CN113249652A - 一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢及其制备方法，属于柔轮用特殊钢的技术领域。所述柔轮用特殊钢采用中碳高强度特殊钢制成，以质量百分比计，所述中碳高强度特殊钢的化学成分为：C 0.44％～0.50％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.0％～1.20％、Cr 0.8％～2.20％、Ni 2.51％～2.80％、Mo 0.20％～0.25％、Nb 0.030％～0.04％、P≤0.012％、S≤0.005％，Cu 0.30％～0.40％；余量为Fe及不可避免的杂质。所述制备方法包括对柔轮用特殊钢的钢坯进行固溶热处理+两阶段热轧+一次正火+两次临界热处理+高温回火来控制晶粒细化和残余奥氏体组织。
Description
技术领域
本发明属于柔轮用特殊钢的技术领域，涉及一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢及其制备方法。
背景技术
目前，随着经济和社会的不断进步，越来越多的企业重视智能制造的发展趋势，因此国内出现很多的无人工厂。而无人工厂离不开机器人的参与，其中工业和协作机器人更是进入了快速的发展期。然而在国内机器人发展过程中，工业机器人或协作机器人的关键部件如谐波减速器性能成了整个机器人工业发展的瓶颈。
谐波减速器是一种靠波发生器与柔性轴承使柔性齿轮即柔轮产生弹性变形，并与刚性齿轮即刚轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动机构。其中谐波减速器的破环形式是主要是由于柔轮的疲劳开裂或者疲劳磨损，柔轮材料由于服役条件的特殊性，既要有一定的强韧性能，又要有较高的抗疲劳性能。
故而，柔轮材料的性能要求较为苛刻，其性能直接制约了国产谐波减速器的水平。特别是如何提升国产柔轮的水平，如何优化适合于谐波减速器用的柔轮材料的性能国内外很少有报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何采用特殊的合金设计，配合特殊的制备成型方法和热处理方法以控制残余奥氏体及组织均匀性；从而使得所制备柔轮材料的晶粒尺寸能够细化到10μm以下，具有良好的韧性和疲劳性能，便于谐波减速器的柔轮大规模制造。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种通过控制残余奥氏体来调节性能的柔轮用特殊钢及其制备方法，通过两阶段轧制、多步热处理和合金元素Nb来细化晶粒，同时结合碳含量和Ni含量的协同选择对材料的残余奥氏体进行控制，最终柔轮用特殊钢的晶粒尺寸小于10μm，残余奥氏体含量大于10％，以满足谐波减速器中对柔轮材料的抗疲劳性能需求。具体如下所示：
一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢，采用中碳高强度特殊钢制成，以质量百分比计，所述中碳高强度特殊钢的化学成分为：C 0.44％～0.50％、Si0.15％～0.25％、Mn1.0％～1.20％、Cr 0.8％～2.20％、Ni 2.51％～2.80％、Mo 0.20％～0.25％、Nb 0.030％～0.04％、P≤0.012％、S≤0.005％，Cu 0.30％～0.40％；余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地，所述柔轮用特殊钢的组织结构为合金的晶粒尺寸小于10μm，残余奥氏体含量大于10％。
优选地，所述柔轮用特殊钢的力学性能：硬度为39.0～40.2HRC，-40℃夏比冲击功为105～166J，装机后的疲劳寿命为10000～11000h。
为了能实现上述柔轮用特殊合金钢所具有的优良性能以及成分、晶粒的均匀性，针对中碳高强度合金成分和组织要求以及加入合金元素不同的特点，制定多步感应处理的热处理工艺。
一种所述的残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的制备方法，所述制备方法包括对柔轮用特殊钢的钢坯进行固溶热处理，然后进行两阶段热轧得到成型钢材，之后成型钢材经过一次正火、两次临界热处理和高温回火来控制晶粒细化和残余奥氏体组织。
优选地，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)固溶热处理：先将柔轮用特殊钢的钢坯加热至1140～1180℃，然后保温2小时；
(2)两阶段热轧：第一阶段热轧的开轧温度1100±10℃，终轧温度控制在960℃以上；第二阶段热轧的开轧温度820±10℃，终轧温度控制在780℃以上，得到柔轮用金属板材；
(3)一次正火处理：将所述柔轮用金属板材感应加热至830℃±10℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：对空冷后的柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为730℃±10℃，加热保温10min，之后空冷至300℃；
第二次临界热处理：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的临界加热温度调整为720℃±10℃，保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的回火感应加热温度调整为500℃±10℃，保温10min，最后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
优选地，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的轧制道次为三道次，第二阶段热轧的轧制道次为六道次。
优选地，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的三道次轧制压下量分别为20.6％～22.4％、22.7％～23.3％、24.3％～24.8％，第二阶段热轧的六道次轧制压下量分别为23.4％～23.6％、21.4％～22.5％、19.2％～21.0％、17.6％～18.6％、15.2％～15.3％、12.3％～12.6％。
本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
(1)本发明所制备的柔轮用特殊合金钢具备更加优异的使用性能，具有更加突出的抗疲劳性能，与原始钢锭相比，合金成分更加均匀、偏析减少、晶粒尺寸明显减小。
(2)本发明柔轮用特殊合金钢的制备方法能够实现精确控制。其中，本发明采用的固溶+两阶段热轧+多步热处理的制备工艺流程，利用感应加热装置对柔轮毛坯用材料进行处理，既能够实现快速加热和晶粒细化，又能够精确控制温度和时间，确保残余奥氏体含量稳定，从而保证了柔轮用特殊钢性能的稳定和服役过程的可靠性。
总之，本发明所述柔轮用特殊钢合金中厚板的制备方法，不仅能够提高合金的疲劳性能，而且能够在低温下也具有优良的韧性，同时满足合金长期稳定性能的要求，正好符合现有的谐波减速器用柔轮材料的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例1的一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的SEM图；
图2为本发明的实施例2的一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的SEM图；
图3为本发明的实施例3的一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的SEM图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢，采用中碳高强度特殊钢制成，以质量百分比计，所述中碳高强度特殊钢的化学成分为：C 0.44％～0.50％、Si0.15％～0.25％、Mn1.0％～1.20％、Cr 0.8％～2.20％、Ni 2.51％～2.80％、Mo 0.20％～0.25％、Nb 0.030％～0.040％、P≤0.012％、S≤0.005％，Cu 0.30％～0.40％；余量为Fe及不可避免的杂质。
其中，所述柔轮用特殊钢的组织结构为合金的晶粒尺寸小于10μm，残余奥氏体含量大于10％。
其中，所述柔轮用特殊钢的力学性能：硬度为39.0～40.2HRC，-40℃夏比冲击功为105～166J，装机后的疲劳寿命为10000～11000h。
为了能实现上述柔轮用特殊合金钢所具有的优良性能以及成分、晶粒的均匀性，针对中碳高强度合金成分和组织要求以及加入合金元素不同的特点，制定多步感应处理的热处理工艺。
一种所述的残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的制备方法，所述制备方法包括对柔轮用特殊钢的钢坯进行固溶热处理，然后进行两阶段热轧得到成型钢材，之后成型钢材经过一次正火、两次临界热处理和高温回火来控制晶粒细化和残余奥氏体组织。
特别地，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)固溶热处理：先将柔轮用特殊钢的钢坯加热至1140～1180℃，然后保温2小时；
(2)两阶段热轧：第一阶段热轧的开轧温度1100±10℃，终轧温度控制在960℃以上；第二阶段热轧的开轧温度820±10℃，终轧温度控制在780℃以上，得到柔轮用金属板材；
(3)一次正火处理：将所述柔轮用金属板材感应加热至830℃±10℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：对空冷后的柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为730℃±10℃，加热保温10min，之后空冷至300℃；
第二次临界热处理：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的临界加热温度调整为720℃±10℃，保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的回火感应加热温度调整为500℃±10℃，保温10min，最后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
特别地，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的轧制道次为三道次，第二阶段热轧的轧制道次为六道次。
特别地，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的三道次轧制压下量分别为20.6％～22.4％、22.7％～23.3％、24.3％～24.8％，第二阶段热轧的六道次轧制压下量分别为23.4％～23.6％、21.4％～22.5％、19.2％～21.0％、17.6％～18.6％、15.2％～15.3％、12.3％～12.6％。
实施例1
实验钢具体成分：
C:0.46％、Nb:0.039％、Cr:2.01％、Si:0.16％、Mn:1.03％、Ni:2.54％、Mo:0.21％、Cu:0.39％、S:≤0.005％、P:≤0.008％、其余为Fe及不可避免的杂质。
制备流程：
(1)将真空熔炼的钢锭加热至1150℃保温2h，使钢锭成分均匀化；
(2)将均匀化处理后的钢锭进行第一阶段的轧制，开轧温度1106℃，终轧温度987℃，三道次轧制压下量分别为22.4％、23.3％、24.8％；第二阶段开轧温度816℃，终轧温度控制在790℃，六道次轧制压下量分别为23.4％、22.5％、21.0％、18.6％、15.2％、12.3％，轧后加速冷却至室温；
(3)轧制后的样品经过第一次正火处理：将柔轮用金属板材感应加热到832℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：将柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为730℃，加热保温10min，之后空冷至300℃；
第二次临界热处理：将柔轮用金属板材，调整临界加热温度为720℃；保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：调整回火感应加热温度为500℃±10℃，保温10min，然后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
最终测得：柔轮用特殊钢的硬度为39.0HRC，-40℃夏比冲击功为166J，装机后疲劳寿命为11000h。
所制备的柔轮用特殊钢的组织结构如图1所示。
实施例2
实验钢具体成分：
C:0.48％、Nb:0.036％、Cr:1.91％、Si:0.17％、Mn:1.03％、Ni:2.58％、Mo:0.23％、Cu:0.37％、S:≤0.004％、P:≤0.006％、其余为Fe及不可避免的杂质。
制备流程：
(1)将真空熔炼的钢锭加热至1150℃保温2h，使钢锭成分均匀化；
(2)将均匀化处理后的钢锭进行第一阶段的轧制，开轧温度1104℃，终轧温度987℃，三道次轧制压下量分别为21.4％、23.0％、24.5％；第二阶段开轧温度790℃，终轧温度控制在745℃，六道次轧制压下量分别为23.5％、22.0％、19.6％、18.0％、15.2％、12.5％，轧后加速冷却至室温；
(3)轧制后的样品经过第一次正火处理：将柔轮用金属板材感应加热到831℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：将柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为731℃，加热保温10min，之后空冷至303℃；
第二次临界热处理：将柔轮用金属板材，调整临界加热温度为721℃；保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：调整回火感应加热温度为510℃，保温10min，然后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
最终测得：柔轮用特殊钢的硬度为39.5HRC，-40℃夏比冲击功为135J，装机后疲劳寿命为10500h。
所制备的柔轮用特殊钢的组织结构如图2所示。
实施例3：
实验钢具体成分：
C:0.50％、Nb:0.032％、Cr:1.81％、Si:0.18％、Mn:1.08％、Ni:2.60％、Mo:0.25％、Cu:0.35％、S:≤0.003％、P:≤0.005％、其余为Fe及不可避免的杂质。
制备流程：
(1)将真空熔炼的钢锭加热至1150℃保温2h，使钢锭成分均匀化；
(2)将成分均匀化的钢锭进行第一阶段的轧制，开轧温度1102℃，终轧温度987℃，三道次轧制压下量分别为20.6％、22.7％、24.3％；第二阶段开轧温度776℃，终轧温度控制在706℃，六道次轧制压下量分别为23.6％、21.4％、19.2％、17.6％、15.3％、12.6％；轧后720℃回火10min，再空冷至室温；
(3)轧制后的样品经过第一次正火处理：将柔轮用金属板材感应加热到830℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：将柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为732℃，加热保温10min，之后空冷至305℃；
第二次临界热处理：将柔轮用金属板材，调整临界加热温度为722℃，保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：调整回火感应加热温度为505℃，保温10min，然后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
最终测得：柔轮用特殊钢的硬度为40.2HRC，-40℃夏比冲击功为105J，装机后的疲劳寿命为10000h。
所制备的柔轮用特殊钢的组织结构如图3所示。
对比例选择40CrNiMoA作为谐波减速器的柔轮材料，将40CrNiMoA由制成的柔轮装入25-80型号的谐波减速器中，将该谐波减速器装入机器人中进行使用并使其负载5Kg，测得该柔轮的疲劳寿命时间为6000h。
综上可见，本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
(1)本发明所制备的柔轮用特殊合金钢具备更加优异的使用性能，具有更加突出的抗疲劳性能，与原始钢锭相比，合金成分更加均匀、偏析减少、晶粒尺寸明显减小。
(2)本发明柔轮用特殊合金钢的制备方法能够实现精确控制。其中，本发明采用的固溶+两阶段热轧+多步热处理的制备工艺流程，利用感应加热装置对柔轮毛坯用材料进行处理，既能够实现快速加热和晶粒细化，又能够精确控制温度和时间，确保残余奥氏体含量稳定，从而保证了柔轮用特殊钢性能的稳定和服役过程的可靠性。
总之，本发明所述柔轮用特殊钢合金中厚板的制备方法，不仅能够提高合金的疲劳性能，而且能够在低温下也具有优良的韧性，同时满足合金长期稳定性能的要求，正好符合现有的谐波减速器用柔轮材料的需求。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢，其特征在于，采用中碳高强度特殊钢制成，以质量百分比计，所述中碳高强度特殊钢的化学成分为：C 0.44％～0.50％、Si 0.15％～0.25％、Mn 1.0％～1.20％、Cr 0.8％～2.20％、Ni 2.51％～2.80％、Mo 0.20％～0.25％、Nb 0.030％～0.04％、P≤0.012％、S≤0.005％，Cu 0.30％～0.40％；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢，其特征在于，所述柔轮用特殊钢的组织结构为合金的晶粒尺寸小于10μm，残余奥氏体含量大于10％。
3.根据权利要求1所述的残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢，其特征在于，所述柔轮用特殊钢的力学性能：硬度为39.0～40.2HRC，-40℃夏比冲击功为105～166J，装机后的疲劳寿命为10000～11000h。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括对柔轮用特殊钢的钢坯进行固溶热处理，然后进行两阶段热轧得到成型钢材，之后成型钢材经过一次正火、两次临界热处理和高温回火来控制晶粒细化和残余奥氏体组织。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)固溶热处理：先将柔轮用特殊钢的钢坯加热至1140～1180℃，然后保温2小时；
(2)两阶段热轧：第一阶段热轧的开轧温度1100±10℃，终轧温度控制在960℃以上；第二阶段热轧的开轧温度820±10℃，终轧温度控制在780℃以上，得到柔轮用金属板材；
(3)一次正火处理：将所述柔轮用金属板材感应加热至830℃±10℃，加热保温60min后空冷；
(4)两次临界热处理：
第一次临界热处理：对空冷后的柔轮用金属板材进行感应加热，调整感应加热温度为730℃±10℃，加热保温10min，之后空冷至300℃；
第二次临界热处理：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的临界加热温度调整为720℃±10℃，保温10min，然后油冷；
(5)高温回火：将第一次临界热处理后的柔轮用金属板材的回火感应加热温度调整为500℃±10℃，保温10min，最后空冷得到残余奥氏体调节的柔轮用特殊钢。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的轧制道次为三道次，第二阶段热轧的轧制道次为六道次。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述两阶段热轧中的第一阶段热轧的三道次轧制压下量分别为20.6％～22.4％、22.7％～23.3％、24.3％～24.8％，第二阶段热轧的六道次轧制压下量分别为23.4％～23.6％、21.4％～22.5％、19.2％～21.0％、17.6％～18.6％、15.2％～15.3％、12.3％～12.6％。
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