一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼及其制備方法

專利名稱：：一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼及其制備方法
技術領域：
：本發明屬于冶金
技術領域：
，涉及一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼，還涉及該種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼的熔煉、鍛造、熱處理等制備和工藝方法。
背景技術：
：自易切削鋼問世以來，至今已有80多年的歷史，其發展的速度非常驚人。目前全世界每年約有500萬噸易切削鋼的消耗量，大部分都消耗在發達國家，而其中的一半以上是由美國和日本生產的。我國從50年代就開始生產易切削鋼，產量由每年幾千噸增加到現在的每年十幾萬噸。但無論從數量和品種上都與國外存在較大差距，因此每年都要從國外進口大量的易切鋼材料，進口的成本很高。現在的泥漿泵重載齒輪主要使用含鉛易切鋼材料，對易切鋼材料的主要技術要求是齒面硬度達到HB270~320。國內曾經開發了一種含鉛易切鋼，滿足了對材料切削性能和力學性能方面的要求，然而該種含鉛易切鋼在煉鋼、鍛造和機械加工中均表現出毒性，對生產人員的健康直接構成了威脅，最終使該含鉛易削鋼的生產研發被迫停止。繼而齒輪用鋼又改用42CrMoT材料，如果完全按照圖紙的機械性能要求，則切削加工難度很大，生產效率降低，為此只好降低齒面硬度(一般為HB180220)，這又導致了齒輪的早期點蝕，嚴重時會導致齒輪報廢。因此選用42CrMoT調質鋼生產泥漿泵齒輪也不適應現代生產實際使用的要求，迫切需要一種切削加工性能良好，又能滿足力學性能要求的新鋼種。
發明內容本發明的目的是幵發一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼，解決現有的無鉛易切鋼切削加工難度大，齒輪的早期點蝕嚴重的問題，達到使該種無鉛易切鋼具有良好的切削性能和熱加工性能。本發明的另一目的是提供上述無鉛易切鋼的熔煉、鍛造、熱處理的制備工藝方法。本發明采用的技術方案是，一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼，按質量百分比由以下組分組成C為0.320.38%、Si為0.200.40%、Mn為1.001.30%、Mo為0.250.35%、Cr為0.91.1%、S為0.080.10%、B為0.0010.005%、Re為0.040.08%、Ti為0.010.03%，其余為Fe。本發明采用的另一個技術方案是，一種制備上述無鉛易切鋼的方法，該方法按以下步驟進行步驟l:熔煉工藝，采用相應爐料和元素燒損率進行配料計算，稱取各組分鐵合金的質量，稀土、硼元素以稀土硅鐵和硼鐵的形式，在出鋼前直接加入爐內鋼液中，在添加稀土處理鋼液時要強烈攪拌，隨即出鋼，出鋼溫度控制在1630°C±10°C，澆注溫度控制在1580aC±10°C，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液不外露；步驟2:鍛造工藝，對步驟1所得到的鋼錠進行鍛比《6的鍛造加工，開鍛溫度為1150°C1200°C，終鍛溫度為870°C900°C，加熱方式為空氣爐加熱；步驟3:熱處理工藝，對步驟2所鍛后得到的鋼錠，保持淬火溫度為850士20。C油淬，回火溫度為560±20°C，既得。所述的步驟l中，硫元素的加入方式采用爐中增S，并以硫化亞鐵的形式加入。本發明的有益效果是，使本發明的無鉛易切鋼具有良好的切削性能和熱加工性能，解決了現有的無鉛易切鋼切削加工難度大，齒輪的早期點蝕嚴重的問題。圖1是本發明的無鉛易切鋼鑄態和鍛態的夾雜物形貌圖，其中，a是鑄態夾雜物形態圖，b是鍛態夾雜物形態圖2是本發明的無鉛易切鋼拉伸和沖擊斷口形貌圖，其中，a是拉伸試樣斷口形貌圖，b是沖擊試樣斷口形貌圖3是本發明的無鉛易切鋼與42CrMo鋼主切削力Fz與切削速度V的關系比較圖4是本發明的無鉛易切鋼與42CrMo鋼切削溫度T與切削速度V的關系圖5是本發明的無鉛易切鋼的熱處理組織形貌圖，其中a為鋼的退火組織形貌圖，b為淬火組織形貌圖，c為調質組織形貌圖6是本發明的無鉛易切鋼的回火溫度對硬度的影響圖7是本發明的無鉛易切鋼的實施例橫向沖擊斷口組織圖，其中，a是試樣橫向斷口的低倍掃描照片組織圖，b是為試樣斷口的剪切唇區組織圖，c是韌窩狀斷口組織圖，d是韌窩狀斷口組織圖8是本發明的無鉛易切鋼的實施例縱向沖擊斷口組織圖，其中，a是試樣斷口低倍掃描照片組織圖，b是試樣斷口在靠近缺口部位為脆性斷口組織圖，c是試樣在遠離缺口部位出現韌性斷口組織圖，d是試樣在遠離缺口部位出現韌性斷口組織圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。本發明的無鉛易切鋼遵從以42CrMo鋼為對比鋼種、適當提高鋼中的硫含量以改善切削性能、添加稀土、鈦元素對夾雜物進行改性處理、并微調碳、錳含量和添加硼元素改善熱加工性能的思想，采用真空爐煉鋼、空氣中頻爐煉鋼、鍛造、熱處理、切削性能和機械性能測試等研究步驟，優選出切削性能、機械性能和熱加工性能良好的新鋼種—--無鉛35CrMnMoRS易切鋼(以下簡稱無鉛易切鋼)，再通過工廠電弧爐進行生產性煉鋼、鍛造、熱處理和齒輪切削加工試驗。本發明的無鉛易切鋼的具體成分見表1。在鋼液中添加的成分由基礎成分和易切成分兩部分組成。添加的基礎成分保證鋼的強度和熱加工性能，添加的易切成分保證鋼的易切性能。表1本發明的無鉛易切鋼添加的組成成分含量成份CSiMnMoCrSBReTi含量0.320.201.000.250.90.080.0010.040.01%0.380.401.300.351.10.100.0050.080.03(注本表為各添加的元素，其余為Fe)本發明的無鉛易切鋼的基礎成分與作用分析如下碳保證強度、硬度與塑性、韌性的良好配合的關鍵元素。本發明的無鉛易切鋼成份設計中，依然采用中碳調質鋼。國家標準中42CrMo鋼中的碳含量C:0.38%0.45%，由于本發明的無鉛易切鋼中的合金元素的含量比基礎鋼高，提高了強度。因此，可適當降低本發明的無鉛易切鋼的碳含量，一方面可以減少鋼錠鍛造時的難度，改善合金鋼的韌性，確定的碳含量占總質量為0.32%0.38%。錳錳元素不但可以提高鋼的強韌性，而且提高硫系易切鋼的切削性能。從鋼強韌化角度考慮，錳和鐵形成固熔體組織，提高鋼中鐵素體的硬度和強度。錳又是碳化物形成元素，形成合金滲碳體提高鋼的強度。錳降低珠光體臨界轉變溫度，起到細化珠光體組織的作用，提高珠光體強度。從切削性能角度考慮，錳元素與硫系易切鋼中硫生成硫化錳夾雜物，改善鋼的切削性能。本發明鋼種是用于制造重載齒輪，要求淬透性高于42CrMo鋼或與42CrMo鋼持平，增加錳的含量還可以增加鋼的淬透性。錳元素在鋼中以強化鐵素體、增加淬透性和易切削元素加入，錳含量占總質量確定為1.00%1.30%。鉻鉻元素主要作為強化鐵素體元素加入，對鋼種的切削性能影響不明顯，故保持原鋼種42CrMo中的Cr含量，Cr含量占總質量確定為0.9%1.1%。鉬鉬元素不僅可以提高鋼的淬透性，而且還可以消除或降低材料因錳含量過高引起的晶粒粗大和回火脆性敏感等不良影響。其含量占總質量定為0.25%0.35%。硼微量硼對鋼的淬透性又有顯著的作用，用價格低廉的硼替代部分鉬、鉻等價格昂貴的元素，達到降低成本、節約合金元素兩個目的。硼的突出作用是微量的硼可以成倍增加鋼的淬透性。當硼的加入量為0.0025%時，其效果最好，硼含量過高對淬透性不再影響，故在設計中將其含量占總質量定為0.001%0.005%。硅一方面加入硅元素可以提高固熔體的強度，增加鋼的淬透性；另一方面，硅是一種脫氧元素，在鋼中常伴隨有Si02、硅酸鹽夾雜物生成，這類夾雜物一般具有高的熔點和高的硬度，在刀具切削過程中加劇刀具磨損。由于煉鋼中加入的爐料均含有較高的硅含量，特別是要加入稀土硅鐵時，不可避免的引入硅元素，將硅的含量占總質量限定為0.20%0.40%。本發明的無鉛易切鋼中易切削元素成分與作用分析如下-硫硫元素是最常用的易切削元素，無毒。以切削性能為主的硫及硫復合系易切削鋼，硫含量在0.20°%0.40%之間；以力學性能為主、切削性能為輔的易切削鋼，硫含量在0.04%0.07%;重要結構件硫含量可選0.08%0.13%。為了保證鋼的力學性能，將其硫含量占總質量定為0.08%0.10%。鈦硫系易切削鋼中加入微量的鈦元素，可以進一步提高鋼的切削性能。鈦系易切削鋼是一種新型易切削鋼，由于鈦細化了晶粒，并增加了淬透性，在改善不銹鋼的切削性能方面效果顯著。其缺點是低速切削性不佳。本發明采用Re—S、Ti一S系易切鋼能改善鋼的力學性能和切削性能的思想，加入微量鈦元素，其含量占總質量為0.01%0.03%。Re:鋼中加入稀土元素能夠改變夾雜物(特別是硫化物)的類型和形態。鋼中加鈰后使沿晶界分布的硫化物改變為分布于晶內的球狀硫化物，或者使塊狀硫化物(III類)改變為球狀硫化物(I類)。稀土改變鋼中硫化物形態的公式，即Re/S》1.5時，可以控制硫化物的形態完全為球狀。據此確定稀土Re含量占總質量為0.04%0.08%。本發明的無鉛易切鋼的制備方法，按以下步驟實施，步驟l、熔煉工藝。在易切鋼中，夾雜物的組成、形態、分布以及體積分數對鋼種的切削性能和機械性能有著至關重要的影響。鋼的冶煉工藝影響夾雜物的形成。本發明的無鉛易切鋼可采用真空感應電爐熔煉、空氣感應電爐熔煉或空氣電弧爐熔煉。本發明的熔煉工藝中配料時要注意第一、為了保證配料準確，爐料應無油少銹，少用鋼屑量。第二、弄清爐料的化學成分，在使用合金鋼爐料時，避免引進與本鋼種無關的雜質元素。第三、減少合金元素的燒損，保證收得率，各種合金的適當加入時間和收的率應充分考慮。本發明的無鉛易切鋼在熔煉過程中，合金元素的加入沒有特殊要求，可按一般合金鋼的熔煉方式加入煉，關鍵在于稀土元素、鈣和硫元素的加入方式和合理的加入時間。由于稀土元素與氧的親和力很強，使得鋼中稀土的加入方法成為一個具有獨特意義的問題。稀土加入鋼中一般出現下列問題Re203，Re202S比重與鋼液相近或稍高，易在底部形成錐偏析；出現二次氧化問題，硫被還原到鋼水中去，有可能在凝固過程中出現II類硫化物，而二次氧化后的稀土不再具有變性作用；回收率不穩定。因此，在添加稀土處理鋼液時，應保證低的氧含量，加入稀土時要強烈攪拌，使反應產物小且均勻分布。稀土元素添加采用稀土硅鐵合金或混合稀土金屬，采用包中壓入、模內吊掛等。在加入稀土時，可同時加入Si—Ca合金，鈣的作用是保護稀土不致氧化，有利于稀土在鋼中溶解分解，提高稀土回收率。硫元素的加入方式采用爐中增S，并以硫化亞鐵的形式加入，以保證收得率。本發明的無鉛易切鋼在澆鑄過程中控制出鋼溫度在1630°C±10°C，澆鑄溫度控制在1580°C±10°C，嚴格控制鑄溫鑄速，鑄速應保持平穩，調速不應過急，防止鋼錠產生橫裂。步驟2、鍛造工藝，由于本發明的無鉛易切鋼含S量高，又屬于大型鍛件，鍛比大，必須嚴格控制鍛造工藝。鍛造工藝為，鋼錠開鍛溫度為1150。C1200。C，終鍛溫度87(TC90(TC。加熱方式為空氣爐，加熱時間按鍛件大小尺寸確定。由于本發明的無鉛易切鋼的終鍛溫度較高，有可能使得晶粒粗化，為了細化晶粒，鍛后可進行一道退火操作。步驟3、熱處理工藝，鍛造完的毛坯在初車、插齒等機械加工前要進行熱處理。熱處理對夾雜物的影響不大，工藝中只需控制淬火溫度為850±2(TC油淬，保溫兩小時；回火溫度為560±20°C，保溫3小時，既得。本發明的無鉛易切鋼的力學性能分析.-為了比較將本發明的無鉛易切鋼與42CrMo進行同樣鍛比的鍛造和相同工藝的熱處理，分別進行常規力學性能檢測。拉伸性能按照國標GB228—76進行，沖擊性能采用V形缺口試樣并按照國標GB2106—80進行，分別測試了兩種材料的橫向與縱向沖擊韌性。表2是兩種鋼的性能比較，可以看出本發明的無鉛易切鋼力學性能與42CrMo鋼的非常接近，從力學性能和熱加工性能方面可以替代42CrMo鋼。表2、本發明的無鉛易切鋼與42CrMo鋼的力學性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>注鍛比為6，85(TC油淬，56(TC回火如圖1所示，為本發明無鉛易切鋼鑄態和鍛態(鍛造比為6)夾雜物形態圖。a中所示，鑄態夾雜物以硫化錳為主，含鐵、稀土等元素，以球狀、點狀分布。b中所示，鍛造后少部分大夾雜物被拉長，點狀夾雜物依然保持原有形態。這種良好的形貌保證了較高的橫向沖擊性能。如圖2所示，為本發明無鉛易切鋼種的拉伸和沖擊斷口形貌圖。其中a為本發明無鉛易切鋼種的拉伸試樣斷口形貌；b為本發明無鉛易切鋼種的沖擊試樣斷口形貌。兩種斷裂方式的斷口均為塑性斷口，為大小不均的典型韌窩形貌，大的韌窩底部可見球形夾雜物。斷口形貌表明本發明的無鉛易切鋼合金化是合理的。本發明的無鉛易切鋼切削性能分析切削試驗是在C620-l型車床上進行干切外圓車削試驗。另備八角環式測力架、電阻動態應變儀、x-y函數記錄儀、電子電位差計等。試驗用刀具為YT15，幾何參數Y0二60，a0=a0/=60，"=60，kr=750，kr/=150。切削參量為進給量f二2mm/r，切削深度ap-2mm.觀察不同轉速下切削的形狀、顏色等。測試本發明的無鉛易切鋼切削性能，并與42CrMo鋼相同狀態下的切削性能進行比較。如圖3所示，為上述兩種材料切削力與切削速度之間的關系圖，圖3表明本發明的無鉛易切鋼(S—R)的主切削力明顯低于42CrMo的主切削力，在10m/min80m/min的切削速度范圍，本發明的無鉛易切鋼主切削力變化平緩，表現出良好的易切削特性。如圖4所示，是用熱電偶輸出電壓表征溫度的切削溫度與切削速度的關系圖，本發明的無鉛易切鋼(S—R)在切削速度范圍表現較低的切削溫度(比42CrMo小的電位差讀數)。反映出本發明的無鉛易切鋼的易切特性。由于硫和稀土元素的引入，改善了本發明的無鉛易切鋼的切削加工性能。從切削實驗的結果看，本發明的無鉛易切鋼的切削力、切削溫度、斷屑等情況均優于原鋼種42CrMo。實施例1真空冶煉，原材料全部采用真空爐料，鑄錠尺寸為01400120X300錐臺，按下述步驟進行，步驟l:熔煉工藝，采用相應爐料和元素燒損率進行配料計算，稱取各組分鐵合金的質量，稀土、硼元素以稀土硅鐵和硼鐵的形式，在出鋼前直接加入爐內鋼液中，隨即出鋼，出鋼溫度控制在1620±20°C，澆鑄溫度控制在1570±10°C，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液不外露。步驟2:鍛造工藝，對步驟1所得到的鋼錠進行鍛比《6的鍛造加工，開鍛溫度為1150±20°C，終鍛溫度為870±10°C，加熱方式為空氣爐加熱。步驟3:熱處理工藝，對步驟2所鍛后得到的鋼錠，保持淬火溫度為830土1(TC油淬，回火溫度為540±10°C，既得。投料時鋼的設計成分和煉鋼結束鋼成分化驗結果見表3。可以看出，鋼的實際成分基本達到設計要求。需說明的是，由于采用了真空爐料和真空冶煉，配料成分與鑄錠的化驗成分很接近，但稀土元素差別較大。為模擬大齒圈的鍛造條件，選用實際生產中的鍛比(鍛造比為6)，對鋼錠進行了鍛造，鍛成05O的園棒料，鍛造中未發現裂紋等缺陷。表3真空冶煉時本實施例的無鉛易切鋼設計成份和化驗結果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>范圍,％<七驗0.360.201.290.870.230.0650.0040.050.01結果,％鍛成的本實施例的無鉛易切鋼與42CrMo鋼(市購)一起進行調質處理，硬度達到HB320340。進行定性的對比切削試驗，發現42CrMo鋼在此硬度下難以切削，而本實施例的無鉛易切鋼表現出良好的切削性能。本實施例的無鉛易切鋼的真空冶煉、鍛造、熱處理性能良好，無特殊要求，能夠滿足工廠的生產實際；在其它條件相同的情況下，本實施例的無鉛易切鋼在HB340的硬度下，其切削性能明顯優于42CrMo鋼。實施例2中頻空氣爐煉鋼，考慮生產中常用空氣電弧爐煉鋼，與空氣直接接觸，為了使真空爐確定的易切鋼成分能符合實際生產條件，我們采用50kg中頻感應爐進行了空氣爐煉鋼試驗。爐料全部為空氣爐料，中間合金的具體牌號見表4，中間合金成分見表5，并采用稀土、鈦進行改性處理，按下述步驟進行，步驟l:熔煉工藝，采用相應爐料和元素燒損率進行配料計算，稱取各組分鐵化合物的質量，稀土、硼元素以稀土硅鐵和硼鐵的形式，在出鋼前直接加入爐內鋼液中，隨即出鋼，出鋼溫度控制在1610±20°C，澆鑄溫度控制在1570土1(TC，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液不外露。步驟2:鍛造工藝，對步驟1所得到的鋼錠進行鍛比《6的鍛造加工，開鍛溫度為1170±10°C，終鍛溫度為880±20°C，加熱方式為空氣爐加熱。步驟3:熱處理工藝，對步^驟2所鍛后得到的鋼錠，保持淬火溫度為-850士10。C油淬，回火溫度為560士1(TC，既得。表4、中間合金牌號<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表7本實施例的配料成分和化驗結果化學成分CSiMnCrMoSBReTi配料0.320.401.01.10.350.10.0010.040.03成分，％鋼錠化0.340.371.051.040.310.0860.0000.010.02驗成分,％表7中列出'了鋼錠化驗成分，可以看出，鋼錠成分與配料成分基本一致，符合本發明的無鉛易切鋼成分要求。對鋼錠進行鍛造，開鍛溫度為1170士1(TC，終鍛溫度880士2(TC，加熱時間120分鐘，箱式爐加熱，50噸的空氣錘自由鍛，鍛成①55，鍛造比為6。空氣爐中冶煉的本實施例的無鉛易切鋼鍛造性能良好。將055的本實施例試樣與①55的42CrMo進行調質處理，其淬火溫度為85(TC士10。C油淬，保溫1小時，回火溫度560。C士10。C，保溫3小時，空冷。本實施例的無鉛易切鋼處理后的硬度為HB330，42CrMo為340,抗拉強度為975MPa，接近42CrMo鋼的1150MPa，延伸率為11.3%，與42CrMo鋼的12%相當，縱向沖擊韌性為7.6kgfin/cm2，與42CrMo鋼的8.6kgfoi/cm2接近，橫向沖擊韌性為4.8kgfm/cm2，比42CrMo鋼的差，但符合硫系易切鋼的要求。42CrMo鋼在HB340硬度下很難切，為此對其進行600°C±10°C的回火，將其硬度降至HB260進行切削試驗，結果如表8和表9所示。可見本實施例的無鉛易切鋼在高硬度下仍具有切削力小、切削溫度低等特點。表8、42CrMo(小50mm)切削力測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表9、本實施例的無鉛易切鋼(*50)切削力測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>本實施例的無鉛易切鋼適合空氣爐冶煉，鍛造、熱處理性能良好，機械性能與42CrMo鋼接近，表現出良好的易切性。實施例3生產性電弧爐冶煉，在真空、中頻爐冶煉實施成功的基礎上，針對本發明的無鉛易切鋼的成分和生產工藝，按照表l給出的組成成分，結合具體的生產條件進行煉鋼、鍛造、熱處理和齒輪加工，按以下步驟實施，步驟l:熔煉工藝，采用相應爐料和元素燒損率進行配料計算，稱取各組分鐵合金的質量，稀土、硼元素以稀土硅鐵和硼鐵的形式，在出鋼前直接加入爐內鋼液中，隨即出鋼，出鋼溫度控制在1620±20°C，澆鑄溫度控制在1570士20。C，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液不外露。步驟2:鍛造工藝，對步驟1所得到的鋼錠進行鍛比《6的鍛造加工，開鍛溫度為1180±20°C，終鍛溫度為880士20。C，加熱方式為空氣爐加熱。步驟3:熱處理工藝，對步驟2所鍛后得到的鋼錠，保持淬火溫度為860土1(TC油淬，回火溫度為570士10。C，既得。本實施例采用電弧爐熔煉，本發明的無鉛易切鋼是一種微合金中碳調質鋼，微量合金元素和易切削元素的加入，增加了熔煉難度。熔煉工藝要點主要有熔化、氧化、還原渣子變白前同以往一樣正常操作；保持白渣20分鐘左右，取樣分析，拔除三分之二堿性還原渣，依來樣殘S量往爐內加入硫鐵，隨即加入火磚塊大顆粒鎂砂造亞酸性渣，推渣攪拌，用碳硅粉繼續還原，當渣變黃后，調整成分，繼續還原；出鋼前3分鐘左右，加Si—Fe，Si—Al一Ba，推渣攪拌；出鋼前按要求往爐內加入稀土，Ti一Fe，攪拌均勻，按0.3kg/T把B—Fe(含量18.8%)插入爐內鋼液中，隨即出鋼。出鋼溫度控制在1620士20°C，澆注溫度控制在1570土20。C，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液盡量不外露。關于合金元素的配料原則，Cr、Mn含量按中上限加入，火磚塊、大顆粒鎂砂按6:4配比，S—Fe含量按50X，收得率按90%，B—Fe，Ti一Fe收得率按50X。在稀土元素加入爐內前，爐前化驗的S含量達到成分設計的上限，而稀土的加入量按照0.09%的含量加入，依次來測試S和稀土元素的回收率。按照上述措施熔煉后，對鋼錠的化學成分經過化驗，發現其合金元素B、Ti等元素的含量達到了設計要求，而S的含量為0.033%,稀土含量為0.04%。分析認為，稀土元素采用爐內加入，由于鋼液中的S元素含量比普通鋼的高，因而極易生成Re2S3夾雜物，該夾雜物比重較鋼液的輕，在隨后鋼液的出鋼、鎮靜、澆注等過程中，提供了稀土硫化物進入鋼渣的條件，從而造成了稀土和S元素的雙重損失，稀土元素的加入沒有起到夾雜物改性的作用，相反起的是凈化鋼液、出硫的作用。因此，為了使鋼中硫的含量能夠達到設計要求，必須增加S—Fe的加入量。對鑄錠成分的化驗結果如表10所示。表10、本實施例配料成分和生產性化驗成分比較<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>從化驗成分可以看出，S、B、Ti微合金元素均達到設計成分的要求，說明這三種元素的加入方法在實際生產中是可行的。但遺憾的是稀土元素改性的含量遠低于設計成分，這主要是稀土元素直接在熔煉后期以稀土硅鐵的形式充入鋼液中，在鋼中主要起著脫氧、脫硫的作用，對夾雜物的改性作用減小，使得稀土的含量很低。本實施例的無鉛易切鋼的鍛造工藝大量FeS夾雜的存在，引起鋼的熱脆。本實施例的無鉛易切鋼S元素是以合金元素的形式加入，起著改善切削性能的作用，增加鋼錠在鍛造過程的難度。但由于Mn、Ti、稀土元素的加入，改變了夾雜物的組成和形態，從而避免了鋼的熱脆發生。在實際鍛造過程中，提高鋼的終鍛溫度，可以減小鋼在低溫鍛造過程中出現的鍛造變形應力增大，在夾雜物與基體界面形成大的應力集中，從而萌生裂紋，另一方面，提高終鍛溫度，還可起到改善鋼力學性能的各向異性，故在鍛造過程中，將其終鍛溫度定為880士2(TC。具體的鍛造工藝為開鍛溫度為1180±20°C，終鍛溫度為880士2(TC，鍛造工藝大致分為倒棱一切口一鐓粗一沖孔一擴孔一去氫退火，總共進行了3次加熱，鍛造比為5。可ii，本實施例的無鉛易切鋼的鍛造比較大，但由于采用了鐓粗拔長的工藝，改善了鋼的橫向塑性和韌性。從鍛造過程看，同時鍛造的三件試樣均未出現缺陷或裂紋，說明本實施例的無鉛易切鋼具有優良的鍛造性能。本實施例的無鉛易切鋼的熱處理工藝本實施例的無鉛易切鋼在鍛造終了時往往得到粗大而不均勻的再結晶晶粒，奧氏體晶粒度一般在34級，這一方面是由于鍛造時各部分變形不均勻，另一方面鍛件不能一火鍛成，需要進行多次加熱、鍛造。為了保證鍛件具有良好的機械性能，獲得細小而均勻的晶粒是重要的條件。所以，在熱處理要注意晶粒的細化和均勻化問題。去氫退火時，一方面可以防止白點的生成，另一方面還可細化組織。此外，為了加工方便而進行了退火工藝也可以起到組織細化的作用。多項研究指出，鋼中的夾雜物對鋼的熱處理性能影響甚微。因此，在生產性試驗中，本實施例的無鉛易切鋼熱處理工藝完全與42CrMoT鋼的一致，其淬火溫度為860±10°C，保溫兩小時，冷卻介質為零號柴油循環冷卻。回火溫度570土1(TC，保溫3小時。經測定，用該工藝調質后的硬度為320HB。如圖5所示，為試驗鋼的常規熱處理組織形貌圖，其中a為鋼的退火組織形貌圖，b為淬火組織形貌圖，c為調質組織形貌圖。如圖6所示，為試驗鋼的回火溫度對硬度的影響圖。從圖中可看出，該鋼在560°C±10°C以下回火時有良好的抗回火穩定性，超過560°C±10°C時，硬度明顯降低。目前泥漿泵重載齒輪用鋼的齒面硬度要求在270340HB，故該鋼以在55(TC士1(TC左右回火為宜。本實施例的無鉛易切鋼由于S元素的含量較高，降低了鋼的力學性能，特別是鋼的橫向機械性能。表12是力學性能測定數據，除了橫向沖擊韌性略低于設計要求外(akv>48J/cm2)，其它力學性能指標均超過設計安全要求。橫向性能的下降，與夾雜物的形態密切相關。表12、本實施例的無鉛易切鋼試驗例的力學性能測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>如圖7所示，為試樣橫向實驗沖擊斷口組織圖。其中圖a為橫向斷口試樣的低倍掃描照片，圖b箭頭指向b點為斷口的剪切唇區，對應b，在斷口分布著大小不一的韌窩，長條MnS夾雜分布于韌窩中，斷口為韌性斷口，圖c對應箭頭指向c點，在此區域，既有韌窩狀斷口相貌，又有準解理，材料韌性變差，圖d對應箭頭指向d點，與c點的形貌相同。如圖8所示，圖a為試樣縱向實驗的沖擊斷口組織圖。其中圖a為縱向實驗的沖擊斷口試樣的低倍掃描照片，圖b中箭頭指向b點為斷口在靠近缺口部位為脆性斷口，圖c中箭頭指向c點在遠離缺口部位出現韌性斷口，圖d中箭頭指向d點在遠離缺口部位出現韌性斷口。所不同的是，試樣縱向的夾雜物呈球狀分布，與長條狀MnS相比，增加了裂紋擴展的阻力，相應的沖擊韌性值也較高。值得注意的是，對圖C中的夾雜物進行了能譜分析，表明該夾雜物多為氧化錳和氧化鐵的共生夾雜物。從實施例來看，說明本發明的無鉛易切鋼能夠實現規模化生產。本發明的無鉛易切鋼的熔煉、鍛造性能優異，切削性能明顯優于42CrMoT鋼，這將極大的提高生產效率和經濟效益。根據本發明的無鉛易切鋼的鍛造實踐，可考慮將終鍛溫度下降至860°C±10°C。齒輪經調質處理后，進行刨齒加工，具體的加工工藝按照42CrMoT#|的工藝，經現場測試，本發明的無鉛易切鋼在調質硬度達HB320左右時，其切削性能優于42CrMoT鋼，齒輪表面光潔度提高一個等級，刀具壽命提高至少一倍。用本發明的無鉛易切鋼制作的三件大齒圈泥漿泵重載齒輪試驗樣品在油田試驗性使用，跟蹤情況表明，該三件大齒圈泥漿泵重載齒輪運轉情況良好。這些都充分說明，本發明所述的35CrMnMoRS無鉛易切鋼，符合國家環保、高效的政策，可廣泛應用于石油、制糖、軋鋼等行業的重載齒輪。權利要求1、一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼，其特征在于按總質量百分比，由以下組分組成，C為0.32～0.38％、Si為0.20～0.40％、Mn為1.00～1.30％、Mo為0.25～0.35％、Cr為0.9～1.1％、S為0.08～0.10％、B為0.001～0.005％、Re為0.04～0.08％、Ti為0.01～0.03％，其余為Fe。2.、一種制備權利要求1所述的無鉛易切鋼的方法，其特征在于該方法按以下步驟進行，步驟l:熔煉工藝，采用相應爐料和元素燒損率進行配料計算，稱取各組分鐵化合物的質量，稀土、硼元素以稀土硅鐵和硼鐵的形式，在出鋼前直接加入爐內鋼液中，在添加稀土處理鋼液時要強烈攪拌，隨即出鋼，出鋼溫度控制在1630。C士1(TC，澆注溫度控制在1580°C±10°C，按"低溫快澆"原則進行澆注，加入覆蓋劑，使鋼液不外露；步驟2:鍛造工藝，對步驟1所得到的鋼錠進行鍛比《6的鍛造加工，開鍛溫度為1150°C1200°C，終鍛溫度為870°C900°C，加熱方式為空氣爐加熱；步驟3:熱處理工藝，對步驟2所鍛后得到的鋼錠，保持淬火溫度為850士20。C油淬，回火溫度為560±20°C，既得。3、根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的步驟l中，硫元素的加入方式采用爐中增S，并以硫化亞鐵的形式加入。全文摘要本發明公開了一種中硬齒面重載齒輪用無鉛易切鋼，由基礎鋼和易切元素構成，各組分包括C為0.32～0.38％、Si為0.20～0.40％、Mn為1.00～1.30％、Mo為0.25～0.35％、Cr為0.9～1.1％、S為0.08～0.10％、B為0.001～0.005％、Re為0.04～0.08％、Ti為0.01～0.03％，其余為Fe。本發明還公開了上述的易切鋼的制備方法，進行熔煉時，稀土、鈦元素應在出鋼前加入到鋼液中，出鋼溫度控制在1630℃±10℃，澆注溫度控制在1580±10℃，澆鑄成錠。再進行鍛比≤6的鍛造加工，鋼錠開鍛溫度為1150～1200℃，終鍛溫度870～900℃。最后經過850±20℃油淬，560±20℃回火，即得本發明的易切鋼。本發明所述的易切鋼生產成本降低，而且各種機械性能達到了使用要求。文檔編號C22C38/32GK101168824SQ20071001906公開日2008年4月30日申請日期2007年11月15日優先權日2007年11月15日發明者顥張,濤李,武占學,趙麥群,陳立人申請人:西安理工大學