CN103589843A - 齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，控制齿轮钢棒材终轧温度为900～980℃，轧后采用三段冷却方式控制齿轮钢棒材的冷速，其工艺过程为：使轧后高温齿轮钢棒材先进行空冷，将棒材表面温度冷至800~830℃，将棒材的心表温差控制在150℃以内；对经过预冷却的棒材再进行强制风冷，控制棒材表面温度风冷至620~680℃；对经过强制冷却的棒材再进行保温缓慢冷却，冷却停留15~50min。本发明还公开了一种轧后在线控冷冷床装置，其冷床***由预冷冷床、风冷冷床和缓冷冷床三段步进冷床组合而成。本发明将带状组织能控制在2级以内，提高齿轮钢棒材组织均匀性，同时满足齿轮钢棒材下料加工的硬度要求。

Description

齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置

技术领域

本发明涉及一种齿轮钢材料生产工艺及其装置，特别是涉及一种轮钢轧材扎后热处理方法及其装置，应用于齿轮钢产品生产制造领域。

背景技术

齿轮钢是制造汽车变速箱、驱动后桥等传动零部件的关键材料，对包括带状组织在内的各项冶金指标均有很高的要求。齿轮钢中的带状组织，是指沿轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态，是钢材内部缺陷。带状组织的存在会使钢材的力学性能呈各向异性，沿着带状方向的性能优于其横向性能，即垂直带状方向塑性、冲击韧性和断面收缩率显著降低。含带状组织的齿轮钢切削加工时会加速刀具的磨损，渗碳过程会造成渗碳层不均匀，淬火过程中条带之间会产生内应力，容易引起齿轮的淬火畸变甚至产生裂纹。

Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系列是容易形成带状组织的齿轮钢种，尤其对于大规格方坯生产的直径在100mm以上的Cr-Mo，Cr-Ni-Mo系列齿轮钢棒材，普遍存在较严重的带状组织，且不易消除，一般要求带状组织≤3级。

枝晶偏析是带状组织形成的根本原因。齿轮钢钢液在凝固过程以树枝状方式长大，由于选分结晶导致枝晶干和枝晶间化学成分不均匀，枝晶间后凝固富集较多的C、Mn、Cr、Mo等合金元素，而枝晶干位置先凝固合金元素偏低。在铸坯轧制时粗大枝晶沿变形方向拉长，逐渐与变形方向一致，形成碳和合金元素的贫化带和富集带，在轧后缓慢冷却过程铁素体优先在合金元素贫化带形核，并向两侧合金元素富集带排碳，最后富集带形成珠光体，从而形成铁素体+珠光体带状组织。

通常通过优化连铸工艺、轧前对铸坯进行长时间高温均匀化退火，降低合金元素偏析程度，以减轻带状组织。但在连铸阶段改善枝晶偏析程度非常有限，高温均匀化过程铸坯烧损严重，高能耗，不理想。此外公布号为CN101381803A实用新型专利提出控制不同轧制工艺及参数减轻带状组织级别，但对于大规格棒材适用性较差，且不同钢铁企业受生产装备和条件限制，实际工艺实施难以进行。当前生产技术装备下，降低轧后冷速会加速带状组织的级别，提高冷速有利于改善带状组织。公布号为CN102876868A提出高温均匀化，增大奥氏体晶粒，轧后冷床入口处进行风冷提高低碳锰钢性能和均匀性。但对于淬透性较高的Cr-Mo及Cr-Ni-Mo等系列齿轮钢极易得到贝氏体组织导致硬度偏高，增加了齿轮钢的下料难度，降低了刀具使用寿命。齿轮钢的最佳切削硬度范围在160-230HB,现行棒材轧后控冷不足，夏季冷速慢带状组织严重，冬季冷速快棒材硬度偏高，组织性能不稳定，因此现行齿轮钢生产工艺难以满足高品质齿轮钢钢种的生产要求，采用传统轧后冷床空冷工艺齿轮钢带状级别一般只能控制在2.5级左右，见图5，从微观金相照片可见，齿轮钢带状倾向依然比较明显。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置，尤其适用于大规格连铸坯轧制且轧制参数不易调整条件下生产规格为φ40~200mm的齿轮钢棒材，带状组织能控制在2级以内，提高齿轮钢棒材组织均匀性，同时满足齿轮钢棒材下料加工的硬度要求。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，控制齿轮钢棒材终轧温度为900～980℃，轧后采用三段冷却方式控制齿轮钢棒材的轧后冷速，完成三段冷却处理工艺的齿轮钢棒材最终制成齿轮钢材料成品，其冷却处理工艺的具体工艺过程为：

a. 第一段预冷却工艺过程：使轧后高温齿轮钢棒材首先进行空冷，将齿轮钢棒材表面温度冷至800~830℃，目的在于降低棒材因轧制引起的心表温差，使齿轮钢棒材预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材的心表温差控制在150℃以内，同时延长高温区停留时间增大奥氏体晶粒为6.5~8级，为后段控冷做准备；

b．第二段强制冷却工艺过程：对经过第一阶段预冷却工艺过程的齿轮钢棒材再进行强制风冷，棒材快速穿过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制高温区先共析铁素体的带状析出，控制齿轮钢棒材表面温度风冷至620~680℃，根据齿轮钢棒材的钢种和规格确定齿轮钢棒材的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间和冷风对流强度；

c. 第三段缓慢冷却工艺过程：对经过第二段强制冷却工艺过程的齿轮钢棒材再进行保温缓慢冷却，保温缓慢冷却的起始温度为完成第二段强制冷却工艺过程时，齿轮钢棒材的最低表面温度，也即在第二段强制冷却工艺过程中的风冷下限温度，使齿轮钢棒材缓慢冷却停留15~50min，使过冷奥氏体充分向铁素体珠光体转变，然后出冷床经输出辊道到冷剪机定尺剪切为成品。

在第一段预冷却工艺过程中，齿轮钢棒材预冷停留优选为130s~170s。

在第三段缓慢冷却工艺过程中，缓慢冷却冷速优选为0.01~0.05℃/s。

本发明上述技术方案优选适用于齿轮钢棒材的规格为直径φ40~200mm的轧后冷却处理工艺。

本发明还通过了一种轧后在线控冷冷床装置，由轧后冷床输入辊道、冷床***、输出辊道和控制***构成，控制***与冷床***的一系列温度传感器输出端信号连接，温度传感器分别检测齿轮钢棒材进入冷床***的初冷温度和离开冷床***的终冷温度，控制***的指令信号输出端与冷床***的轧材输送机构，进而控制齿轮钢棒材的冷却速度和冷却停留时间，冷床***依次并列由预冷冷床、风冷冷床和缓冷冷床三段步进冷床组合而成，预冷冷床的接料部位与轧后冷床输入辊道邻接，风冷冷床采用轴流风机对其上方的齿轮钢棒材进行强制风冷，驱动齿轮钢棒材表面附近的空气进行对流，轴流风机布置于风冷冷床底部，缓冷冷床采用上下保温罩，上下保温罩皆由保温罩外壳、保温罩中间层和保温罩工作层三层复合而成，保温罩中间层位于保温罩外壳和保温罩工作层之间，上下保温罩的上下保温罩工作层之间形成缓冷冷床的保温工作内腔通道，预冷冷床的出料部位与输出辊道邻接，轧后高温的齿轮钢棒材经轧后冷床输入辊道向预冷冷床的接料部位，并被横移输送到达预冷冷床上进行空冷，控制预冷冷床上齿轮钢棒材表面温度冷至800~830℃，使齿轮钢棒材预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材的心表温差控制在150℃以内，完成预冷却后，齿轮钢棒材由预冷冷床横移输送到风冷冷床，控制***控制轴流风机对齿轮钢棒材进行强制风冷，根据齿轮钢棒材的钢种和规格确定轴流风机风量、风冷冷床步进速度、齿轮钢棒材的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间，齿轮钢棒材表面温度风冷至620~680℃，完成强制风冷后，齿轮钢棒材由风冷冷床快速横移送入到缓冷冷床的保温工作内腔通道内进行保温缓慢冷却， 使齿轮钢棒材缓慢冷却停留15~50min。

在上述保温罩外壳和保温罩工作层之间优选通过铺设保温石棉形成保温罩中间层，保温罩工作层优选由金属反射型保温材料形成。

上述预冷冷床的轧材输送机构优选采用具有大齿距的动齿条传动机构，使预冷冷床的齿条传动机构采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材，相比较预冷冷床，上述缓冷冷床的轧材输送机构优选采用具有小齿距的动齿条传动机构，使缓冷冷床的齿条传动机构也采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材，，运作时根据齿轮钢棒材规格，确定每个齿所放齿轮钢棒材数量，小规格齿轮钢棒材保温时每个齿上放两根齿轮钢棒材，以确保冷速足够缓慢，充分进行铁素体-珠光体转变，抑制贝氏体组织形成

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明利用轧后在线余热进行热处理，风冷能有效抑制大规格棒材带状组织的形成，节约生产成本，提高产品质量；

2. 本发明对于高淬透性的齿轮钢，风冷后缓冷能在线控制棒材组织满足硬度要求，出冷床无需进出缓冷坑，提高生产效率；

3. 本发明的冷床分段冷却工艺简单、适用性强，能根据不同钢种和规格的棒材调整分段冷却工艺。

附图说明

图1是本发明实施例一轧后在线控冷冷床装置的结构布局示意图。

图2是本发明实施例一的风冷冷床底部沿辊道方向风机分布示意图。

图3是本发明实施例一的缓冷冷床的上下保温罩安装结构示意图。

图4是采用本发明实施例一齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法的齿轮钢微观照片。

图5是现有技术采用传统轧后冷床空冷工艺齿轮钢微观照片。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～图4，一种轧后在线控冷冷床装置，由轧后冷床输入辊道1、冷床***、输出辊道2和控制***构成，控制***与冷床***的一系列温度传感器输出端信号连接，温度传感器分别检测齿轮钢棒材4进入冷床***的初冷温度和离开冷床***的终冷温度，控制***的指令信号输出端与冷床***的轧材输送机构，进而控制齿轮钢棒材4的冷却速度和冷却停留时间，其特征在于：冷床***依次并列由预冷冷床A、风冷冷床B和缓冷冷床C三段步进冷床组合而成，预冷冷床A的接料部位与轧后冷床输入辊道1邻接，风冷冷床B采用轴流风机5对其上方的齿轮钢棒材4进行强制风冷，驱动齿轮钢棒材4表面附近的空气进行对流，轴流风机5布置于风冷冷床B底部，缓冷冷床C采用上下保温罩，上下保温罩皆由保温罩外壳9、保温罩中间层8和保温罩工作层7三层复合而成，保温罩中间层8位于保温罩外壳9和保温罩工作层7之间，上下保温罩的上下保温罩工作层7之间形成缓冷冷床C的保温工作内腔通道，以减小齿轮钢棒材4的辐射传热，预冷冷床A的出料部位与输出辊道2邻接，轧后高温的齿轮钢棒材4经轧后冷床输入辊道1向预冷冷床A的接料部位，被横移输送到达预冷冷床A上进行空冷，控制预冷冷床A上齿轮钢棒材4表面温度冷至800~830℃，目的在于降低棒材因轧制引起的心表温差，使齿轮钢棒材4预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材4的心表温差控制在150℃以内，同时延长高温区停留时间增大奥氏体晶粒为6.5~8级，为后段控冷做准备，完成预冷却后，齿轮钢棒材4由预冷冷床A横移输送到风冷冷床B，控制***控制轴流风机5对齿轮钢棒材4进行强制风冷，棒材快速穿过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制高温区先共析铁素体的带状析出，根据齿轮钢棒材4的钢种和规格确定轴流风机5风量、风冷冷床B步进速度、齿轮钢棒材4的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间，齿轮钢棒材4表面温度风冷至620~680℃，完成强制风冷后，齿轮钢棒材4由风冷冷床B快速横移送入到缓冷冷床C的保温工作内腔内通道进行保温缓慢冷却， 使齿轮钢棒材4缓慢冷却停留15~50min，使过冷奥氏体充分向铁素体珠光体转变，同时缓冷合理控制冷速避免了冷速过快而转变为贝氏体组织，从而降低棒材硬度，提高切削加工性能。

在本实施例中，参见图1和图3，在保温罩外壳9和保温罩工作层7之间通过铺设保温石棉形成保温罩中间层8，保温罩工作层7由金属反射型保温材料形成。

在本实施例中，参见图1和图3，预冷冷床A的轧材输送机构为具有大齿距的动齿条传动机构，使预冷冷床A的齿条传动机构采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材4，并确保各齿轮钢棒材4与空气之间的换热，相比较预冷冷床A，缓冷冷床C的轧材输送机构为具有小齿距的动齿条传动机构，使缓冷冷床C的齿条传动机构也采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材4。

在本实施例中，齿轮钢棒材4生产出终轧后流程为：飞剪剪切→冷床输入辊道1→预冷冷床A→风冷冷床B→缓冷冷床C→冷床输出辊道2→定尺剪切→检测→打捆→入库。参见图1～图4，选取AISI 8620H(20CrNiMo)齿轮钢，连铸坯规格为300mm×300mm，终轧后齿轮钢棒材4直径为φ90mm，表面温度为940~980℃，轧后采用3段冷却方式控制轧后冷却速度，首先经过图1所示的轧后冷床输入辊道1沿着d2的输送方向，到达预冷冷床A的接收工位后，通过沿着d1方向平移，使齿轮钢棒材4输送到预冷冷床A上，在预冷冷床A上预冷130~150s，齿轮钢棒材4表面温度到达800~820℃，预冷冷床A上温度传感器接收温度信号，并将温度信号向控制***传输，控制***通过预冷冷床A的动齿条步进机构，沿着d1方向横移把棒材运输到风冷冷床B。如图2所示，轴流风机5对齿轮钢棒材4进行强制风冷，齿轮钢棒材4快速通过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制了沿轧制方向的先共析铁素体带状析出，风冷约335s至齿轮钢棒材4表面温度为640℃即风冷下限温度，快速沿着d1方向横移送入带有上下保温罩的缓冷冷床C进行保温，如图3所示，冷床C缓冷冷速为0.01~0.05℃/s，保温30min后经输出辊道2沿着d2的输送方向输出后，进行定尺剪切。经本实施例工艺棒材带状组织平均为1级，带状组织最低为0.5级，如图4所示，明显优于传统采用出终轧直接空冷工艺生产的带状组织为2.5级的齿轮钢，如图5所示。采用本实施例工艺和装备生产的齿轮钢的组织均匀性有较大提高，硬度为185HBS。采用本实施例工艺和装备生产的齿轮钢棒材4轧后控冷工艺控制带状组织，降低棒材硬度，充分利用轧后余热，提高产品质量及生产效率。经过该工艺方法和装备，可以有效实现大规格棒材冷却过程中截面温度变化的控制，从而实现带状组织和硬度的有效控制。不同规格棒材带状组织控制在0~2级，硬度控制在160~230HB，稳定棒材组织性能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，选取AISI 8620H(20CrNiMo)齿轮钢，连铸坯规格为300mm×300mm，终轧后齿轮钢棒材4直径为φ120mm，表面温度为930~970℃，经过轧后输出辊道1到达预冷冷床A，在预冷冷床A上预冷160~170s，齿轮钢棒材4表面温度达到800~830℃，预冷冷床A上温度传感器接收信号，控制***通过预冷冷床A的动齿条步进机构把齿轮钢棒材4运输到风冷冷床B。轴流风机5对齿轮钢棒材4进行强制风冷，齿轮钢棒材4快速通过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制了沿轧制方向的先共析铁素体带状析出，风冷约415s至齿轮钢棒材4表面温度为640℃即风冷下限温度，快速横移送入带有上下保温罩的缓冷冷床C进行保温，缓冷冷床C缓冷冷速为0.01~0.05℃/s，保温20min后经输出辊道2后进行定尺剪切。采用本实施例工艺和装备生产的φ120mmAISI 8620H齿轮钢的带状组织为1级，硬度为179HBS。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，选取Cr-Mo系SCM822H(22CrMoH)齿轮钢，连铸坯规格为300mm×340mm，终轧后齿轮钢棒材4直径为φ90mm，表面温度为930~980℃，经过轧后输出辊道1到达预冷冷床A，在预冷冷床A上预冷130~150s，齿轮钢棒材4表面温度为800~830℃，控制***通过预冷冷床A的动齿条步进机构把棒材运输到风冷冷床B。轴流风机5对齿轮钢棒材4进行强制风冷，齿轮钢棒材4快速通过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制了沿轧制方向的先共析铁素体带状析出，风冷约400s齿轮钢棒材4表面温度为660℃即风冷下限温度，快速横移送入带有上下保温罩的缓冷冷床C进行保温，缓冷冷床C缓冷冷速为0.01~0.05℃/s，保温40min后经输出辊道2后进行定尺剪切。采用本实施例工艺和装备生产的φ90mm SCM822H齿轮钢带状组织为1.5级，硬度为198HBS。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，其特征在于，控制齿轮钢棒材终轧温度为900～980℃，轧后采用三段冷却方式控制齿轮钢棒材的轧后冷速，完成三段冷却处理工艺的齿轮钢棒材最终制成齿轮钢材料成品，其冷却处理工艺的具体工艺过程为：

a. 第一段预冷却工艺过程：使轧后高温齿轮钢棒材首先进行空冷，将齿轮钢棒材表面温度冷至800~830℃，使齿轮钢棒材预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材的心表温差控制在150℃以内；

b．第二段强制冷却工艺过程：对经过第一阶段预冷却工艺过程的齿轮钢棒材再进行强制风冷，控制齿轮钢棒材表面温度风冷至620~680℃，根据齿轮钢棒材的钢种和规格确定齿轮钢棒材的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间和冷风对流强度；

c. 第三段缓慢冷却工艺过程：对经过第二段强制冷却工艺过程的齿轮钢棒材再进行保温缓慢冷却，保温缓慢冷却的起始温度为完成第二段强制冷却工艺过程时，齿轮钢棒材的最低表面温度，也即在第二段强制冷却工艺过程中的风冷下限温度，使齿轮钢棒材缓慢冷却停留15~50min。

2.根据权利要求1所述齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，其特征在于：在第一段预冷却工艺过程中，齿轮钢棒材预冷停留130s~170s。

3.根据权利要求1或2所述齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，其特征在于：在第三段缓慢冷却工艺过程中，缓慢冷却冷速为0.01~0.05℃/s。

4.根据权利要求1或2所述齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，其特征在于：齿轮钢棒材的规格为直径φ40~200mm。

5.一种实施权利要求1所述齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法的轧后在线控冷冷床装置，由轧后冷床输入辊道（1）、冷床***、输出辊道（2）和控制***构成，所述控制***与所述冷床***的一系列温度传感器输出端信号连接，所述温度传感器分别检测齿轮钢棒材（4）进入所述冷床***的初冷温度和离开所述冷床***的终冷温度，所述控制***的指令信号输出端与所述冷床***的轧材输送机构，进而控制齿轮钢棒材（4）的冷却速度和冷却停留时间，其特征在于：所述冷床***依次并列由预冷冷床（A）、风冷冷床（B）和缓冷冷床（C）三段步进冷床组合而成，所述预冷冷床（A）的接料部位与所述轧后冷床输入辊道（1）邻接，所述风冷冷床（B）采用轴流风机（5）对其上方的齿轮钢棒材（4）进行强制风冷，驱动齿轮钢棒材（4）表面附近的空气进行对流，所述轴流风机（5）布置于所述风冷冷床（B）底部，所述缓冷冷床（C）采用上下保温罩，所述上下保温罩皆由保温罩外壳（9）、保温罩中间层（8）和保温罩工作层（7）三层复合而成，所述保温罩中间层（8）位于保温罩外壳（9）和所述保温罩工作层（7）之间，所述上下保温罩的上下保温罩工作层（7）之间形成所述缓冷冷床（C）的保温工作内腔通道，所述预冷冷床（A）的出料部位与所述输出辊道（2）邻接，轧后高温的齿轮钢棒材（4）经所述轧后冷床输入辊道（1）向所述预冷冷床（A）的接料部位，被横移输送到达所述预冷冷床（A）上进行空冷，控制所述预冷冷床（A）上齿轮钢棒材（4）表面温度冷至800~830℃，使齿轮钢棒材（4）预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材（4）的心表温差控制在150℃以内，完成预冷却后，齿轮钢棒材（4）由所述预冷冷床（A）横移输送到所述风冷冷床（B），所述控制***控制所述轴流风机（5）对齿轮钢棒材（4）进行强制风冷，根据齿轮钢棒材（4）的钢种和规格确定所述轴流风机（5）风量、所述风冷冷床（B）步进速度、齿轮钢棒材（4）的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间，齿轮钢棒材（4）表面温度风冷至620~680℃，完成强制风冷后，齿轮钢棒材（4）由所述风冷冷床（B）快速横移送入到所述缓冷冷床（C）的保温工作内腔内通道进行保温缓慢冷却， 使齿轮钢棒材（4）缓慢冷却停留15~50min。

6.根据权利要求5所述轧后在线控冷冷床装置，其特征在于：在保温罩外壳（9）和所述保温罩工作层（7）之间通过铺设保温石棉形成保温罩中间层（8），所述保温罩工作层（7）由金属反射型保温材料形成。

7.根据权利要求5或6所述轧后在线控冷冷床装置，其特征在于：所述预冷冷床（A）的轧材输送机构为具有大齿距的动齿条传动机构，使所述预冷冷床（A）的齿条传动机构采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材（4），相比较所述预冷冷床（A），所述缓冷冷床（C）的轧材输送机构为具有小齿距的动齿条传动机构，使所述缓冷冷床（C）的齿条传动机构也采用步进式横移输送方式输送齿轮钢棒材（4）。

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