鋼中有合適的鋁、氮含量，同時(shí)保證鋼中A1/N的原子數(shù)量比，避免某種元素的過(guò)多或過(guò)少影響性能。VD真空處理畢喂Al絲，在低氧條件下此時(shí)的Al主要作為合金元素起微合金化的作用。Al與鋼中的N結(jié)合形成AlN 相，在奧氏體晶界處起到釘扎晶界抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。但是，如果Al過(guò)量或者Al/ N比配合不好，容易在鋼材中形成夾雜影響鋼材質(zhì)量。過(guò)量的Al形成Al2O3夾雜難以去除， 同時(shí)Al2O3和CaS等容易吸附在中間包水口“結(jié)瘤”，造成鋼水可澆性差。而且AlN粒子的半徑增大，會(huì)形成針狀?yuàn)A雜物。AlN的另一形成元素N采用合金的添加方式，但過(guò)量的N會(huì)造成氣體含量高，易形成皮下氣泡，影響鋼材質(zhì)量。所以應(yīng)具有合適的A1、N含量和A1/N質(zhì)量摩爾濃度比。另一方面，由于鋼中的部分Al是以氧化物或者其他形式存在，不能與加入的 N有效的結(jié)合。因此，本發(fā)明通過(guò)添加微量的Ti，與多余的N元素形成TiN析出物從而在高溫階段抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。但是，如果Ti含量過(guò)高的話，鋼中容易形成粗大的TiN夾雜， 影響齒輪鋼的疲勞強(qiáng)度等性能。另一方面，細(xì)小的奧氏體晶粒其晶界總面積相對(duì)說(shuō)來(lái)比較多，這有利于珠光體的形核，促進(jìn)其轉(zhuǎn)變，使珠光體轉(zhuǎn)變線左移，從而降低了鋼材的淬透性。 因此，綜合考慮淬透性和晶粒細(xì)化的效果，本發(fā)明確定Al含量為0. 033 0. 055%, N含量為 0. 0160 0. 0300%, Ti 含量為 0. 001-0. 009%。本發(fā)明可采用電弧爐或感應(yīng)爐冶煉，并可再經(jīng)過(guò)真空脫氣處理，然后澆鑄成鋼錠或者連鑄成坯，經(jīng)開坯后鍛造或者軋制成棒材產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明齒輪鋼中控制了 Al、N元素的含量，并且嚴(yán)格控制A1/N質(zhì)量摩爾濃度比在 0. 60 1. 80范圍內(nèi)，同時(shí)加入適量Ti元素，保證齒輪鋼中形成AlN及TiN相，阻礙奧氏體晶粒的異常長(zhǎng)大，提高了齒輪鋼的奧氏體晶粒粗化溫度，使該齒輪鋼在1000°c真空滲碳4 小時(shí)后晶粒度穩(wěn)定保持在7. 0-8. 0級(jí)，各項(xiàng)性能達(dá)到齒輪鋼的使用性能指標(biāo)。由于嚴(yán)格控制微合金元素的含量，避免了鋼材中出現(xiàn)夾雜，保證了鋼材穩(wěn)定的生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也降低了鋼材的生產(chǎn)成本。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明微合金化元素簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，通過(guò)控制A1、N元素含量以及Al/ N比同時(shí)配合微量Ti元素的作用就能將該齒輪鋼用于高溫真空滲碳工藝。本發(fā)明的應(yīng)用將極大的縮短齒輪的滲碳時(shí)間，降低齒輪生產(chǎn)成本，減少(X)2排放，符合環(huán)保、節(jié)能、省資源的時(shí)代需求，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖1為對(duì)比鋼1的氣體滲碳熱處理?xiàng)l件。圖2為本發(fā)明鋼及對(duì)比鋼2的真空滲碳熱處理?xiàng)l件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例為根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在50kg真空感應(yīng)爐上冶煉，對(duì)比鋼1、2采用工業(yè)電爐+爐外精煉+真空脫氣工藝冶煉的，其具體化學(xué)成分參見表2。本發(fā)明鋼鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造開坯，最終鍛造成Φ65mm棒料，終鍛溫度不低于1050°C。對(duì)比鋼冶煉后連鑄成方坯，在終軋溫度不低于950°C條件下連軋成Φ65πιπι的棒材。將發(fā)明鋼和對(duì)比鋼進(jìn)行模擬滲碳淬火試驗(yàn)，模擬滲碳淬火工藝為分別在930°C、 950°C、980°C、100(TC保溫4小時(shí)，再進(jìn)行水淬，然后取樣觀察其組織，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E112 評(píng)定其奧氏體晶粒度，其結(jié)果見表3。本發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)以上四種溫度模擬滲碳后，其奧氏體晶粒度都維持在7. 0-8. 0級(jí)范圍內(nèi)，沒有觀察到混晶、晶粒異常粗大等現(xiàn)象。對(duì)比鋼1在950°C 模擬滲碳淬火后觀察到了混晶現(xiàn)象，繼續(xù)提高對(duì)比鋼1的模擬滲碳溫度后，奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大嚴(yán)重，其主要原因是該對(duì)比鋼的A1/N質(zhì)量摩爾濃度比為5. 77，超出0. 60 1. 80范圍，且A1、N含量過(guò)低，從而導(dǎo)致鋼中的AlN相的質(zhì)量摩爾濃度過(guò)低，不能有效起到釘扎晶界抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。對(duì)比鋼2盡管在模擬滲碳淬火后晶粒細(xì)小，但淬透性下降，對(duì)齒輪后期的熱處理過(guò)程控制不利。此外，本發(fā)明鋼和對(duì)比鋼種2經(jīng)過(guò)了真空滲碳，對(duì)比鋼種1經(jīng)過(guò)了傳統(tǒng)氣體滲碳熱處理后，滲碳試樣材進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測(cè)試，其滲碳處理?xiàng)l件如圖1、圖2所示； 0. 35% C滲碳層深度及疲勞性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明(1)在0. 35 % C滲碳層深度為0. 8mm的前提下，本發(fā)明鋼的真空滲碳溫度為 1000°C，滲碳熱處理時(shí)間為185分鐘，對(duì)比鋼1的傳統(tǒng)氣體滲碳溫度為930°C，滲碳時(shí)間為 310分鐘。本發(fā)明鋼的滲碳溫度提高了 70°C，滲碳熱處理時(shí)間縮短了 40%。其主要原因就是本發(fā)明鋼通過(guò)嚴(yán)格控制Al、Ti、N的含量，并將A1/N質(zhì)量摩爾濃度比控制在0. 60-1. 80范圍內(nèi)，在鋼中獲得適量的AlN和TiN相，有效的起到釘扎晶界抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用， 從而能夠滿足真空滲碳工藝所要求的高溫滲碳晶粒不粗大的要求。(2)本發(fā)明鋼經(jīng)真空滲碳熱處理后，其彎曲疲勞性能與經(jīng)傳統(tǒng)氣體滲碳熱處理后的對(duì)比鋼1相當(dāng)，滿足齒輪鋼的使用要求。對(duì)比鋼2盡管疲勞性能較好，但卻消耗了貴重元素Nb，經(jīng)濟(jì)性差。
權(quán)利要求
1. 一種高溫真空滲碳齒輪用鋼，其化學(xué)重量百分比為c :0. 10 0. 30%，Si 0. 15 0.25%, Mn 0. 60 0. 90 %，P 彡 0. 025，S :0. 010 0. 020 %, Cr :0. 85 1. 25 %，Al 0. 033 0. 055%, N 0. 0160 0. 0300%, Ti 0. 001 0. 009%,
^ 0. 0020%，其余為狗及不可避免雜質(zhì)；其中，A1/N質(zhì)量摩爾濃度比控制在0. 60 1.80范圍內(nèi)。
全文摘要
一種高溫真空滲碳齒輪用鋼，其重量百分比為，C0.10～0.30％，Si0.15～0.25％，Mn0.60～0.90％，P≤0.025，S0.010～0.020％，Cr0.85～1.25％，Al0.033～0.055％，N0.0160～0.0300％，Ti0.001～0.009％，[O]≤0.0020％，其余為Fe以及不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明采用微合金化方式，控制齒輪鋼高溫真空滲碳過(guò)程中奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大，使鋼材晶粒度嚴(yán)格控制在7.0-8.0級(jí)，保證淬透性J5mm穩(wěn)定控制在32HRC-42HRC，滿足普通齒輪鋼的各項(xiàng)性能要求。本發(fā)明具有合金元素簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝控制穩(wěn)定可靠，可用于高溫真空滲碳，大幅縮短滲碳時(shí)間，環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C38/28GK102560255SQ201210022018
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者丁毅, 安金敏, 覃明 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司