一種齒輪鋼及其生產方法
【專利摘要】本發明公開了一種齒輪鋼及其生產方法，含有的化學成分及其重量百分比為：碳0.25～0.32％、硅0.25～0.30％、錳1.20～1.40％、磷≤0.030％、硫0.025～0.045％、鉻1.05～1.25％、釩0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％、氧≤0.0015％及余量為鐵。通過控制鋼坯加熱、鋼坯軋制、冷卻的工藝參數，從而細化了齒輪鋼晶粒，同時不影響齒輪鋼的疲勞性能。
【專利說明】
-種齒輪鋼及其生產方法
技術領域
[0001] 本發明屬于冶金制造技術領域，具體設及一種齒輪鋼及其生產方法。
【背景技術】
[0002] 齒輪鋼是重要的機械零部件，尤其應用在汽車上的齒輪鋼，汽車上的齒輪在工作 時，齒根受彎曲應力作用易產生疲勞斷裂，受接觸應力作用，易導致表面金屬剝落，因此要 求鋼質必須具有良好的性能。影響齒輪鋼性能的主要有澤透性、潔凈度和晶粒度等指標。目 前，通過精確控制化學成分的含量和化學成分的均勻性，提高澤透性，使鋼件整個截面獲得 均勻一致的力學性能，減少變形和開裂;通過降低齒輪鋼中的氧含量，提高齒輪鋼的潔凈 度，能大幅提高齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度;通過向鋼中添加 A1或Ti元素，從而在 鋼中形成A1N或TiN微粒，并且通過加熱和冷卻工藝，運些A1N或TiN微粒在奧氏體晶界起釘 扎作用阻止奧氏體晶粒長大，從而細化晶粒，細化晶粒有助于提高齒輪的強度、初性。
[0003] 中國發明專利(授權公告號CN 102703834 B，授權公告日2014.03.12)公開了一種 晶粒細化的齒輪鋼及其生產工藝，加入A1元素，通過冶煉、連鑄和社制工序生產出細小晶粒 的齒輪鋼，減少齒輪熱處理后的變形，提高脆斷抗力和裂紋傳播抗力，其晶粒度達到8級。中 國發明專利(授權公告號CN 102517521 B，授權公告日2013.09.25)公開了一種Μη化滲碳齒 輪鋼及其制造方法，該發明通過合理的成分設計和生產工藝，加入Α1元素，采用電爐-LF精 煉-VD真空處理-連鑄-社制工藝生產出圓鋼，其晶粒度達到7級。中國發明專利（申請公布號 CN102605260A申請公布日2012.07.25)公開了一種低變形齒輪鋼及其制造方法，加入41元 素，通過控制冶煉，鋼巧加熱和社制手段改善齒輪鋼棒材的晶粒度和帶狀組織，使齒輪鋼的 熱處理變性穩定，變形量減小。控制了第二相粒子Α1Ν的析出時機和析出數量，細化了晶粒， 其晶粒度達到7.5級W上。授權公告號CN 102703834 Β、授權公告號CN 102517521 Β和申請 公布號CN102605260A的Ξ個發明通過加入Α1元素來細化晶粒度，但Α1元素易與鋼中的氧元 素反應，生成氧化物夾雜而不易全部排除，影響齒輪鋼的潔凈度從而大幅度降低齒輪鋼疲 勞性能。
[0004] 中國發明專利(授權公告號CN 102400052 Β授權公告日2013.05.15)公開了一種 窄澤透性齒輪鋼，添加中Ti元素固氮和細化晶粒，并且通過1)頂底復合吹煉轉爐初煉;2)鋼 包脫氧合金化;3)LF精煉;4)RH精煉;5)連鑄的生產方法得到的齒輪鋼具備較高的澤透性和 較窄的末端澤透性的特點，但是Ti元素與鋼中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在鋼中 長期存在易成為疲勞應力源，不利于齒輪鋼的疲勞性能提高。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是針對上述不足，提供一種不影響齒輪鋼的疲勞性能的前提下細 化晶粒的齒輪鋼及其生產方法。
[0006] 本發明采用的技術方案是：
[0007] 一種齒輪鋼，含有的化學成分及其重量百分比為：碳0.25~0.32 %、娃0.25~ 0.30 %、儘1.20 ~1.40 %、憐《0.030 %、硫 0.025 ~0.045 %、銘 1.05~1.25 %、饑 0.05~ 0.10%、氮0.009~0.0120%、氧《0.0015%及余量為鐵及不可避免的雜質。
[0008] W下簡述本發明中選定化學成分范圍的理由：
[0009] C(碳）：含量控制在0.25~0.32%范圍內。碳是保證齒輪鋼強度和硬度的主要成 分，齒輪鋼調質后，碳的強化效果是銘的9倍，儘的18倍，但過高的碳含量易導致齒輪鋼初性 不夠，影響其疲勞性能，因此，鋼中的碳含量控制在0.25~0.32%。
[0010] Μη(儘）：含量控審化1.20~1.40%范圍內。儘在齒輪鋼中既能增強奧氏體的穩定 性，還能提高澤透性；同時，齒輪鋼中的儘還與硫結合形成細小的硫化儘微粒，可W成為鐵 素體形核的核屯、，有利于細化晶粒;一般齒輪鋼中儘成分控制在1.0% W下，為了進一步細 化晶粒，適當提高儘的含量，因此，鋼中的儘含量控制在1.20~1.40%。
[0011] 化(銘）：含量控制在1.05~1.25%。銘在齒輪鋼中主要是提高其澤透性、強度和耐 磨性;同時，銘能夠降低齒輪鋼中的碳活度，防止熱處理過程中的脫碳，穩定齒輪的質量，但 是銘為容易產生帶狀偏聚的元素，過高的銘含量會明顯降低澤火及回火鋼材的初性。因此， 鋼中的銘含量控制為1.05~1.25%。
[0012] 饑(V)、氮(Ν):含量控制為饑0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%。齒輪鋼中添加適 量的饑、氮元素，主要是加強沉淀強化效果和細化晶粒作用。一般齒輪鋼中通過加入侶(Α1) 元素與氮(Ν)元素或者加入鐵(Ti)元素與氮(Ν)元素來細化晶粒，但是Α1元素易與鋼中的氧 元素反應，生成氧化物夾雜而不易全部排除，影響齒輪鋼的潔凈度從而大幅度降低齒輪鋼 疲勞性能;Ti元素與鋼中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在鋼中長期存在易成為疲勞 應力源，不利于齒輪鋼的疲勞性能提高。因此發明采用加入饑元素與氮元素來細化晶粒，饑 和氮有很強的親和力，可W在鋼中形成極穩定細小的析出相，產生彌散強化效果，提高鋼的 強度，同時，還可W抑制奧氏體晶界的遷移，細化奧氏體晶粒，但是饑含量過高，過量的饑夾 雜難W去除，影響鋼的潔凈度，過量的氮會造成氣體含量高，易產生皮下氣泡，影響鋼的質 量，因此，鋼中的合適的饑和氮含量分別控制為饑0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%。
[0013] 硫(S):含量控制在0.025~0.045%，添加硫元素，使鋼中形成硫化物，硫化物可W 包裹鋼中不易變形的氧化物，從而使鋼的切削加工性能增加；同時，硫與儘形成硫化儘 (MnS)，鐵素體WMnS為核屯、析出，增加 MnS，進而增加了鐵素體的塊數，從而細化了組織，但 是硫含量過高會導致硫化物過剩形成夾雜物，顯著降低鋼的塑性和初性，因此，鋼中的硫含 量控制為0.025~0.045 %。
[0014] 齒輪鋼的生產方法包括W下步驟：
[001引1)鋼昆加熱
[0016]經冶煉誘鑄成連鑄巧的齒輪鋼巧，進入Ξ段式加熱爐內加熱(包括預熱段、加熱段 和均熱段），Ξ段的溫度分別是:預熱段溫度700~745°C;加熱段溫度為1170~1220°C;均熱 段溫度為1150~1200°C;加熱時間為150~ISOmin;巧料陰陽面溫差《40°C;齒輪鋼連鑄巧 加熱到115(TC及W上，且保溫150~ISOmin后，其鋼巧中的氮化饑能夠充分固溶到奧氏體 中，本發明的均熱溫度相比于現有技術有所降低，因為氮化饑比氮化侶更容易固溶到奧氏 體中，在115(TC及W上的溫度且保溫150~ISOmin后，氮化饑就已近能夠充分固溶到奧氏體 中，溫度過高，保溫時間過長會導致晶粒粗大。
[0017] 2)鋼昆社制
[0018] 加熱后的鋼巧經高壓水除憐后依次進行粗社、中社、精社得到鋼材;粗社開社溫度 為1050~1115°C，精社開社溫度為900~915°C ;
[0019] 3)冷卻
[0020] 精社后的鋼材進行冷卻，冷卻速度為50~80°C/min,冷卻至500~600°C后進行緩 冷工序，直至鋼材冷卻至室溫得到齒輪鋼。
[0021] 所述步驟3)中冷卻采用風冷冷卻;所述緩冷工序是將鋼材吊入緩冷坑中進行緩慢 冷卻。
[0022] 通過上述的社制工藝，固溶在奧氏體中的氮化饑最先W析出相的形式在奧氏體晶 界或晶內析出，析出相大小為:30~lOOnm，隨著溫度的降低，在發生奧氏體向鐵素體或珠光 體轉變前，鋼中的氮化饑已全部W析出相的形式完全析出，細化了鐵素體或珠光體晶粒;同 時鋼中細小的MnS也成為鐵素體形成的核屯、，從而進一步細化鐵素體或珠光體晶粒。其中， 精社開社溫度相比于現有技術的精社開社溫度有所降低，原因是較低的精社開社溫度有助 于氮化饑W析出相的形式完全析出，但是精社開社溫度過低會造成氮化饑分布不均勻，導 致組織的各向異性，因此精社開社溫度為900~915°C。
[0023] 通過上述的風冷冷卻，將鋼的溫度W50~80°C/min的冷卻速度快速冷卻阻止奧氏 體晶粒的長大，因為快速冷卻后完全析出的氮化饑不會固溶到奧氏體中去，它們在奧氏體 中會W析出相的形式釘扎在奧氏體晶界或晶粒內，阻止奧氏體晶粒的長大，從而解決了奧 氏體熱處理晶粒長大的問題。快速冷卻后采用緩冷坑中進行緩慢冷卻，消除鋼中的白點和 避免再冷卻過程中熱應力與組織應力造成的裂紋。
[0024] 本發明取得的有益效果是：
[0025] 細化齒輪鋼中的晶粒，傳統的技術是添加 A1元素或Ti元素，A1元素與鋼中的氧元 素反應，生成氧化物夾雜而不易全部排除，影響齒輪鋼的潔凈度從而大幅度降低齒輪鋼疲 勞性能;Ti元素與鋼中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在鋼中長期存在易成為疲勞應 力源，不利于齒輪鋼的疲勞性能。本發明通過合理的成分設計，通過添加饑來代替A1或Ti， 并且控制鋼巧加熱，社制W及冷卻的工藝參數，從而細化了晶粒，同時不影響齒輪鋼的疲勞 性能。本發明的齒輪鋼的成分簡單，生產出來的齒輪鋼晶粒在8級W上，沖擊吸收功在110J W上，抗拉強度在950MPa W上，具有良好的性能。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，便于更清楚地了解本發明，但不 對本發明構成限定。
[0027] 按照本發明化學成分，重量百分比及生產方法要求，制備五個實施例，五個實施例 的化學成分重量百分比見表1;五個實施例生產過程工藝參數見表2，W及五個實施例得到 的齒輪鋼的性能參數見表3。
[002引表1實施例化學成分(wt%)
[0029]
【主權項】
1. 一種齒輪鋼，其特征在于:含有的化學成分及其重量百分比為：碳ο. 25~0.32 %、硅 0.25~0.30 %、錳1.20~1.40 %、磷彡0.030 %、硫0.025~0.045 %、鉻1.05~1.25 %、釩 0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%、氧<0.0015%及余量為鐵及不可避免的雜質。2. -種如權利要求1所述的齒輪鋼的生產方法，其特征在于:包括以下步驟： 1) 鋼坯加熱 鋼坯在三段式加熱爐內加熱，三段的溫度分別是:預熱段溫度700~745°C ;加熱段溫度 為1170~1220°C;均熱段溫度為1150~1200°C;加熱時間為150~180min;鋼坯陰陽面溫差 彡 40。。； 2) 鋼坯乳制 加熱后的鋼坯經高壓水除磷后依次進行粗乳、中乳、精乳得到鋼材;粗乳開乳溫度為 1050~1115°C，精乳開乳溫度為900~915°C ; 3) 冷卻 精乳后的鋼材進行冷卻，冷卻速度為50~80°C/min，冷卻至500~600°C后進行緩冷工 序，直至鋼材冷卻至室溫得到齒輪鋼。3. 根據權利要求2所述的齒輪鋼的生產方法，其特征在于:所述步驟3)中冷卻采用風冷 冷卻;所述緩冷工序是將鋼材吊入緩冷坑中進行緩慢冷卻。
【文檔編號】C22C38/02GK106011648SQ201610587038
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】張賢忠, 陳慶豐, 任安超, 熊玉彰, 吳杰, 蘇尚飛
【申請人】武漢鋼鐵股份有限公司