CN105039867A - 一种加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加氮20MnCr5齿轮钢，其组分及重量百分比(Wt%)是：C：0.18%~0.21%，Si：≤0.12%，Mn：1.25%~1.35%，Cr：1.16%~1.24%，P：≤0.020%，S：0.020%~0.030%，Al：0.025%~0.045%，N：0.0060%~0.0100%，还包括如下重量百分比(Wt%)的残余成分：Ni：≤0.10%，Cu：≤0.10%，B≤0.0003%，[O]≤15×10^-6。剩余的为Fe和一些其它微量残余元素。具有性能稳定、淬透性窄带化、热处理变形较小、表面质量良好的优点。

Description

一种加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域，涉及一种用于汽车后桥齿轮、轴类、蜗杆等零件的加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法。

背景技术

Mn-Cr系齿轮钢，是我国从德国引进的钢号，是一种高标准轿车齿轮用钢。国内生产的奥迪、捷达、桑塔纳等轿车都采用该系列的钢种。20MnCr5钢，属渗碳钢类，要求调质后使用。该钢种淬透性很好、热处理变形小、低温韧性好、切削加工性能好，可作为渗碳件和截面较大的调质件。国内外对20MnCr5钢要求纯净度高、表面质量好、尺寸公差窄、冷加工性能好、组织均匀、晶粒细小、淬透性带窄等。目前，国内对20MnCr5钢要求钢中氧含量控制在20ppm以下，一些高端用户要求钢中的氧含量≤15ppm；某些客户要求调质后钢的屈服强度≥1100MPa、抗拉强度≥1300MPa。为保证齿轮钢产品质量，现有技术中的生产工艺主要有：

公开号：CN102517521A，名为“一种MnCr渗碳齿轮钢及其制造方法”的专利，介绍了C:0.25-0.30%、Si≤0.12%、Mn:0.60-0.80%、Cr:0.80-1.10%、P≤0.035%、S:0.020-0.050%、Al:0.020-0.055%、[O]≤20ppm的齿轮钢制造，其残余N含量控制在60ppm左右。C含量较高，C偏析几率增大，容易导致带状组织严重，生产的齿轮钢带状组织达到3.0级，齿轮的热处理变形程度会增大。

公开号:CN101864540A，名为“一种含微量Ti的20MnCr5棒材”的专利，介绍了为减少棒材表面裂纹现象，在钢中增加含Ti：0.010%～0.015%，减少了钢中氮化铝的量，进而减少铸坯在生产20MnCr5棒材时出现裂纹的现象。棒材的成分为：C:0.15-0.22%，Cr:1.00-1.30%，Mn:1.10-1.30%,Ti:0.010-0.015%,Si≤0.40%，S≤0.035%，Al:0.015-0.050%。加入Ti后，虽然有利于解决表面质量问题，但却增加了成本，容易生产硬而脆的TiN夹杂，影响齿轮的疲劳寿命；而且要求Ti含量控制较窄，导致生产难度增加。

公开号：CN101613782A，名为“一种含氮、硫非调质钢的生产方法”的专利，介绍了一种含0.0100-0.0200%的氮、0.050-0.100%硫非调钢的生产方法。该专利采用精炼过程钢包底吹氮气及加入金属氮化物控制钢中的氮含量，虽然有利于解决钢中裂纹和漏钢问题，但是底吹N的收得率不稳定，控制起来较困难；另外含S量较高，A类非金属夹杂物级别会较高，会降低产品的综合性能，但专利中未提及A类夹杂物水平。

公开号：CN102312054A，名为“LF炉低碱度渣精炼工艺”的专利，介绍了控制渣碱度为0.8～1.3，并控制熔渣成份，使钢水中形成具有较低熔点和良好塑性变形的复合夹杂物颗粒，并迅速上浮，有利于钢水中夹杂物得到有效排除，显著改善钢水的洁净度，明显提高钢坯质量，使钢坯的疏松、裂纹、偏析、非金属夹杂物等缺陷大幅度降低，钢材的非金属夹杂物，特别是B类、D类氧化物夹杂显著降低，但未提及钢中S成分的控制及其A类夹杂物的控制。

《上海金属》中1991年7月公开的“桑塔纳轿车齿轮用20MnCr5钢的研制”文献，介绍了一种组分重量百分比(Wt%)是：C：0.17%~0.22%，Si：≤0.12%，Mn：1.25%~1.35%，Cr:1.15%~1.25%,S：0.020%~0.035%，P：≤0.035%、Al：0.020%~0.055%的20MnCr5齿轮钢，其残余元素实际控制较高，O含量0.0017-0.0023%，N含量0.0057-0.0076%。钢中的氧含量控制较差，会降低齿轮的疲劳寿命；同时文中未提及N元素的控制及O含量的生产控制方法。

《特殊钢》2002年9月公开的“Mn-Cr系列齿轮钢的开发”文献中介绍将钢中Si控制在0.12%以下，解决了20MnCr5晶间氧化深度的问题，但钢中合金含量控制范围较宽，不利于淬透性窄带化控制。

以上提供的MnCr齿轮钢的生产方法不利于同时满足高纯净度、窄淬透性、低成本、长使用寿命的要求。本发明针对现有技术的齿轮钢成分设计、生产工艺中的不足及轿车齿轮发展的高技术要求，开发生产了一种高强度、高洁净度、性能稳定、成本较低且齿轮变形程度较小的20MnCr5齿轮钢。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种加氮20MnCr5齿轮钢及其生产方法，它具有纯净度高、淬透性窄、性能稳定、易加工且生产成本低等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种加氮20MnCr5齿轮钢，其组分及重量百分比(Wt%)是：C：0.18%~0.21%，Si：≤0.12%，Mn：1.25%~1.35%，Cr：1.16%~1.24%，P：≤0.020%，S：0.020%~0.030%，Al：0.025%~0.045%，N：0.0060%~0.0100%，还包括如下重量百分比(Wt%)的残余成分：Ni：≤0.10%，Cu：≤0.10%，B≤0.0003%，[O]≤15×10^-6。剩余的为Fe和一些其它微量残余元素。

一种加氮20MnCr5齿轮钢的生产方法，其生产步骤是：

第一步：转炉冶炼，严格控制终点钢中游离氧、P含量，杜绝出钢下渣，将钢中游离氧控制在≤400ppm；P≤0.015%；

第二步：炉外精炼，取首个成分样后根据检测的钢水成分将钢中S调整至0.023%~0.027%，控制精炼渣碱度在0.8~1.5，确保炉渣流动性良好，同时控制好Ar气压，防止钢水翻滚严重造成卷渣；对钢水进行真空脱气处理，全程使用氩气作为环流气体，在小于0.266kPa真空度以下处理时间≥10min，退泵后使用氮气环流15min以上；复压后进行Ca处理，同时弱搅拌镇静，软吹氩时间≥15min，保证夹杂物充分上浮；

第三步：连铸，采用≤35℃的过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电磁搅拌技术，使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；

第四步：连铸坯进行缓冷处理，要求铸坯入坑温度≥650℃，出坑温度≤180℃，缓冷时间＞48h；

第五步：加热轧制，对缓冷处理后的铸坯进行加热，加热温度为1200±20℃，总加热时间≥220min，控制钢坯在高温段时间50~100min，使钢坯加热均匀且高温段时间不超长，铸坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净；

第六步：冷却定尺，在轧制结束后送上冷床冷却，根据生产节奏当温度≥300℃时剪切，≤300℃时采用砂轮锯切，制得20MnCr5齿轮钢。

本发明的有益效果是：1、LF造低碱度渣，有效提高钢的洁净度，降低钢中B、D类夹杂物级别；2、RH脱气过程全程使用氮气环流增氮，通过与钢中Al反应生成AlN，进一步细化晶粒，提高钢的强度，同时加入一定量的N可以降低钢的淬透性，减轻齿轮钢加工成齿轮进行热处理的变形程度；3、冶炼、连铸过程严格控制，确保钢坯成分窄带化、成分均匀化控制良好，确保钢材的末端淬透性窄带化；4、连铸坯进行缓冷处理，降低了成分偏析程度；5、加入一定含量的S，有利于提高钢材的加工切削性。具有性能稳定、淬透性窄带化、热处理变形较小、表面质量良好的优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

一种加氮20MnCr5齿轮钢，其组分及重量百分比(Wt%)是：C：0.18%~0.21%，Si：≤0.12%，Mn：1.25%~1.35%，Cr：1.16%~1.24%，P：≤0.020%，S：0.020%~0.030%，Al：0.025%~0.045%，N：0.0060%~0.0100%，还包括如下重量百分比(Wt%)的残余成分：Ni：≤0.10%，Cu：≤0.10%，B≤0.0003%，[O]≤15×10^-6。剩余的为Fe和一些其它微量残余元素。

一种加氮20MnCr5齿轮钢的生产方法，其生产步骤是：

第一步：转炉冶炼，严格控制终点钢中游离氧、P含量，杜绝出钢下渣，将钢中游离氧控制在≤400ppm；P≤0.015%；

第二步：炉外精炼，取首个成分样后根据检测的钢水成分将钢中S调整至0.023%~0.027%，控制精炼渣碱度在0.8~1.5，确保炉渣流动性良好，同时控制好Ar气压，防止钢水翻滚严重造成卷渣；对钢水进行真空脱气处理，全程使用氩气作为环流气体，在小于0.266kPa真空度以下处理时间≥10min，退泵后使用氮气环流15min以上；复压后进行Ca处理，同时弱搅拌镇静，软吹氩时间≥15min，保证夹杂物充分上浮；

第三步：连铸，采用≤35℃的过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电磁搅拌技术，使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；

第四步：连铸坯进行缓冷处理，要求铸坯入坑温度≥650℃，出坑温度≤180℃，缓冷时间＞48h；

第五步：加热轧制，对缓冷处理后的铸坯进行加热，加热温度为1200±20℃，总加热时间≥220min，控制钢坯在高温段时间50~100min，使钢坯加热均匀且高温段时间不超长，铸坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净；

第六步：冷却定尺，在轧制结束后送上冷床冷却，根据生产节奏当温度≥300℃时剪切，≤300℃时采用砂轮锯切，制得20MnCr5齿轮钢。

在本发明所述的化学成份范围内，确定实施例1、2、3化学成份（wt%）如表1所示，其中均控制Fe为97.5-98.0，O≤15×10^-6。实施例1、2、3的冶炼及轧制过程控制如表2所示，制得的20MnCr5齿轮钢成品高低倍组织及末端淬透性性能分别如表3、表4所示。

表1、表2、表3、表4中的对比例1为公开号为CN102517521A的专利的化学成分、生产过程及产品质量情况；对比例2为公开号为CN101864540A专利的化学成分、生产过程及产品质量情况。

表120MnCr5化学成分（Wt，%，*：ppm）

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	Ti	O*	N*
											实例1	0.19	0.04	1.32	0.010	0.027	1.20	0.031	0.0005	12.1	80
实例2	0.20	0.05	1.33	0.011	0.025	1.21	0.030	0.0004	10.4	76
											实例3	0.20	0.04	1.34	0.009	0.024	1.23	0.032	0.0005	11.2	74
对比例1	0.28	0.08	0.74	0.014	0.028	0.97	0.031	——	16.4	——
											对比例2	0.20	0.23	1.30	0.010	0.016	1.23	0.031	0.013	——	——

表2过程参数控制

表320MnCr5组织性能

表420MnCr5力学性能

由表1～表4可知，采用本发明生产的20MnCr5齿轮钢成分波动较小，氧含量稳定控制在≤15ppm以下，采用氮气环流增氮工艺处理的氮含量收得率也较稳定；钢材的低倍组织、非金属夹杂物、带状组织等都控制在较低水平，奥氏体晶粒度稳定控制在7.5-8.0级、且没有出现混晶现象；钢材的力学强度较高且塑性良好，末端淬透性带宽控制在4HRC范围内，达到了极高水平。

本发明具有以下优点：1、LF造低碱度渣，有效提高钢的洁净度，降低钢中B、D类夹杂物级别；2、RH脱气过程全程使用氮气环流增氮，通过与钢中Al反应生成AlN，进一步细化晶粒，提高钢的强度，同时加入一定量的N可以降低钢的淬透性，减轻齿轮钢加工成齿轮进行热处理的变形程度；3、冶炼、连铸过程严格控制，确保钢坯成分窄带化、成分均匀化控制良好，确保钢材的末端淬透性窄带化；4、连铸坯进行缓冷处理，降低了成分偏析程度；5、加入一定含量的S，有利于提高钢材的加工切削性。具有性能稳定、淬透性窄带化、热处理变形较小、表面质量良好的优点。

Claims (2)

1.一种加氮20MnCr5齿轮钢，其特征在于组分及重量百分比(Wt%)是：C：0.18%~0.21%，Si：≤0.12%，Mn：1.25%~1.35%，Cr：1.16%~1.24%，P：≤0.020%，S：0.020%~0.030%，Al：0.025%~0.045%，N：0.0060%~0.0100%，还包括如下重量百分比(Wt%)的残余成分：Ni：≤0.10%，Cu：≤0.10%，B≤0.0003%，[O]≤15×10^-6；剩余的为Fe和一些其它微量残余元素。

2.如权利要求1所述一种加氮20MnCr5齿轮钢的生产方法，其特征在于生产步骤是：

第一步：转炉冶炼，严格控制终点钢中游离氧、P含量，杜绝出钢下渣，将钢中游离氧控制在≤400ppm；P≤0.015%；

第二步：炉外精炼，取首个成分样后根据检测的钢水成分将钢中S调整至0.023%~0.027%，控制精炼渣碱度在0.8~1.5，确保炉渣流动性良好，同时控制好Ar气压，防止钢水翻滚严重造成卷渣；对钢水进行真空脱气处理，全程使用氩气作为环流气体，在小于0.266kPa真空度以下处理时间≥10min，退泵后使用氮气环流15min以上；复压后进行Ca处理，同时弱搅拌镇静，软吹氩时间≥15min，保证夹杂物充分上浮；

第三步：连铸，采用≤35℃的过热度、恒拉速、液面自动控制技术、结晶器电磁搅拌技术、凝固末端电磁搅拌技术，使用包括大包长水口氩封、中包浸入式水口、中包覆盖剂、结晶器保护渣的措施对钢水进行全程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；

第四步：连铸坯进行缓冷处理，要求铸坯入坑温度≥650℃，出坑温度≤180℃，缓冷时间＞48h；

第五步：加热轧制，对缓冷处理后的铸坯进行加热，加热温度为1200±20℃，总加热时间≥220min，控制钢坯在高温段时间50~100min，使钢坯加热均匀且高温段时间不超长，铸坯出炉后采用高压水除鳞保证钢坯表面的氧化铁皮除干净；

第六步：冷却定尺，在轧制结束后送上冷床冷却，根据生产节奏当温度≥300℃时剪切，≤300℃时采用砂轮锯切，制得20MnCr5齿轮钢。