CN115044827A - 一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法，工艺流程为转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸方坯→高温加热→粗轧→中轧→精轧→高温圆钢穿水→钢材入缓冷坑缓冷。齿轮钢的金相组织为铁素体和珠光体，铁素体条带宽度≤20um，奥氏体晶粒度为7‑9级，产品硬度≤170HBW，产品全截面的硬度极差≤10HBW，产品纵向带状组织≤2.0级。化学成分按重量百分比为C:0.17～0.20％，Si：≤0.07％，Mn：0.70～0.90％，Cr：1.15～1.25％，P：≤0.010％，S：0.023～0.040％，Al：0.025～0.040％，N：0.008～0.0190％，Ca:0.0020～0.0050％，(Mn+Ca)/S≥25，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

Description

一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法

技术领域

本发明涉及特种钢冶炼与轧制的技术领域，具体涉及一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法。

背景技术

等温退火低碳齿轮钢主要用于冷锻后制造汽车轴类零件，对于圆钢的带状组织等级，铁素体条带宽度，圆钢的实际晶粒度与奥氏体晶粒度，圆钢横截面的硬度有着较为严格的要求。目前传统的等温退火低碳齿轮钢主要生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—加热炉加热—轧制—空冷—等温退火炉炉内等温退火。传统入等温退火炉退火的具体方式为：将钢材送入等温退火炉内，然后加热到AC₃以上30～50℃，保温一段时间后，以风冷的方式冷却到珠光体转变区域某一合适温度，并在此温度下保温一段时间，使钢材不同部位的温度均匀化，并在该温度下均匀地完成铁素体+珠光体的转变，然后在空气中完成最终冷却的热处理工艺。钢材经传统的炉内等温退火处理后，显微组织应为均匀分布的铁素体与珠光体；圆钢纵向带状组织应≤2.0级；奥氏体晶粒度应为5-8级；冷锻用钢对材料硬度的要求严格，等温炉退火后的钢材硬度应≤170HBW，并且钢材同一截面的硬度极差应≤10HBW。

专利公开号CN106086374A的文献公开了一种利用锻造余热进行预先等温退火的铁路车辆车轴热处理工艺，该文献利用热成型预热进行了等温退火，使得车轴获得了接***衡态的显微组织，为车轴的后续热处理做好了组织上的准备：可以明显使车轴比经过常规“两正一回”热处理后的显微组织均匀、细小，车轴最终热处理后，在车轴的1/2半径处取试样，按GB/T6394或ASTM E112标准检测，晶粒度级差可控制≤1.5级。由于利用了热成型余热从而节约了能源、降低了生产成本。可减少因出现粗晶组织造成的车轴晶粒度不合格、超声波探伤透声不良现象，预防因混晶造成的车轴疲劳断裂。该专利通过控制终锻温度≥750℃，将锻造后的车轴放入热处理炉中，进行等温退火，然后将车轴进行一次或两次正火，最后进行回火。

专利公开号CN106086374A的文献公开的方法还是需要进入等温退火炉进行退火，只是利用了锻造后的余温，有限地降低了能源的消耗。

开发无需等温退火的圆钢显然可以显著降低产品的生产能耗，减少碳排放，提高市场竞争力。

发明内容

本申请的目的在于提供一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法，轧钢结束后的钢材不需要入等温退火炉进行等温退火处理，圆钢也不需要经过车皮工序减少钢材表面脱碳层深度，只需要通过轧后实施有效的控冷手段就能达到炉内等温退火同样的效果，从而实现免等温退火的目的，有效缩短了生产工艺流程，降低了生产能耗。

依据上述方法获得的低碳齿轮钢：圆钢纵向带状组织≤2.0级，并且铁素体条带宽度≤20um；圆钢的实际晶粒度为4级-6级，奥氏体晶粒度为7-9级；圆钢的硬度≤170HBW，并且全截面的硬度极差≤10HBW。

本发明所采用的技术方案为：一种免等温退火低碳齿轮钢，化学成分按重量百分比为C:0.17～0.20％，Si：≤0.07％，Mn：0.70～0.90％，Cr：1.15～1.25％，P：≤0.010％，S：0.023～0.040％，Al：0.025～0.040％，N：0.008～0.0190％，Ca:0.0020～0.0050％，(Mn+Ca)/S≥25，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本申请齿轮钢的化学元素对应的主要作用及含量设置依据：

C:碳是形成钢中渗碳体的核心元素，适当提高碳的含量可以减少钢中纯铁素体的含量，有助于减少轧材中的铁素体条带，从而降低钢材的带状组织评级。但是，过高的碳含量会导致热轧钢材的硬度偏高，不利于钢材的冷锻性能。因此，本发明钢中碳含量选择范围为0.17～0.20％。

Si:硅含量过高会使得钢材在冷锻过程中产生冷作硬化现象。因此，本发明需要严格控制硅含量，硅含量的选择范围为Si≤0.10％。

Mn:是影响钢材强度、淬透性的重要元素，钢中加入适量的锰元素，可以保证齿轮零件淬火后的芯部硬度。锰还是良好的脱氧剂和脱硫剂。适量的锰能有效改善钢因硫引起的热脆性。因此，本发明钢中锰含量选择范围为0.70～0.90％。

Cr:在钢中加入铬元素，主要作用是提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，提高钢材的强度，但是过高的铬含量会提升钢材的硬度，降低钢材的冷挤压性能。因此，本发明钢中铬含量选择范围为1.15～1.25％。

S:硫在钢中与锰元素结合形成MnS，在轧制时MnS会沿轧制方向拉伸延长，形成较多的长条状硫化锰，从而改善钢的切削加工性能。还有一部分硫元素会与Ca元素相结合，在钢中形成CaS夹杂物。钢中(Mn+Ca)/S≥25才能有效的控制钢材的热脆现象，使得连铸坯凝 固时不易产生裂纹。

根据经验含硫钢中(Mn+Ca)/S≥25,能有效控制钢材的热脆现象。(Mn+Ca)/S较高时连铸凝固过程不易产生裂纹。Mn与Ca元素均可以控制钢中S元素的形态，S的缺点是容易形成低熔点的共晶体并在晶界大量聚集，FeS熔点仅为988℃，熔融状态的硫化物会严重降低晶界的强度，造成钢的热脆现象，加入Mn与Ca就是为了形成MnS与CaS，MnS的熔点高达1620℃，CaS的熔点高达2400℃，从而取代低熔点的FeS(Fe和FeS的共晶熔化温度为988℃，降低FeS在晶间析出的几率)，加入足量的Mn与Ca元素可以有效避免连铸过程中热脆现象的产生。因此，本发明钢中硫含量选择范围为0.023～0.040％。

Al:作为脱氧剂与细化奥氏体晶粒度的元素加入钢中。本发明的Al含量选择范围为0.025～0.040％。

N:作为细化奥氏体晶粒度的元素被加入钢中，与钢中的Al元素相结合形成AlN质点。本发明的N含量选择范围为0.008～0.0190％。

Ca:炼钢过程中向钢液中喂入适量的硅钙线，能够改变钢中高熔点的三氧化二铝夹杂的形态，形成低熔点的钙-铝化合物，形成的钙-铝化合物能迅速上浮至钢渣界面并被钢液顶部的炉渣吸收，从而提高了钢水清洁度，改善了钢液的浇铸性能，减轻了中间包水口堵塞问题，保证连铸过程顺利进行浇铸。钢中残余的钙元素与硫元素相结合，以CaS的形式存在于钢液中，适量的Ca能有效改善钢因硫引起的热脆性。本发明的Ca含量选择范围为Ca:0.0020～0.0050％。

上述免等温退火低碳齿轮钢的生产方法，包括：

步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼、真空脱气；

步骤二、浇铸：将步骤一的钢水浇铸成钢坯；

步骤三、轧前加热：加热温度为1180-1220℃；

步骤四、轧制：依次进行粗轧、中轧、精轧将钢坯轧成圆钢，粗轧压缩比为2.2-2.8，中轧压缩比为2.1-2.7，精轧压缩比为1.9-2.5，并且满足粗轧压缩比＞中轧压缩比＞精轧压缩比，总压缩比为9-18；

步骤五、冷却：轧制结束后的圆钢温度应≥920℃，首先采用穿水工艺，圆钢穿水快速冷却至Ar₁以下20℃-30℃，接着圆钢立即入缓冷坑进行缓冷，圆钢缓冷至室温后出坑。

优选地，步骤一，精炼过程采用铝脱氧(不采用硅脱氧)，加入无硅的合金块调节钢水成分，严格控制精炼过程中钢水的硅含量，避免引入硅。

优选地，步骤一，真空脱气采用RH炉，真空脱气后的钢水喂入硅钙线，喂线后的钢水采用底吹氮气，提升钢水中氮含量的同时加速改变高熔点的三氧化二铝夹杂的形态，形成低熔点的钙-铝化合物，达到去除三氧化二铝化物的目的，提高钢水清洁度与可浇性。

优选地，硅钙线直径为φ10mm，钙含量为60wt％、硅含量为40wt％。

优选地，步骤二是采用连铸工艺将钢水浇铸成方坯，连铸结晶器采用200mm*200mm以上的断面，实现大压缩比轧制，以减少连铸坯的微观与宏观偏析。步骤四，热轧圆钢的规格为φ26.6mm-φ37.6mm。

优选地，步骤三，加热时间为220min-240min。

本发明免等温退火低碳齿轮钢，成分上采用低碳、低硅设计，并且控制钢中Mn、S以及Ca的含量以及这三者之间的关系；生产工艺上，采用转炉初炼，精炼炉采用无硅锰铁与铬铁冶炼；真空脱气后的钢水喂入优质的硅钙线，喂线后采用底吹氮处理，达到提升钢水纯净度与钢水氮含量的目的；连铸结晶器采用200mm*200mm以上的断面。轧钢控制连铸坯的加热时间与温度，轧制过程控制钢材粗轧、中轧、精轧的压缩比；轧后采用穿水冷却与下坑缓冷工艺制造的热轧圆钢可用于冷锻后制造汽车轴类零件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)成分设计上本发明采用适合冷锻工艺的低碳、低硅设计(C：0.17～0.20％，Si:≤0.07％)，并且控制钢中的Mn、S以及Ca的含量，Mn、S、Ca的三者的关系满足(Mn+Ca)/S≥25，以保证连铸坯表面质量。连铸结晶器采用200mm*200mm的断面，以减少钢材微观偏析与宏观偏析。

(2)按照本发明方法生产的热轧圆钢，具备优异的带状组织(带状组织≤2.0级、铁素体条带宽度≤20um)，通过采用较小的连铸坯结晶器断面生产的钢材，具有连铸坯宏观偏析与微观偏析小的特点，然后通过控制粗轧、中轧、精轧过程的轧制压缩比与轧制总压缩比，随着轧制压缩比的不断加大，钢材铁素体条带的宽度随之变窄，而铁素体条带的数量明显增加；轧制结束后的高温圆钢通过控制轧后穿水与入坑缓冷工艺，可以进一步改善钢材的带状组织，较少的铁素体条带与较窄的铁素体条带宽度有利于减少钢材的各向异性，从而提升钢材的疲劳寿命。

本申请的齿轮钢具备合适的实际晶粒度，通过控制粗轧、中轧、精轧的压缩比，连铸坯的大晶粒逐步破碎成细小的晶粒，最终圆钢实际晶粒度稳定控制在4-6级，若实际晶粒度大于6级，不利于钢材的切削加工，而实际晶粒度小于4级，钢材渗碳过程中晶粒长大的能力与趋势会更大，渗碳后的钢材容易出现混晶现象。具备细小的奥氏体晶粒度，通过控制钢中的实际晶粒度以及在钢中加入铝、氮元素细化钢材的奥氏体晶粒度，钢材的奥氏体晶粒度可以控制在7-9级。

本申请的齿轮钢具备较低并且均匀的硬度，高温圆钢(≥920℃)轧后穿水，促使钢材快速冷却至Ar₁(695℃)以下20℃-30℃，钢材立即入缓冷坑缓冷，使过冷奥氏体完全转变为分布较为均匀的铁素体与珠光体组织。钢材快冷至Ar1(695℃)以下20℃-30℃，该温度区间转变形成的珠光体片间距较大，片间距为350nm-400nm之间，该片间距下的钢材硬度值≤170HBW，全截面的硬度极差≤10HBW。

依据本申请生产方法获得圆钢不需要入等温退火炉进行等温退火处理，圆钢也不需要经过车皮工序减少钢材表面脱碳层深度，只需要通过轧后实施有效的控冷手段就能达到炉内等温退火同样的效果，有效的缩短了生产工艺流程，降低了生产成本。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，应当理解的是，所述实施例的内容的示例性的，旨在解释或帮助理解本申请的发明构思，不应理解为对本申请的限制。

实施例1与实施例2：

两实施例所涉及的免等温退火低碳齿轮钢的生产方法：转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸小方坯(200mm*200mm)→加热炉高温加热→粗轧→中轧→精轧→高温圆钢穿水→钢材入缓冷坑缓冷→检验入库。分别制造两个批次φ26.6mm、φ37.6mm的免等温退火低碳齿轮钢，本方法适用于制造直径为φ26.6mm-φ37.6mm的热轧圆钢。

上述实施例1的加热炉加热、轧制、穿水、缓冷的具体工艺为：连铸坯加热时间230min，加热温度为1200℃，粗轧压缩比为2.20，中轧压缩比为2.10，精轧压缩比为1.95，热轧圆钢的直径为φ37.6mm。轧制结束后的高温圆钢930℃采用穿水处理，水温控制在23℃，穿水快速冷却至670℃，圆钢立即入缓冷坑缓冷，缓冷至室温25℃出坑。

上述实施例2的加热炉加热、轧制、穿水、缓冷的具体工艺为：连铸坯加热时间235min，加热温度为1190℃，粗轧压缩比为2.80，中轧压缩比为2.66，精轧压缩比为2.42，热轧圆钢的直径为φ26.6mm。轧制结束后的高温圆钢935℃采用穿水处理，水温控制在21℃，穿水快速冷却至675℃，圆钢立即入缓冷坑缓冷，缓冷至室温22℃出坑。

实施例1和2制得的热轧圆钢化学成分见表1。

表1(wt％)

实施例1和2制得的热轧圆钢带状组织等级以及铁素体条带最大宽度见表2。

表2

	公称直径	带状组织	铁素体条带最大宽度
				实施例1	φ37.6mm	1.0级	19um
实施例2	φ26.6mm	1.5级	12um

实施例1和2制得的热轧圆钢实际晶粒度等级以及奥氏体晶粒度等级见表3。

表3

	公称直径	实际晶粒度	奥氏体晶粒度
				实施例1	φ37.6mm	4.0级	8.0级
实施例2	φ26.6mm	6.0级	8.5级

实施例1和2制得的热轧圆钢硬度、硬度极差与珠光体片间距见表4。

表4

本发明成分设计上采用适合冷锻工艺的低碳、低硅设计(C：0.17～0.20％，Si:≤0.07％)，并且控制钢中的Mn、S以及Ca的含量，Mn、S、Ca的三者的关系满足(Mn+Ca)/S≥25，以保证连铸坯表面质量。生产工艺上炼钢过程采用转炉、精炼、真空脱气、小方坯(200mm*200mm)连铸；轧钢过程采用高温加热、轧后穿水、穿水后立即下坑缓冷处理。通过合理的炼钢与轧钢控轧控冷工艺制造了一种免等温退火低碳齿轮钢，填补了国内的空白。

本申请的工艺流程不同于传统等温退火齿轮钢的生产流程：

本申请的工艺流程为转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸小方坯(200mm*200mm)→加热炉高温加热→粗轧→中轧→精轧→高温圆钢穿水→钢材入缓冷坑缓冷→检验入库。而传统工艺为转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸小方坯(200mm*200mm)→加热炉高温加热→粗轧→中轧→精轧→圆钢空冷→炉内等温退火→车皮→检验入库。

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 (9)

1.一种免等温退火低碳齿轮钢，其特征在于：金相组织为铁素体和珠光体，铁素体条带宽度≤20um，奥氏体晶粒度为7-9级，产品硬度≤170HBW，产品全截面的硬度极差≤10HBW，产品纵向带状组织≤2.0级。

2.根据权利要求1所述的钢，其特征在于：化学成分按重量百分比为C:0.17～0.20％，Si：≤0.07％，Mn：0.70～0.90％，Cr：1.15～1.25％，P：≤0.010％，S：0.023～0.040％，Al：0.025～0.040％，N：0.008～0.0190％，Ca:0.0020～0.0050％，(Mn+Ca)/S≥25，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

3.一种免等温退火低碳齿轮钢的生产方法，其特征在于：包括,

步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼、真空脱气；

步骤二、浇铸：将步骤一的钢水浇铸成钢坯；

步骤三、轧前加热：加热温度为1180-1220℃；

步骤四、轧制：依次进行粗轧、中轧、精轧将钢坯轧成圆钢，粗轧压缩比为2.2-2.8，中轧压缩比为2.1-2.7，精轧压缩比为1.9-2.5，并且满足粗轧压缩比＞中轧压缩比＞精轧压缩比，总压缩比为9-18；

步骤五、冷却：轧制结束后的圆钢温度应≥920℃，首先采用穿水工艺，圆钢穿水快速冷却至Ar₁以下20℃-30℃，接着圆钢立即入缓冷坑进行缓冷，圆钢缓冷至室温后出坑。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤一，精炼过程采用铝脱氧，加入无硅的合金块调节钢水成分，严格控制精炼过程中钢水的硅含量，避免引入硅。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一，真空脱气采用RH炉，真空脱气后的钢水喂入硅钙线，喂线后的钢水采用底吹氮气，提升钢水中氮含量的同时加速改变高熔点的三氧化二铝夹杂的形态，形成低熔点的钙-铝化合物，达到去除三氧化二铝化物的目的。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：硅钙线直径为φ10mm，钙含量为60wt％、硅含量为40wt％。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤二，采用连铸工艺将钢水浇铸成方坯，连铸结晶器采用200mm*200mm以上的断面。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤四，热轧圆钢的规格为φ26.6mm-φ37.6mm。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤三，加热时间为220min-240min。