CN115305415B

CN115305415B - 一种无铝齿轮钢和制备方法

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Publication number: CN115305415B
Application number: CN202110496443.4A
Authority: CN
Inventors: 白佳鑫; 董瀚; 韦习成; 白鹏十翰; 赵洪山; 李建民; 郝建锋; 于华财; 王俊鹏
Original assignee: Hebei Longfeng Shan Casting Industry Co ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Hebei Longfeng Shan Casting Industry Co ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: CN115305415A

Abstract

一种无铝齿轮钢和制备方法，通过将现有的C‑Cr‑Mo‑Si‑Mn‑Fe的42CrMo六元合金体系改变为将Mn排除在外的C‑Cr‑Mo‑Si‑Fe的42CrMo五元合金体系，并且在所述五元合金体系中将不可避免的杂质O、N、P、S、Mn、Al等进行极低上限含量控制，以达到控制42CrMo齿轮钢钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂等均趋于零夹杂，从而有利于保障无铝齿轮钢的力学性能和减少其断裂倾向。

Description

一种无铝齿轮钢和制备方法

技术领域

本发明涉及42CrMo齿轮钢技术，特别是一种无铝齿轮钢和制备方法，通过将现有的C-Cr-Mo-Si-Mn-Fe的42CrMo六元合金体系改变为将Mn排除在外的C-Cr-Mo-Si-Fe的42CrMo五元合金体系，并且在所述五元合金体系中将不可避免的杂质O、N、P、S、Mn、Al等进行极低上限含量控制，以达到控制42CrMo齿轮钢钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂等均趋于零夹杂，从而有利于保障无铝齿轮钢的力学性能和减少其断裂倾向。

背景技术

42CrMo钢属于模具钢中的塑料模具用钢，其中板材用于模具的加工生产，圆棒用于机械直接加工零件。42CrMo的化学成分如下：碳C＝0.38～0.45％，硅Si＝0.17～0.37％，锰Mn＝0.50～0.80％，允许残余含量硫S≤0.035％，允许残余含量磷P≤0.035％，铬Cr＝0.90～1.20％，允许残余含量镍Ni≤0.30％，允许残余含量铜Cu≤0.30％，钼Mo＝0.15～0.25％。

42CrMo超高强度钢，具有高强度和高韧性，有较好淬透性，无明显的回火脆性，调质处理后具有高的疲劳极限、抗多次冲击能力和良好的低温冲击韧性。由于42CrMo钢材的优良性能，其用途广泛，一般用于机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于石油深井钻杆接头和折弯机的模具等。

齿轮壳体的失效分析，对失效42CrMo齿轮壳体螺纹孔处产生裂纹处的化学成分、硬度、显微组织进行分析，结果表明母材中存在大量夹杂物降低了材料的力学性能，增大了断裂倾向。

42CrMo钢中随着S、P含量的增加，钢的低温冲击功明显降低。虽然Mn含量的提高，在某一范围内，可以削弱S对低温冲击功的不良影响，但硫化锰的不良作用会抵消其有益作用。因此，对有较高低温冲击功要求锻件，均需对钢中S、P和Mn的含量进行严格控制。

42CrMo钢材的加工性能、疲劳性能和韧性主要取决于材料中的非金属夹杂物的性质、尺寸和数量。只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm，且数量少到彼此间距大于10μm时，夹杂物才可以不对材料的宏观性能产生影响。

钢中的夹杂物一般包括氧化物、硫化物和氮化物。其中一部分是由原始合金和初炼炉带来的Al₂O₃、SiO₂、CaO氧化物夹杂，另一部分是钢液凝固过程中析出的氧化物、硫化物和氮化物夹杂。要获得极低夹杂物含量的钢材，一是要控制钢中的氧含量；二是控制脱氧元素的含量；三是控制钢中的S、N至极低。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种无铝齿轮钢和制备方法，通过将现有的C-Cr-Mo-Si-Mn-Fe的42CrMo六元合金体系改变为将Mn排除在外的C-Cr-Mo-Si-Fe的42CrMo五元合金体系，并且在所述五元合金体系中将不可避免的杂质O、N、P、S、Mn、Al等进行极低上限含量控制，以达到控制42CrMo齿轮钢钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂等均趋于零夹杂，从而有利于保障无铝齿轮钢的力学性能和减少其断裂倾向。

本发明的技术解决方案如下：

一种无铝齿轮钢，其特征在于，包括以下元素及其wt％含量：C＝0.38～0.45，Cr＝0.90～1.20，Mo＝0.15～0.25，Si＝0.17～0.37，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述不可避免的杂质包括以下元素及其允许残余wt％含量：O≤0.0015，N≤0.0015，P≤0.0015，S≤0.0015，Mn≤0.008，Al≤0.005。

对所述不可避免的杂质所进行的上限含量控制，能够控制无铝齿轮钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂均趋于零夹杂，以保障无铝齿轮钢的力学性能和减少其断裂倾向。

一种无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用4N级高纯铁作为制备无铝齿轮钢的铁基材料；

步骤2，采用吹炼氧化提纯所述4N级高纯铁；

步骤3，采用真空精炼炉进行真空碳脱氧；

步骤4，按照以下元素及其wt％含量进行合金化：C＝0.38～0.45，Cr＝0.90～1.20，Mo＝0.15～0.25，Si＝0.17～0.37，余量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质包括以下元素及其允许残余wt％含量：O≤0.0015，N≤0.0015，P≤0.0015，S≤0.0015，Mn≤0.008，Al≤0.005。

所述步骤1中的4N级高纯铁的铁wt％含量为99.97～99.99，除铁外其他元素wt％含量之和不大于0.030。

所述除铁外其他元素wt％含量如下：C≤0.0005，Si≤0.001，Mn≤0.0015，P≤0.0005，S≤0.0005，Ti≤0.0001，Al≤0.002，Cr≤0.0005，Cu≤0.001，Ni≤0.0020，O≤0.002。

所述步骤3中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉。

所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口的真空室，所述真空室的顶部设置有延伸到钢包顶渣层中的电极，所述钢包的底部设置有底吹氩接口。

所述钢包的包衬采用镁钙质砖衬以减少耐材对钢水的污染。

在所述VAD真空电弧精炼炉脱氧过程中，采用真空碳脱氧，碳氧反应方程式如下：

[C]+[O]＝{CO}_g，g表示为气体状态，

其反应平衡常数K_CO＝P_CO/a_[C]·a_[O]，其中P_CO为CO平衡分压，P_CO的单位为Pa，a_[C]为钢液中C的活度，wt％；a_[O]为钢液中O活度，wt％；a_[C]·a_[O]为碳氧积；

LgK_CO＝1160/T+2.003，其中Lg为对数符号，T为绝对温度；

在钢水精炼温度1600℃下，常压下钢水碳氧积：a_[C]×a_[O]＝0.0024，即，可为如下式：f_[C]·[％C]×f_[O]·[％O]＝0.0024，其中，f_[C]为碳的活度系数，f_[O]为氧的活度系数；

取碳和氧在铁液中的活度系数为1，考虑真空下气相分压，则取碳氧积：

[％C]×[％O]＝0.0024；

当碳和氧在铁液中的活度系数(f)为1时，[％C]×[％O]也称为碳氧积；

所述真空碳脱氧使允许残余氧含量O≤10ppm。因采用增碳法，钢中增碳到0.42％左右。

本发明技术效果如下：本发明一种无铝齿轮钢和制备方法，能够获得强度好、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度的42CrMo齿轮钢；能够采用特殊的生产工艺和精炼方式生产接近于“零夹杂”含量的齿轮钢；能够控制钢中夹杂物的含量。钢中氧化物、硫化物、氮化物夹杂控制到极低含量，直至对钢的性能和质量无影响；能够控制钢中氧、硫、氮、锰、铝为极限含量；在钢的精炼过程中不采用铝做终脱氧剂以控制铝元素的摄入。

本发明的特点如下：1、采用4N级高纯铁做为制备42CrMo齿轮钢的铁基原料。2、制备过程中控制钢中的O、N、P、S、Mn、Al等为极限含量，以达到控制钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂趋于“零夹杂”，实现超纯净钢的制备。3、钢的终脱氧采用真空碳脱氧替代铝脱氧，控制氧化铝夹杂含量至最低。4、采用VAD真空电弧精炼炉对钢水精炼。5、精炼包衬采用镁钙质砖衬，减少对钢水的污染。

附图说明

图1是实施本发明一种无铝齿轮钢制备方法中的VAD真空电弧精炼炉示意图(VAD，vacuum arc degassing，真空电弧脱气)。

附图标记列示如下：1-真空室；2-抽真空接口；3-电极；4-钢包(或称之为精炼包)；5-底吹氩接口。

具体实施方式

下面结合实施例和附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种无铝齿轮钢制备方法中的VAD真空电弧精炼炉示意图。参考图1所示，一种无铝齿轮钢，包括以下元素及其wt％含量：C＝0.38～0.45，Cr＝0.90～1.20，Mo＝0.15～0.25，Si＝0.17～0.37，余量为Fe和不可避免的杂质。所述不可避免的杂质包括以下元素及其允许残余wt％含量：O≤0.0015，N≤0.0015，P≤0.0015，S≤0.0015，Mn≤0.008，Al≤0.005。对所述不可避免的杂质所进行的上限含量控制，能够控制无铝齿轮钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂和氮化物夹杂均趋于零夹杂，以保障无铝齿轮钢的力学性能和减少其断裂倾向。

一种无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选用4N级高纯铁作为制备无铝齿轮钢的铁基材料；步骤2，采用吹炼氧化提纯所述4N级高纯铁；步骤3，采用真空精炼炉进行真空碳脱氧；步骤4，按照以下元素及其wt％含量进行合金化：C＝0.38～0.45，Cr＝0.90～1.20，Mo＝0.15～0.25，Si＝0.17～0.37，余量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质包括以下元素及其允许残余wt％含量：O≤0.0015，N≤0.0015，P≤0.0015，S≤0.0015，Mn≤0.008，Al≤0.005。

所述步骤1中的4N级高纯铁的铁wt％含量为99.97～99.99，除铁外其他元素wt％含量之和不大于0.030。所述除铁外其他元素wt％含量如下：C≤0.0005，Si≤0.001，Mn≤0.0015，P≤0.0005，S≤0.0005，Ti≤0.0001，Al≤0.002，Cr≤0.0005，Cu≤0.001，Ni≤0.0020，O≤0.002。所述步骤3中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉。所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口的真空室，所述真空室的顶部设置有延伸到钢包顶渣层中的电极，所述钢包的底部设置有底吹氩接口。所述钢包的包衬采用镁钙质砖衬以减少耐材对钢水的污染。

[C]+[O]＝{CO}_g，g表示为气体状态

其反应平衡常数K_CO＝P_CO/a_[C]·a_[O]，其中P_CO为CO平衡分压，P_CO的单位为Pa，a_[C]为钢液中C的活度，wt％；a_[O]为钢液中O活度，wt％；a_[C]·a_[O]为碳氧积。

LgK_CO＝1160/T+2.003，其中Lg为对数符号，T为绝对温度。

在钢水精炼温度1600℃下，常压下钢水碳氧积：a_[C]×a_[O]＝0.0024。即，可为如下式：f_[C]·[％C]×f_[O]·[％O]＝0.0024，其中，f_[C]为碳的活度系数，f_[O]为氧的活度系数。

[％C]×[％O]＝0.0024。

当碳和氧在铁液中的活度系数(f)为1时，[％C]×[％O]也称为碳氧积。

一种无铝齿轮钢制备方法，包括以下内容：

1、采用4N级高纯做铁基原料制备无铝齿轮钢，4N级高纯铁成分要求：C≤0.0010％，Si≤0.001％，Mn≤0.0015％，P≤0.0005％，S≤0.0005％，Ti≤0.0001％，Al≤0.002％，Cr≤0.0005％，Cu≤0.001％，Ni≤0.0020％，O≤0.002％。除铁外其他元素含量不大于0.030％，铁含量为99.97％～99.99％。

2、4N级高纯铁钢中硫、氮、锰、铝已是极低含量，对控制钢中氧化物、硫化物、氮化物夹杂接近于“零夹杂”含量创造了有利条件。

3、首先是把4N级高纯铁基液进行吹氧脱磷和脱铝；其次采用VAD真空精炼炉进行真空碳脱氧；然后采用纯金属进行合金化。

4、在大气压下元素对钢液脱氧的能力是从铝、硅、碳先后越来越弱，但在高真空下碳的脱氧能力要远远超过Si和Al。

碳氧反应方程式如下：

[C]+[O]＝[CO]_g

其反应平衡常数：K_CO＝P_CO/a_Ca_O

LgK_CO＝1160/T+2.003

在钢水精炼温度(1600℃)下，常压下碳氧积：

a_[C]×a_[O]＝0.0024

对于非铁元素含量很少的钢液，一般取碳和氧的活度系数为1，考虑真空下气相分压，则取碳氧积:

[％C]×[％O]＝0.0024

对于42CrMo齿轮钢的碳量为0.42％时，钢中的平衡氧与PCO对应关系如下：

实际真空碳脱氧效果可以达到10ppm以下，因采用增碳法，钢中增碳到0.42％左右。

5、VAD真空精炼炉的作用是，可实现真空下碳脱氧，真空下碳的脱氧能力强于铝的脱氧能力，真空下碳不但对基液脱氧，而且还能对基液顶渣脱氧，可以把钢中的氧含量控制到很低的程度；可实现真空下电升温补偿合金化的温度损失和精炼的温度损失，升温时因在真空下进行，钢液不但增N，而且能实现一定程度的真空脱N。VAD真空精炼炉对钢的脱氧合金化和精炼，实现极低O和极低N齿轮钢的制备。

6、为了防止VAD真空精炼过程中耐材对钢水的污染，采用镁钙砖材质做为精炼包的工作衬。

本发明无铝齿轮钢(本文中代号为H-42CrMo)与市场上现有产品42CrMo(本文中代号为L-42CrMo)的对比结果如下：

1、采用4N级高纯铁经VAD真空精炼42CrMo齿轮钢，代号为H-42CrMo。市场上某厂产品，代号为L-42CrMo。

2、化学成分：wt％

钢种	C	Si	Mn	P	S	O	N	Cr	Mo	Al
											L-42CrMo	0.43	0.35	0.64	0.02	0.016	0.006	0.007	1.03	0.19	0.03
H-42CrMo	0.42	0.34	0.005	0.001	0.0008	0.0008	0.001	0.95	0.24	0.002

3、42CrMo齿轮钢力学性能对比：

钢种	Σs(MPa)	Σb(MPa)	σsσb
				L-42CrMo	1313	1462	0.90
H-42CrMo	1335	1478	0.90

4、在700MPa应力下，L-42CrMo钢的断裂范围在10⁵～10⁸转内多处断裂，而H-42CrMo钢在10⁶～10⁹转内无断裂。

有上述对比结果可见：本发明既保障了无铝齿轮钢的力学性能又同时减少了其断裂倾向。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims

1.一种无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用4N级高纯铁作为制备无铝齿轮钢的铁基材料；

步骤2，采用吹炼氧化提纯所述4N级高纯铁；

步骤3，采用真空精炼炉进行真空碳脱氧；

步骤4，按照以下元素及其wt%含量进行合金化：C=0.38～0.45，Cr=0.90～1.20，Mo=0.15～0.25，Si=0.17～0.37，余量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质包括以下元素及其允许残余wt%含量：O≤0.0015，N≤0.0015，P≤0.0015，S≤0.0015，Mn≤0.008，Al≤0.005；

所述步骤1中的4N级高纯铁的铁wt%含量为99.97～99.99，除铁外其他元素wt%含量之和不大于0.030；

所述除铁外其他元素wt%含量如下：C≤0.0005，Si≤0.001，Mn≤0.0015，P≤0.0005，S≤0.0005，Ti≤0.0001，Al≤0.002，Cr≤0.0005，Cu≤0.001，Ni≤0.0020，O≤0.002。

2.根据权利要求1所述的无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉。

3.根据权利要求2所述的无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口的真空室，所述真空室的顶部设置有延伸到钢包顶渣层中的电极，钢包的底部设置有底吹氩接口。

4.根据权利要求3所述的无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，钢包的包衬采用镁钙质砖衬以减少耐材对钢水的污染。

5.根据权利要求3所述的无铝齿轮钢的制备方法，其特征在于，在所述VAD真空电弧精炼炉脱氧过程中，采用真空碳脱氧，所述真空碳脱氧使允许残余氧含量O≤10ppm。

6.一种无铝齿轮钢，其特征在于，采用上述权利要求1-5之一所述的无铝齿轮钢的制备方法制造。