CN114000055A

CN114000055A - 一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法

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Publication number: CN114000055A
Application number: CN202111227880.2A
Authority: CN
Inventors: 戈文英; 赵冠夫; 刘兵
Original assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-02-01

Abstract

本发明涉及一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法，所述硼微合金化齿轮钢的各个组分含量为(重量百分比)：C：0.13～0.20％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.00～1.40％、P：≤0.020％、S：0.015～0.035％、Cr：1.00％～1.40％、Mo：≤0.05％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.10％、Ti：≤0.10％、Nb：0.02～0.07％、B：0.0005～0.003％、Al：≤0.040％、As：≤0.015％、Sn：≤0.010％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.007％、Bi：≤0.005％、[O]：≤15×10‑4％、[N]：≤150×10‑4％、[H]：≤1.5×10‑4％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明制得的硼微合金化齿轮钢具有良好的淬透性能、强韧性能和疲劳性能，有效解决了传统锰铬齿轮钢在齿轮加工过程中晶粒粗大、混晶等传统渗碳热处理工艺常遇到的问题。

Description

一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及结构钢技术领域，具体地涉及一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法。

背景技术

齿轮是重要的传动零件，主要用于车辆齿轮和工业齿轮。进入21世纪以来，由于高技术产品的快速发展，对齿轮钢的质量和性能也提出了越来越高的要求。传统齿轮在加工过程中，晶粒粗大、混晶仍是渗碳热处理工艺常遇到的问题。随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，真空高温渗碳炉及其工艺将得到快速发展，渗碳热处理工艺温度提高，渗碳效率提升，会带来钢的晶粒粗大，给钢的质量提出更高要求，现有齿轮钢制造工艺已很难满足我国现代工业产业的转型对重载齿轮钢的质量要求。因此开发高性能齿轮钢成为传统结构材料的一个关注热点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法，本发明制得的硼微合金化齿轮钢具有良好的淬透性能、强韧性能和疲劳性能，有效解决了传统锰铬齿轮钢在齿轮加工过程中晶粒粗大、混晶等传统渗碳热处理工艺常遇到的问题。

为达到上述目的，本发明一种硼微合金化齿轮钢，其化学成分质量百分比为：C：0.13～0.20％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.00～1.40％、P：≤0.020％、S：0.015～0.035％、Cr：1.00％～1.40％、Mo：≤0.05％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.10％、Ti：≤0.10％、Nb：0.02～0.07％、B：0.0005～0.003％、Al：≤0.040％、As：≤0.015％、Sn：≤0.010％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.007％、Bi：≤0.005％、[O]：≤15×10^-4％、[N]：≤150×10^-4％、[H]：≤1.5×10^-4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

为保证齿轮钢稳定的淬透性能，进一步优化的所述硼微合金化齿轮钢的化学组成按质量百分数为：C：0.16～0.18％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.20～1.30％、P：≤0.015％、S：0.015～0.025％、Cr：1.20％～1.30％、Mo：≤0.05％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.10％、Ti：0.02～0.04％、Nb：0.03～0.05％、B：0.001～0.002％、Al：0.015～0.040％、As：≤0.015％、Sn：≤0.010％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.007％、Bi：≤0.005％、[O]：≤15×10^-4％、[N]：80～120×10^-4％、[H]：≤1.5×10^-4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

钢材微合金化技术是指在钢铁材料中添加低于0.1％(wt)的V、Nb、Ti、B等微合金化元素，这些微合金化元素通常以细小的碳氮化物的形式存在于奥氏体或铁素体组织中，通过细化晶粒强化或纳米级的沉淀强化来改善钢的综合性能。

本发明中钢的微合金化设计，以低碳锰铬齿轮钢为基础，通过在钢中添加微合金化元素Nb、B、Ti、Al、N，提高钢的淬透性、强韧性和疲劳性能，提高高温渗碳热处理工艺条件的渗碳效率，采用微合金元素细化晶粒，防止高温渗碳条件下晶粒粗化。

本发明钢中主要的微合金化元素是B，设计范围0.001～0.002％；由于B在钢中不同析出物，对钢的性能起到双重作用：酸溶硼，即B(Fe₃(CB))和B(Fe₂₃(CB)₆)，会提高钢的淬透性；而球状BN是酸不溶硼，细化晶粒、提高钢的韧性。钢中的硼(B全)可用下式表示：B全＝B固+B(Fe₃(CB))+B(Fe₂₃(CB)₆)+B(BN)+B(BOx)，式中，B固为固溶硼，B(Fe₃(CB))和B(Fe₂₃(CB)₆)为硼相中的硼，即酸溶硼；B(BN)和B(BOx)为氮化硼和氧化硼中的硼，即酸不溶硼，酸不溶硼的产生是由于炼钢时脱氧与固氮不足引起的，对钢的淬透性无益，又称无效硼。

钢中添加微合金化元素Ti：0.02～0.04％，主要用于固定氮，以保证硼的作用得以发挥；根据1600℃时铝、钛、硼的氧化物和氮化物形成自由能变化，要保证钢中的钛、硼不被氧化，必须有足够的铝，从生产稳定操作等方面综合考虑，Al控制在0.015～0.040％较合适；添加了细化晶粒元素Nb：0.03～0.05％，目的是细化晶粒，提高性能，有效抑制渗碳过程奥氏体晶粒长大。

本发明中钢的冶炼过程合金化工艺设计。为保证钢的洁净度、合金元素收得率，发挥不同微合金化元素作用，合理设计各种微合金化合金料的加入顺序，LF精炼过程加铌铁，LF出钢前依次喂入铝线、加入低钛铁及喂入高钙线；VD真空处理破空后依次喂入氮化锰线，加入硼铁，喂入硫线的合金化工艺路线。

本发明在传统锰铬齿轮钢的基础上，通过钢的微合金化设计及其冶炼过程合金化工艺设计，提供了一种硼微合金化齿轮钢及其制备方法，生产的齿轮钢奥氏体晶粒度8-9级，晶粒细小、均匀；J5淬透性能39HRC-43HRC，J10淬透性能35HRC-39HRC，J25淬透性能27HRC-31HRC，J50淬透性能25HRC-29HRC，淬透性带控制不大于4HRC，淬透性好且波动范围小；冲击韧性≥60J；本发明有效解决了传统锰铬齿轮钢在齿轮加工过程中晶粒粗大、混晶等传统渗碳热处理工艺常遇到的问题。

本发明提供一种硼微合金化齿轮钢，钢的化学成分设计要求如上所述，其制备方法包括以下步骤：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，冶炼原料为铁水+废钢，铁水重量比例不小于70％。控制终点[C]≥0.07％，[P]≤0.010％，残余元素含量符合设计要求；控制出钢温度1620-1660℃，为保证合金充分熔化，并为后续精炼过程创造良好条件，电炉出钢尽可能加入合金量至化学成分下限。

(2)精炼

LF精炼过程加铌铁，控制精炼终渣Al₂O₃含量22％-30％，终渣碱度大于5.0，FeO+MnO≤0.5％，精炼过程保持白渣时间大于25分钟，LF出钢前依次喂入铝线、加入低钛铁及喂入0.5～1.5m/t钢高钙线。

精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5×10^-4wt％，真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟；VD真空处理破空后依次喂入2.0～3.0m/t钢氮化锰线，加入硼铁，喂入硫线进行钢水合金化。钢水软吹氩时间不小于25分钟，软吹氩时严禁渣面裸露钢水和大氩气量搅拌降温，软吹过程及时加入钢水覆盖剂。

(3)浇注

连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度过热度20～30℃，拉速0.50～0.54m/min，以保证铸坯质量。

(4)轧制

钢坯在加热炉的均热温度为1200～1240℃，高温段加热时间大于2.5h，加热总时间时间为4.5～5.5h，开轧温度1060～1140℃，终轧温度930～1030℃；轧后钢材及时入坑缓冷，入坑温度大于350℃，缓冷足够时间，确保出坑温度小于100℃。

作为优选，所述步骤2)中LF精炼过程加铌铁的量为0.40-0.60Kg/t钢，LF出钢前喂入铝线的量为1.0～2.0m/t钢，加入钛含量25％-35％的低钛铁的量为1.0～1.5Kg/t钢。

作为优选，所述步骤2)中VD真空处理破空后依次喂入2.0～3.0m/t钢氮化锰线，0.08～0.15Kg/t钢硼铁，喂入1.0～1.5m/t钢硫线。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明以锰铬齿轮钢为基础，控制钢中微合金化元素Nb、B、Ti、Al、N含量范围；严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量；本发明提供的包括钢的连铸工艺与轧制工艺在内制备方法，生产的齿轮钢晶粒细小、均匀，淬透性带控制不大于4HRC。

2)本发明在传统锰铬齿轮钢的基础上，通过钢的微合金化及其冶金工艺设计，提供了一种微合金化齿轮钢及其制备方法，制备的齿轮钢适用于高温渗碳热处理工艺。通过微合金化设计，细化了钢的晶粒，提高了接触疲劳、弯曲疲劳性能。

附图说明

图1为本发明的实施例1的晶粒度图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的硼微合金化齿轮钢，采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注矩形铸坯生产钢材。实施例是以260mm×300mm规格矩形坯和Φ80mm规格圆钢的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

生产工艺如下：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，冶炼原料为铁水+废钢，铁水重量比例为71％～75％。电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P去除操作，造好泡沫渣，控制终点[C]：0.10％～0.12％，[P]：0.005％～0.009％，残余元素含量符合设计要求；控制出钢温度1635℃～1642℃之间，为保证合金充分熔化，并为后续精炼过程创造良好条件，电炉出钢尽可能加入合金量至化学成分下限。

(2)精炼

LF精炼过程加0.5Kg/t钢铌铁，控制精炼终渣Al₂O₃含量23％～28％，终渣碱度5.2～5.6，FeO+MnO含量0.40％～0.45％，精炼过程保持白渣时间26分钟～28分钟，LF出钢前依次喂入1.6～2.0m/t钢铝线、加入1.2～1.5Kg/t钢低钛铁，喂入1.0～1.5m/t钢高钙线。

精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量1.1～1.3×10^-4wt％，真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟；VD真空处理破空后依次喂入2.0～2.5m/t钢氮化锰线，加入0.10～0.13Kg/t钢硼铁，喂入1.0～1.2m/t钢硫线进行钢水合金化。钢水软吹氩时间不小于25分钟，软吹氩时严禁渣面裸露钢水和大氩气量搅拌降温，软吹过程及时加入钢水覆盖剂。

(3)浇注

采用260mm×300mm规格矩形坯连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度过热度24～27℃，拉速0.52～0.53m/min，制得260mm×300mm规格合格矩形坯。

(4)轧制

钢坯在加热炉的均热温度为1210～1240℃，高温段加热时间2.7h，加热总时间时间为5.2h，开轧温度1080～1130℃，终轧温度950～980℃；轧后钢材及时入坑缓冷，入坑温度360℃，缓冷24h，出坑温度90℃，制得Φ80mm规格圆钢。

采用实施例1-3制得的硼微合金化齿轮钢具有良好的淬透性能、强韧性能和疲劳性能，有效解决了传统锰铬齿轮钢在齿轮加工过程中晶粒粗大、混晶等传统渗碳热处理工艺常遇到的问题。

表1是实施例的化学成分，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度，表3为实施例淬透性能技术指标，表4为冲击韧性技术指标。试样经940℃正火+930℃×7.5h降至870℃×0.5h油冷处理工艺，按GB/T6394检验晶粒度，实施例1的检验结果为9.4级，晶粒细小均匀如图1所示。

表1实施例化学成分(重量，％)

表1实施例化学成分(重量，％)(续表)

表2连铸中间包钢水温度、拉坯速度

表3淬透性/HRC

表4冲击韧性/J

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种硼微合金化齿轮钢，其特征在于，所述硼微合金化齿轮钢的化学组成，按质量百分数计，包括：

C：0.13～0.20％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.00～1.40％、P：≤0.020％、S：0.015～0.035％、Cr：1.00％～1.40％、Mo：≤0.05％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.10％、Ti：≤0.10％、Nb：0.02～0.07％、B：0.0005～0.003％、Al：≤0.040％、As：≤0.015％、Sn：≤0.010％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.007％、Bi：≤0.005％、[O]：≤15×10^-4％、[N]：≤150×10^-4％、[H]：≤1.5×10^-4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的硼微合金化齿轮钢，其特征在于，所述硼微合金化齿轮钢的化学组成，按质量百分数计，为：C：0.16～0.18％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.20～1.30％、P：≤0.015％、S：0.015～0.025％、Cr：1.20％～1.30％、Mo：≤0.05％、Ni：≤0.30％、Cu：≤0.10％、Ti：0.02～0.04％、Nb：0.03～0.05％、B：0.001～0.002％、Al：0.015～0.040％、As：≤0.015％、Sn：≤0.010％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.007％、Bi：≤0.005％、[O]：≤15×10^-4％、[N]：80～120×10^-4％、[H]：≤1.5×10^-4％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述的硼微合金化齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：

1)冶炼

采用电炉冶炼，冶炼原料为铁水+废钢，控制终点[C]≥0.07％，[P]≤0.010％，；控制出钢温度1620-1660℃；

2)精炼

LF精炼过程加铌铁，控制精炼终渣Al₂O₃含量22％-30％，终渣碱度大于5.0，FeO+MnO≤0.5％，精炼过程保持白渣时间大于25分钟，LF出钢前依次喂入铝线、加入低钛铁及喂入高钙线；

精炼后真空处理，氢含量不大于1.5×10^-4wt％，真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟；VD真空处理破空后依次喂入钢氮化锰线，加入硼铁，喂入硫线进行钢水合金化；3)浇注

控制中间包钢水温度过热度20～30℃；

4)轧制

钢坯在加热炉的均热温度为1200～1240℃，高温段加热时间大于2.5h，加热总时间时间为4.5～5.5h，开轧温度1060～1140℃，终轧温度930～1030℃；轧后钢材及时入坑缓冷。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中铁水重量比例不小于70％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中LF精炼过程加铌铁的量为0.40-0.60Kg/t钢，LF出钢前喂入铝线的量为1.0～2.0m/t钢，加入钛含量为25％-35％的低钛铁的量为1.0～1.5Kg/t钢，喂入高钙线的量为0.5～1.5m/t钢。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中VD真空处理破空后依次喂入2.0～3.0m/t钢氮化锰线，0.08～0.15Kg/t钢硼铁，喂入1.0～1.5m/t钢硫线，钢水软吹氩时间不小于25分钟。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，拉速0.50～0.54m/min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中入坑缓冷温度大于350℃，出坑温度小于100℃。