CN111286671B - 一种超纯净高温细晶粒齿轮钢、制造方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超纯净高温细晶粒齿轮钢及其制造方法，化学成分包括C：0.15～0.21％，Si：≤0.12％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，S：0.010‑0.025％，P≤0.025％，Ni：0.70‑1.00％，Mo：0.02～0.10％，B：0.0020‑0.0040％，Cu≤0.20％，Al≤0.05％，Ca≤0.0005％，Ti≤0.003％，N：0.0080～0.016％，且N＝(0.80～1.0)×(0.5％Al+0.7％B)式中元素符号代表元素的含量，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中氧化物特征值达到K1≤10，钢中按比例加入的Al、B、N可充分结合，在基体中生产大量的细小质点，使得在960℃以上的高温渗碳处理后基体晶粒度仍然在6级以上。

Description

一种超纯净高温细晶粒齿轮钢、制造方法及其应用

技术领域

本发明属于铁基特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种齿轮钢及其作为电动汽车减速机齿轮加工材料的应用。

背景技术

电动汽车减速机是一种精密的机械部件，其作用是把由高速转动的电机速度通过它降低转速，增加扭矩，从而实现汽车的高速行驶。减速机使用的齿轮因受到高速电机传递的大力矩，受到很大的冲击力，因此要求齿轮材料具有更高的疲劳强度，而纯净度对疲劳寿命的影响显著，因此电动汽车对齿轮钢纯净度有更高的要求，以满足高的电机转速对齿轮带来的冲击。

由于环保、节能、提高生产效率及成本等方面因素的考虑，齿轮高温低压渗碳技术正在被广泛采用。高温低压渗碳技术是将齿轮在真空下960℃以上的加热温度下进行渗碳处理，该技术可以让渗碳时间缩短50％以上，从而可以大大提高生产效率，节约大量生产成本。

高温低压渗碳技术要求齿轮材料在960℃以上的加热温度下晶粒不能粗化即仍然保持细晶粒的状态，因此对齿轮钢的生产技术及成分设计提出更高要求。为获得细小晶粒，通常采用的方法是在钢中加入Al、N元素，通过在钢中析出的AlN钉扎晶界从而起阻止晶粒长大的作用，但钢中AlN质点在930℃以上开始固溶，当温度达到960℃基本上全部固溶于钢中而失去了细化晶粒的作用，因此需要再加入如Ti、Nb、V等元素，通过元素的复合作用细化晶粒。钢中加入Ti对晶粒粗化的抑制作用较大，但易生产大颗粒的TiN夹杂，恶化钢的疲劳性能。V细化晶粒的原理是生产VC或V(C,N)，但析出物的固溶温度较低，在高温下也会固溶于钢中而失去细化晶粒的效果。

专利CN103924030A公开了一种超纯净钢的生产方法，它是采用真空电炉或真空感应炉冶炼并真空浇注，氧含量在10ppm以下时，添加0.5～3kg/t的Si-Ca-Al-Mg-RE复合脱氧剂，添加后静置1～10min进行真空浇注可获得全氧含量在4ppm以下纯净钢。同时，通过采用稀土复合添加剂对钢中夹杂物变质处理，减小夹杂物的尺寸，减少钢中的夹杂物数量，为钢液的纯净化冶炼提供了新的有效途径。该专利生产的钢因采用高要求的装备及工艺，很难批量生产，且生产成本很高，难以推广。

专利CN102560255A公开了一种高温真空渗碳齿轮用钢，其重量百分比为，C：0.10～0.30％，Si：0.15～0.25％，Mn：0.60～0.90％，P≤0.025，S：0.010～0.020％，Cr：0.85～1.25％，Al：0.033～0.055％，N：0.0160～0.0300％，Ti：0.001～0.009％，[O]≤0.0020％，其余为Fe以及不可避免杂质。采用微合金化方式，控制齿轮钢高温真空渗碳过程中奥氏体晶粒异常长大，使钢材晶粒度能控制在7.0-8.0级。该齿轮用钢采用了更高含量的N、Al、Ti来钉扎组织细化晶粒，过高的Ti含量不利于钢材的表面质量及纯净度，且AlN的析出物不耐高温，高温渗碳处理时固溶于基体。

发明内容

本发明为了满足电动汽车减速机的核心部件齿轮的使用要求，开发了一款超纯净高温细晶粒齿轮钢，该齿轮钢在960℃以上的渗碳热处理后仍能够保持较细的晶粒度(6级以上。本发明的齿轮钢属于一款性能更加优异的齿轮钢，满足了电动汽车减速机的齿轮使用要求。

区别于现有齿轮钢的一般氧化物特征值要求K4或K3≤30，通过钢水冶炼的调整，提高了钢基体的纯净度，按DIN50602K法评级钢基体中的氧化物特征值达到K1≤10。

区别于一般齿轮钢采用Al和/或Ti、V、Nb的一种或几种配合细化晶粒的设计思路，本发明采用Al、B析出物复合作用，使的高温渗碳处理后基体晶粒度仍保持细小的效果，细化晶粒的效果优于Al和/或Ti、V、Nb的作用。B在钢中生产的BN可细化晶粒同时提高齿轮齿钢的弯冲性能，是强化齿根强度的一种方法，这也是B有别于其一般在钢中提高淬透性的作用。

本发明的齿轮钢化学成分设计为，按重量百分比C：0.15～0.21％，Si：≤0.12％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，S：0.010-0.025％，P≤0.025％，Ni：0.70-1.00％，Mo：0.02～0.10％，B：0.0020-0.0040％，Cu≤0.20％，Al≤0.05％，Ca≤0.0005％，Ti≤0.003％，N：0.0080～0.016％，且N＝(0.80～1.0)×(0.5％Al+0.7％B)式中元素符号代表元素的含量，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选地，该齿轮钢还包含Nb：0.01-0.06％。

齿轮用钢化学成分各元素对应的主要作用及设计依据是：

C是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。为保证齿轮渗碳及淬火回火后心部有良好的的强韧性，考虑到有些齿轮需焊接等因素确定了本发明钢碳含量范围。

Si作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性，但Si在钢渗碳时会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量，因此Si含量的范围确定为≤0.12％。

Mn对钢起固溶强化作用，利用Mn强烈提高钢的淬透性并具有成本低的特点确定本发明钢含量范围。

Cr对钢起固溶强化作用，利用Cr提高钢的淬透性并具有成本低的特点确定本发明钢含量范围。

Ni在钢材中的作用除了提高淬透性,和Cr、Mo配合，保证渗碳层合适的碳浓度，从而改善渗碳层的韧性。Ni的另一个作用是提高钢的冲击韧性，最终提高材料的疲劳强度,但Ni价格高增加钢的成本，保证该发明钢性能的前提下，确定本发明钢Ni的控制含量。

Mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性，细化晶粒，提高韧性，Mo成本高，考虑到本发明中Ni含量较高可保证该发明钢的冲击韧性，所以将Mo含量的范围确定为0.02～0.10％作为对提高淬透性的补充元素。

B在本发明钢中不是提高淬透性的作用，作为BN在晶界析出细化晶粒并提高钢的冲击韧性。

S的加入可以提高钢的切削性能，但会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，因此综合以上因素确定S含量范围为0.010～0.025％。

Al在钢中除作为脱氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝颗粒以细化晶粒为主，合适的Al含量通过与钢中N配合使用。

Ti在钢中以碳氮化钛夹杂物的形式存在，影响齿轮的疲劳寿命，应严格控制在较低水平。

Ca含量高会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，使钢的性能变差，应严格控制在较低水平。

N与Al、B、Ti、Nb、V等元素结合并析出形成相应的析出物，用于细化晶粒，其含量的确定与钢中Al、B、Ti、Nb、V等元素各含量有关，本申请中Ti、Nb、V都作为残余元素存在，其中Ti由于会形成硬的质点影响齿轮的抗疲劳性，因此是要被严格控制含量的。本申请中只需要考虑作为积极作用的Al和B与N相对含量控制，根据结合特性，将N的含量按照(0.80～1.0)×(0.5％Al+0.7％B)进行控制。

上述超纯净高温细晶粒齿轮钢的制造方法，主要按照钢水经电炉或转炉初炼，再经炉外精炼及真空脱气处理，钢水浇注成连铸坯，经加热后再轧制成成品；

所述初炼：将原料和铁水装入电炉或转炉中，通电并辅以吹氧助熔，初炼终点C的含量控制在0.05％以上,钢水温度在1650℃以上，挡渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化；

精炼：将初炼钢水包用行车吊至LF精炼炉，接通底吹氩装置，送电加热，LF炉送电10分钟后补加石灰，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧，精炼渣面加入SiC粉及铝粉进行扩散脱氧，控制炉渣四元碱度B＝1.15～1.35，为保证炉渣的流动性控制炉渣中MgO≤5.0％，同时保证钢中的[S]在0.015％以上，最高也不要超过0.025％，可按照目标值的上限+0.005％进行多添加，精炼时间大于30分钟，出钢前将各合金元素全部调整至目标值；

真空脱气：将完成精炼的钢水包吊入VD罐内，接通Ar气管，并盖上真空盖，抽真空，真空脱气；破空后根据钢水中[Al]、[B]含量按计算配比喂入氮线，VD脱气出钢后软吹氩；

连铸：将钢水包吊至连铸大包回转台，控制中间包钢水过热度15-30℃，全程保护浇注，得到连铸坯；

轧制：将连铸坯重新加热至1150-1280℃之后对其进行轧制，铸坯经高压水除鳞后轧制，开轧温度1050-1180℃，终轧温度≥850℃，将方坯轧成圆钢，轧后及时收集并缓冷。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

本发明采用Al和B配伍作为细化晶粒的核心元素，易于实现，成本低。通过控制Al、B、N元素合理配比，考虑到N元素在钢水中含量不稳定，因此精确控制N的含量十分必要，结合经验和试验，将N含量控制在(0.80-1.0)×(0.5％Al+0.7％B)的范围可以使钢中[N]与[Al]、[B]充分结合，B、N在钢液凝固即连铸时在晶界析出，Al、N在加热过程中在晶界析出AlN，因他们的质点很小(尺寸在0.04-0.20mm范围内)，在钢材加热到其完全固溶温度之前钉扎晶界从而阻止晶粒的长大，由于钢中按比例加入的Al、B、N可充分结合，就会生产大量的细小质点(参见图1)，可以保证经过960℃以上高温处理后晶粒度始终在6级以上，因此，本申请的齿轮钢能够完全适应后期进行的低压高温渗碳处理，有助于节约齿轮加工成本，符合节能、环保、提高效率的需求，具有较好的应用前景。

本发明齿轮钢的生产工艺中，对电炉(初炼)出钢终点[C]的含量控制是为了在初炼终点将O含量控制在较低水平，再在出钢过程中添加脱氧剂，可以利用出钢时钢水的流动性来强化脱氧，为减轻LF精炼时的脱氧负担。LF精炼时将四元碱度控制在1.15-1.35，并控制渣中MgO≤50％，其目的是确保炉渣良好的流动性，提高炉渣对杂质的吸附，尤其地，将精炼过程中S含量控制在0.015％以上，有助于稳定钢水中的N含量，这是因为，炉渣流动性变好了，炉渣的活性位点就多了，此时N作为轻质元素也容易上浮而被炉渣吸附，造成N元素的流失，而钢水冶炼的经验是通过控制S元素可以抑制N的流失，S的活性高于N，S占据了炉渣的活性位点，从而一定程度上可减少N的流失。

VD高真空处理后的软吹氩时间大于30分钟，有别于LF采用传统的大渣量高碱度渣以及对VD真空处理时间的限制，本申请可以使钢中的细小夹杂物充分上浮及炉渣的吸附，并消除大颗粒夹杂物的存在，按DIN50602K法评级氧化物特征值可以达到K1≤10，因炉渣量及碱度适中，流动性好，因此降低了过程成本。

附图说明

图1为本发明齿轮钢的晶相图，图中可明显看到AlN、BN析出质点。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

齿轮钢的具体生产流程为：100t电炉—炉外精炼—VD真空脱气—300×340mm连铸坯—铸坯再加热-轧制-钢材缓冷-精整、修磨。具体如下

电炉冶炼(初炼)

1)入炉原料中经预处理的铁水占30～60％，其余为精选优质废钢；

2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：对电炉进行终点出钢碳控制，[C]终点不小于0.05％，[P]0.015％；在钢包中部分合金化，并定量加入合成渣及脱氧剂预脱氧，出钢过程中采用留钢操作防止下氧化渣。

LF炉精炼

1)LF炉送电10分钟后补加石灰200kg，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧，精炼渣面加入SiC粉及铝粉进行扩散脱氧，保持炉渣流动性良好(四元碱度控制在1.15-1.35，MgO≤5.0％)；

2)精炼取第1个化学成分样，调整Cr、Ni、Mn、Mo至内控下限，分析第2个样后，微调所有成分进入目标值，[S]按标准上限+0.005％加入，至少5分钟出钢；

3)LF精炼时间控制在40分钟以上。

VD真空脱气及软吹氩

1)高真空度(133Pa)下保持时间大于10分钟；

2)破空后取样分析，根据[Al]、[B]含量按计算配比喂入氮线，并调整其它元素含量，不能加入钢中不作要求的元素；

3)出VD后软吹氩时间≥30分钟。

连铸

1)连铸全过程保护浇铸，设定结晶器、二冷段电磁搅拌参数；

2)连铸钢水过热度目标控制在15～30℃，第一炉过热度允许高出连浇炉10℃，拉速控制在0.5～0.85m/min；

3))连铸坯550℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上。

轧制

1)连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热，预热段温度控制在600-800℃，加热段及均热段温度均控制在1150-1280℃，保温4-6小时；

2)开轧温度1050-1180℃，终轧温度≥900℃，将方钢轧成圆钢。

3)钢材冷却工艺：钢材入坑缓冷24小时以上。

(一)按照上述制备方法三个实施例齿轮钢的化学成分(wt％)见表1。

表1

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	B
										1	0.18	0.10	1.15	0.015	0.015	1.20	0.02	0.05	0.0026
2	0.20	0.08	1.13	0.020	0.013	1.18	0.02	0.03	0.0023
										3	0.18	0.08	1.16	0.012	0.018	1.22	0.02	0.05	0.0027

表1(续)

实施例	Al	Cu	Nb	Ca	Ti	N	O
								1	0.033	0.04	-	0.0001	0.0020	0.014	0.0008
2	0.032	0.03	-	0.0001	0.0022	0.0013	0.0006
								3	0.035	0.04	0.021	0.0001	0.0015	0.0015	0.0009

(二)各实施例钢材高温晶粒度检验结果见表2

表2

淬火温度	轧材规格	960℃×4h，水淬	980℃×4h，水淬	1000℃×4h，水淬
					实施例	mm	晶粒度，级	晶粒度，级	晶粒度，级
1	φ55	7.0	6.5	6-1
					2	φ70	7.0	6.0	6-1
3	φ110	8.0	7.5	7.5

上述三个实施例分别涉及不同的规格的齿轮圆钢，分别经过960℃、980℃、1000℃的高温处理后，晶粒度仍然在6级以上。从图1中可以很明显的看出，齿轮钢基体中具有分散均匀的析出质点，经质谱分析可以确认这些质点为AlN、BN质点。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超纯净高温细晶粒齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢的化学成分重量百分比为C：0.15～0.21%，Si：≤0.12%，Mn：1.00～1.30%，Cr：1.00～1.30%， S：0.010-0.025%，P≤0.025%，Ni：0.70-1.00%，Mo：0.02～0.10%，B：0.0020-0.0040%，Cu≤0.20%，Al≤0.05%，Ca≤0.0005%，Ti≤0.003%， N：0.0080～0.016%，且N=（0.80～1.0）×（0.5%Al+0.7%B）式中元素符号代表元素的含量，余量为Fe及不可避免的杂质；

按DIN50602K法评级钢基体中的氧化物特征值达到K1≤10，钢基体中析出AlN、BN质点，所述AlN、BN质点的尺寸为0.02～0.20μm，该齿轮钢满足在960℃以上的高温渗碳处理后晶粒度仍然在6级以上。

2.根据权利要求1所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢还包含Nb：0.01-0.06%。

3.一种制备权利要求1或2所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的方法，其特征在于：按照钢水经电炉或转炉初炼，再经炉外精炼及真空脱气处理，钢水浇注成连铸坯，经加热后再轧制成成品；

所述初炼：将原料和铁水装入电炉或转炉中，通电并辅以吹氧助熔，初炼终点C的含量控制在0.05%以上,钢水温度在1650℃以上，挡渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化；

所述精炼：将初炼钢水包用行车吊至LF精炼炉，接通底吹氩装置，送电加热，过程中加入造渣剂及扩散脱氧剂，控制炉渣四元碱度B=1.15～1.35，为保证炉渣的流动性控制炉渣中MgO≤5.0%，同时保证钢中的[S]在0.015%以上，最高也不要超过0.025%，可按照目标值的上限+0.005%进行多添加，精炼时间大于30分钟，出钢前将各合金元素全部调整至目标值；

所述真空脱气：将完成精炼的钢水包吊入VD罐内，接通Ar气管，并盖上真空盖，抽真空，真空脱气；破空后根据钢水中[Al]、[B]含量按计算配比喂入氮线，VD脱气出钢后软吹氩；

所述浇注：将钢水包吊至连铸大包回转台，控制中间包钢水过热度15-30℃，全程保护浇注，得到连铸坯；

所述轧制：将连铸坯重新加热至1150-1280℃之后对其进行轧制，铸坯经高压水除鳞后轧制，开轧温度1050-1180℃，终轧温度≥850℃，将方坯轧成圆钢，轧后及时收集并缓冷。

4.根据权利要求3所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的制备方法，其特征在于：初炼终点采用EBT滑板机构挡渣出炉。

5.根据权利要求3所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述真空脱气的持续时间不少于10分钟。

6.根据权利要求3所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述浇注时采用恒拉速浇注、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌工艺措施。

7.根据权利要求3所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述精炼时，LF炉送电10分钟后补加石灰，并用喂Al线的方法加强钢液强制脱氧，精炼渣面加入SiC粉及铝粉进行扩散脱氧。

8.一种根据权利要求1或2所述的超纯净高温细晶粒齿轮钢的应用，其特征在于：该齿轮钢作为电动汽车减速机的齿轮加工材料。

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