CN101353770A - 一种高强度不锈齿轮钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度不锈齿轮钢及其制备方法，其特征在于包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.10～0.20％，Mn：≤0.50％，Si≤0.50％，Cr：12.5～15.0％，Ni：1.50～3.00％，Mo：4.00～6.50％，V：0.50～0.85％，Co：12.5～14.5％，W：0.20～1.50％，Nb：≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。其制造方法包含以下步骤：原材料准备→真空感应炉浇注电极棒→空冷→车光→真空自耗重熔→钢锭退火车光→锻造→镦粗→锻造成材或轧制成材→退火。本发明可以满足新一代齿轮钢的要求，达到高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀的良好配合。
Description
技术领域
本发明属于冶金材料领域，特别涉及冶金领域中的一种高强度不锈齿轮钢及其制备方法。
背景技术
国内外齿轮钢的发展趋势主要是提高强度、韧性、耐蚀、耐温以及提高使用寿命。最早齿轮钢是以AISI9310为代表的低合金表面硬化钢，低温回火后常温下使用，具有常规要求的使用性能，但耐蚀性能较差，使用温度较低。随后发展的齿轮钢M50NiL，其主要特征是耐温性能提高。该钢采用二次硬化机理设计成分，500℃以上高温回火，可在350℃以下稳定使用，但耐蚀性能较差。
目前使用的耐蚀钢，主要是高碳马氏体不锈轴承钢9Cr18(AISI440)、9Cr18Mo(440C)，该类钢具有高的碳、铬含量，凝固时产生粗大共晶碳化物，且不能通过以后的热处理来改变。粗大的碳化物易造成高的应力集中引起剥落，降低马氏体基体的铬含量导致热处理后硬度偏低、耐蚀性下降，降低使用寿命。
随着对齿轮传动***高速、高赫兹应力、耐温、耐蚀及减重需求，特别是齿轮承载能力与心部屈服强度相互关系的认识导致超高强度齿轮、轴承钢的迅速发展。目前已有的钢种无法满足传动***对新一代齿轮的要求。现在我们研制的高强度不锈齿轮钢，采用二次硬化机理设计成分，添加多种强碳化物形成元素，有利于获得表面超高硬度；添加高量Co细化M2X相，低碳马氏体基体上沉淀细小弥散的M2X相使芯部具有超高强度和高韧性匹配，在合适的温度回火下可兼得超高强度(Rm≥1800MPa，Rp0.2≥1400MPa)和高韧性。在硬度为HRC50左右的条件下，其KIC值可达到110Mpa.m1/2以上。最终经渗碳热处理以后表面室温硬度可达到HRC 65以上，其抗蚀性能非常良好。因此现在研制的这种新材料可以满足传动***对新一代齿轮用钢的所有要求。
目前国内使用齿轮钢的代表钢号AISI9310、M50NiL、9Cr18Mo(440C)等，其中不锈齿轮钢9Cr18Mo(440C)不能同时达到高强、高韧、耐蚀、耐温的良好配合。国外及新发明高强度不锈齿轮钢的化学成分见表1。
表1
| 专利号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo+1/2W | Co | Mo | V | W | Nb |
| US5288347A | 0.160.25 | ≤1.0 | ≤2.0 | 11.0015.00 | ≤2.0 | 12.021.0 | 0.53.0 | ||||
| JP5247593A | 0.160.25 | ≤2.0 | ≤2.0 | 10.0015.00 | ≤2.0 | 0.53.0 | 12.021.0 | 0.10.5 | ＜0.1 | ||
| US 5,424,028 | 0.100.25 | ≤1.0 | ≤1.0 | 13.0019.00 | 1.755.25 | 5.014.0 | 3.05.0 | 0.251.25 | 0.010.10 | ||
| 新发明GBC-1 | 0.100.20 | ≤0.50 | ≤0.50 | 12.515.0 | 1.503.00 | 12.514.5 | 4.006.50 | 0.500.85 | 0.201.50 | ≤0.20 |
根据专利US 5288347 A介绍，按该专利成分控制，经950～1150℃固溶，在-50～-100℃深冷处理，然后在120～450℃范围回火，可以获得高强度、高韧性及抗腐蚀性能。强度可以达到Rm≥1714MPa，断裂韧性KIC达到77.47Mpa.m1/2。
根据专利JP 5247593 A介绍，按该专利成分控制，经1000～1150℃固溶，迅速冷却到-50℃以下，然后在120～475℃范围回火，可以获得高强度、高韧性及抗腐蚀性能。
根据专利US 5,424,028介绍，按该专利成分控制，经1050℃固溶，冷却到-79℃以下，然后在496℃回火，并冷却到-196℃，经过三次这样的回火，可以获得高硬度、高强度、高韧性。
从表1看到，新发明的高强度不锈齿轮钢GBC-1，与上述三种钢的成分不同。美国的专利US 5288347A成分中，不加W、Nb、V；日本的专利JP 5247593A成分中加入了W、Nb、V，但与新发明钢的控制范围不同；美国的专利US 5,424,028成分中，没有加入W，其它成分的控制范围都比较接近。另外美国US 5,424,028这个专利中介绍的热处理制度与新发明的GBC-1钢的热处理制度基本一样，表2就是美国US 5,424,028专利与新发明专利性能对比结果。
表2
从表2看，新发明钢与美国US 5,424,028专利钢相比，不仅强度高，而且韧性指标KIC也高，这就是我们发明此钢的目的，即要通过有效控制化学成分，并经过最佳热处理制度处理，使钢获得高强度与高韧性的良好配合。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度不锈齿轮钢及其制备方法，使该不锈齿轮钢同时具备高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀性。
本发明实现上述目的的技术方案为：一种高强度不锈齿轮钢，包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.10～0.20％，Mn：≤0.50％，Si≤0.50％，Cr：12.5～15.0％，Ni：1.50～3.00％，Mo：4.00～6.50％，V：0.50～0.85％，Co：12.5～14.5％，W：0.20～1.50％，Nb：≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明采用二次硬化机理设计成分，通过添加C-Cr-Co-Ni-Mo-V-W元素，并经过合适的温度回火，在马氏体基体上沉淀析出细小、弥散的第二相，使钢获得高强度、高硬度和高韧性的良好配合。
钢中加入高量的Cr元素，不仅可以提高钢的耐蚀性能，同时也提高钢的耐高温使用性能。钢中加入W元素，一方面能强化固溶体，另一方面，产生弥散强化。即钢在时效时，在马氏体基体上沉淀析出细小密排立方M2X相，增加了二次硬化效应，使钢的强度、硬度提高。
Mo的作用与W类似。钢中加入高量Co，Co的加入降低了Mo在基体中的溶解度，促进了含Mo的特殊金属间化合物的沉淀。由于Mo合金化的M2X相具有极高的稳定性，减缓了由M23C6碳化物取代过程，提高了钢的回火稳定性，使钢在500℃回火时，仍然保持1800MPa以上的高强度和HRC50的高硬度。
Ni的加入，促进钢的马氏体转变，伴随这种作用，使钢的力学性能得到改善。另外Ni与Co配合应用于此钢中，会有效提高钢的韧性。AFC277钢(C0.15、Ni 0、Co 13.5、Cr 14.5、Mo 5.0)，不含有Ni，其它成分与该钢类似，AFC277钢的冲击值只有Akv5焦耳，而本钢种可以达到Akv60焦耳以上。
另外GBC-1钢中还添加了强碳化物形成元素V、Nb等，它们的加入，虽然不能起强化固溶体的作用，但它们提高了形成MC碳化物的能力，经渗碳处理有利于形成细小均匀并且十分稳定的(V、Nb)C复合碳化物，从而获得表层超高硬度。W、Mo、V、Nb都有细化晶粒、提高强度的作用，再加上Co、Ni、Mo的作用，使钢的芯部具有了超高强度和高韧性。
所述的高强度不锈齿轮钢的制造方法，包含以下步骤：
(1)选用低杂质含量的金属料作为原材料，金属Ni、Mo、Co、Cr、V、Nb等尽量使用低S、P的，纯铁、母合金等自用料，必须清洁干燥，无油污，无锈，成分准确；
(2)冶炼工艺：采用双真空工艺冶炼，即真空感应+真空自耗重熔。真空感应冶炼时，真空度达到2.7Pa以下时装料，装料次序：纯铁-Ni、Mo、Cr、Co、V-纯铁的顺序装料。装料时留出少量Ni、Mo、Cr、Co、V。全熔成分分析后调成分Ni、Mo、Cr、Co、V全熔充分搅拌后取成品样。精炼期温度控制在1570℃～1590℃，精炼时间≥45分钟，浇铸温度控制在1540℃～1560℃。真空自耗重熔时漏气率≤0.4PaL/S，水压≥0.25MPa，水温差≤10℃，采用短弧熔炼，控制电压稳定，焊毕20分钟，炼毕45分钟，脱锭空冷。钢锭脱模后空冷10～12h后退火；
(3)锻造工艺：钢锭加热温度在1180℃～1220℃，停锻温度≥800℃，锻后进行670℃～700℃退火；
(4)轧制工艺：轧制时加热温度1100℃～1150℃，轧后760℃～810℃退火；
(5)热处理工艺：1000℃～1150℃固溶和低于-80℃深冷处理，再经500℃～530℃时效和低于-80℃深冷处理。
优选地，所述步骤(3)中，钢锭在锻造时采用两镦两拔工艺。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1.该钢在固溶状态下，强度和硬度都比较低，HRC36左右。固溶的目的主要是使合金元素溶解到基体当中，为下一步的时效处理做好组织准备。
2.该钢经1000℃～1150℃固溶和低于-80℃深冷处理，再经500℃～530℃时效和低于-80℃深冷处理，强度可以达到1800MPa以上，屈服强度达到1400MPa以上，硬度可以达到HRC50以上，伸长达到18％以上，冲击功达到100J以上，断裂韧性值KIC达到100MPa·m1/2。
3.根据材料使用性能的要求，该钢采用中上限温度固溶(1100℃左右)和低于-80℃深冷处理，再经500℃～530℃时效和低于-80℃深冷处理，在保证强度指标达到1800MPa的同时，冲击功(Aku)可以达到100J以上，断裂韧性值KIC达到110MPa·m1/2以上。
4.该钢采用下限温度固溶(1050℃左右)和低于-80℃深冷处理，再经500℃～530℃时效和低于-80℃深冷处理，强度可以达到1900MPa，冲击功(Aku)在80J以上，断裂韧性值KIC在90MPa·m1/2以上。
5.该钢在经一定热处理后的各项性能指标，完全可以满足新一代齿轮钢的要求，达到高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀的良好配合。
附图说明
图1是1吨真空感应炉冶炼功率曲线示意图。
图2是Φ360mm自耗重熔工艺曲线示意图。
图3是Φ360mm钢锭退火工艺曲线示意图。
图4是钢锭加热工艺曲线示意图。
图5是锻材或坯料退火工艺曲线示意图。
具体实施方式
实施例
在一吨真空感应炉冶炼浇注∮290mm电极，真空自耗重熔Φ360钢锭后退火，镦粗后锻造90*100mm坯料后退火，供轧钢轧制。
1、真空感应炉工艺
1.1、化学成分重量百分比控制范围见表3：
表3(％)
| 元素 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Co | W | Nb |
| 标准 | 0.100.20 | ≤0.50 | ≤0.50 | ≤0.008 | ≤0.005 | 12.515.0 | 1.503.00 | 4.006.50 | 0.500.85 | 12.514.5 | 0.201.50 | ≤0.20 |
| 控制范围 | 0.110.15 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.008 | ≤0.004 | 13.514.8 | 1.802.80 | 4.305.80 | 0.600.75 | 12.014.0 | 0.451.10 | 0.020.05 |
1.2、工艺要求：
(1)真空度≤2.7Pa，开始装料；
(2)装料次序：纯铁-Ni、Mo、Cr、Co、V-纯铁的顺序装料。装料时留出少量Ni、Mo、Cr、Co、V，全熔成分分析后调成分Ni、Mo、Cr、Co、V全熔充分搅拌后取成品样；
(3)精炼期温度控制1570--1590℃，保持时间大于45分钟；
(4)浇注Φ290电极，浇注温度1540--1560℃；
(5)电极脱模后空冷。冶炼工艺曲线：见图1。
2、冶炼工艺-自耗重熔工艺
2.1、结晶器Φ360mm；
2.2、采用本钢种底垫，车屑、假电极用本钢种或近似钢种；
2.3、漏气率≤4.0Pa L/S；
2.4、弧长：短弧熔炼，控制电压稳定；
2.5、水压：≥0.25MPa，温差≤10℃；
2.6、冷却：焊毕20分钟，炼毕45分钟，脱锭空冷。工艺曲线见图2；
2.7、钢锭脱模后热送退火，退火工艺曲线见图3。
3、锻造工艺
3.1、钢锭加热曲线见图4；
钢锭镦粗2～3次，再火温度1160-1180℃，保温1h。停锻温度≥800℃，锻后红送退火。钢坯或锻材锻后空冷10～12h后退火；
3.2、钢坯或锻材退火工艺曲线见图5；
3.3、成品磨光(或车光)、探伤。
4、轧钢工艺
4.1、加热工艺
加热温度 加热时间 终锻温度 冷却
1100～1150℃ ≥1∶25 ≥850℃ 空冷
4.2、轧材退火工艺曲线同图5。
5、检验结果
5.1、不同化学成分与性能的关系
新发明钢与其它类似钢种的区别主要是增加了元素W，下面主要对比加W与不加W对性能的影响。对比结果见表4和表5。
表4(％)
| 专利号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Co | Mo | V | W | Nb |
| US 5,424,028 | 0.12 | 14.00 | 2.00 | 12.50 | 4.75 | 0.60 | 0.02 | |||
| 试验料1 | 0.12 | ≤0.10 | ≤0.10 | 13.92 | 2.14 | 12.52 | 4.74 | 0.58 | 0.02 | |
| 试验料2 | 0.12 | ≤0.10 | ≤0.10 | 14.10 | 2.00 | 12.48 | 4.74 | 0.60 | 0.45 | 0.02 |
| 试验料3 | 0.13 | ≤0.10 | ≤0.10 | 13.80 | 2.10 | 12.68 | 4.72 | 0.57 | 1.10 | 0.04 |
| 本发明GBC-1 | 0.100.20 | ≤0.50 | ≤0.50 | 12.515.0 | 1.503.00 | 12.514.5 | 4.006.50 | 0.500.85 | 0.201.50 | ≤0.20 |
表5
从表5看，加入W元素后，强度和断裂韧性指标KIC明显提高，当钢中W含量达到1.1％时，KIC已经达到108Mpa.m1/2。
表6是7个实施例的成分；
表7是1个对比例的成分；
表8是实施例1～7采用不同的热处理工艺(16个实施例)所得到的棒材力学性能。
表6(wt％)
| 实施例 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Co | Mo | V | W | Nb |
| 1 | 0.12 | 0.05 | 0.05 | 13.92 | 2.14 | 12.52 | 4.74 | 0.58 | 0.02 | |
| 2 | 0.12 | 0.05 | 0.05 | 14.10 | 2.00 | 12.48 | 4.74 | 0.60 | 0.45 | 0.02 |
| 3 | 0.13 | 0.05 | 0.05 | 13.80 | 2.10 | 12.68 | 4.72 | 0.57 | 1.10 | 0.04 |
| 4 | 0.11 | 0.04 | 0.05 | 13.90 | 1.90 | 12.50 | 5.00 | 0.60 | 1.10 | 0.04 |
| 5 | 0.11 | 0.04 | 0.05 | 13.90 | 2.00 | 12.50 | 4.80 | 0.60 | 0.04 | |
| 6 | 0.12 | 0.05 | 0.05 | 14.00 | 2.00 | 12.50 | 4.90 | 0.60 | 0.02 | |
| 7 | 0.12 | 0.05 | 0.05 | 14.20 | 1.80 | 12.00 | 4.80 | 0.60 | 0.50 | 0.02 |
| 新发明GBC-1 | 0.100.20 | ≤0.50 | ≤0.50 | 12.515.0 | 1.503.00 | 12.514.5 | 4.006.50 | 0.500.85 | 0.201.50 | ≤0.20 |
表7(wt％)
| 专利号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Co | Mo | V | W | Nb |
| US 5,424,028 | 0.12 | 14.00 | 2.00 | 12.50 | 4.75 | 0.60 | 0.02 |
表8
Claims (3)
1.一种高强度不锈齿轮钢，其特征在于，包括如下重量百分配比的化学元素：C：0.10～0.20％，Mn：≤0.50％，Si≤0.50％，Cr：12.5～15.0％，Ni：1.50～3.00％，Mo：4.00～6.50％，V：0.50～0.85％，Co：12.5～14.5％，W：0.20～1.50％，Nb：≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的高强度不锈齿轮钢的制造方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)选用低杂质含量的金属料作为原材料；
(2)冶炼工艺：采用真空感应和真空自耗重熔工艺，真空感应冶炼时，真空度达到2.7Pa以下时装料，精炼期温度控制在1570℃～1590℃，精炼时间≥45分钟，浇铸温度控制在1540℃～1560℃；真空自耗重熔时漏气率≤0.4PaL/S，水压≥0.25MPa，水温差≤10℃，采用短弧熔炼，控制电压稳定；
(3)锻造工艺：钢锭加热温度在1160℃～1220℃，锻后进行670℃～700℃退火；
(4)轧制工艺：轧制时加热温度1100℃～1150℃，轧后760℃～810℃退火；
(5)热处理工艺：采用1000℃～1150℃固溶和低于-80℃深冷处理工艺，再经500℃～530℃时效和低于-80℃深冷处理工艺。
3.如权利要求2所述的高强度不锈齿轮钢的制造方法，其特征在于所述步骤(3)中，钢锭锻造时两镦两拔。
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