CN115323268A

CN115323268A - 一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢及其制造方法

Info

Publication number: CN115323268A
Application number: CN202210857154.7A
Authority: CN
Inventors: 张学诚; 白云; 吴小林; 卢明霞; 曹红福; 孙鸿平; 项洋; 林虎; 王东; 朱云海
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2042-07-20
Also published as: CN115323268B

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢及其制造方法，金相组织为铁素体和珠光体，其中珠光体的占比达到70％‑85％，化学成分重量百分比为C:0.40～0.50％，Si:1.00～1.30％，Mn:0.65～0.90％，Cr:0.65～0.90％，Ni:0.15～0.25％，P:≤0.015％，S:≤0.005％，Al:≤0.015％，Cu:≤0.10％,Mo:≤0.05％,余量为Fe及不可避免的杂质。钢材的热轧硬度≤210HBW。经感应淬火和回火处理后的钢材抗拉强度为1150‑1320MPa,屈服强度≥950MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，常温夏比冲击功KU2≥70J。采用中碳、高硅设计，结合镍元素确保钢材拥有高强度与高韧性；热轧成型分三阶段轧制，轧制过程控制各阶段压缩比与轧制过程温度，轧后高温钢材从800℃以上起采用盖保温罩密闭、以防风堆冷的方式缓慢冷却至室温，以控制热轧硬度≤210HBW。

Description

一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢及其制造方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及齿轮钢及其制造方法。

背景技术

齿轮钢是对可用于加工制造齿轮与齿轴钢材的统称。一般有低碳与中碳合金钢两种。这类钢材通常要求钢材具备较高的强度和韧性，或者是表面耐磨而心部有良好的韧性耐冲击。齿轮钢是汽车、铁路、船舶、工程机械中使用特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全核心部件的制造材料。近几年，齿轮钢正向着高强度、高韧性、长寿命、低成本等方向发展。感应淬火一般适用于中碳合金钢，淬火后钢材拥有较高的强度。

专利公开号CN 103741050 A公开了一种超高强度高韧性钢及其生产方法。所述方法包括以下步骤：EBT电炉初炼钢水并控制钢水终点碳含量≥0.10wt％和磷含量≤0.004wt％，出钢温度为1620～1650℃，并在出钢过程中进行预脱氧、合金化以及增碳处理；LF精炼；连铸得到连铸坯；电渣重熔连铸坯得到超高强度高韧性钢，其化学成分由0.42～0.48％的C、0.15～0.35％的Si、0.60～0.90％的Mn、0.40～0.70％的Ni、0.90～1.20％的Cr、0.90～1.10％的Mo、0.05～0.15％的V、不大于0.015％的P、不大于0.015％的S、不大于0.00008％的H、不大于0.0016％的O、不大于0.0050％的N以及余量的铁和不可避免的杂质组成，并且钢中的非金属夹杂物A类、B类、C类和D类均不大于0.5级。

发明内容

为了满足感应淬火齿轮钢的生产要求，发明了一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢及制造方法，齿轮钢采用感应加热进行淬火(水淬)和回火，钢材抗拉强度为1150-1320MPa,屈服强度≥950MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，常温夏比冲击功KU2≥70J；钢材的热轧硬度≤210HBW。

本申请进一步的提高了钢质纯净度、降低了钢中气体含量，能够实现大批量生产。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，化学成分重量百分比为C:0.40～0.50％，Si:1.00～1.30％，Mn:0.65～0.90％，Cr:0.65～0.90％，Ni:0.15～0.25％，P:≤0.015％，S:≤0.005％，Al:≤0.015％，Cu:≤0.10％,Mo:≤0.05％,余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢的各化学元素对应的主要作用及设计依据是：

C:随着钢中碳含量的提升，钢材抗拉强度、屈服强度都会随之升高，但过高的碳含量会导致钢材热轧硬度偏高。感应淬火齿轮钢成分上一般采用中碳设计。因此，本发明中的C含量选择范围为0.40～0.50％。

Si:硅元素作为脱氧剂在炼钢过程中加入，同时硅元素还能够起到提高钢材抗拉强度与屈服强度的作用，但硅含量的增加也会降低钢材的韧性。因此，本发明中的Si含量选择范围为1.00～1.30％。

Mn:在炼钢过程中加入锰可以起到良好的脱氧作用与一定的脱硫的作用，同时还可以起到提升钢材强度的作用，但是锰元素的过多加入不利于钢材的韧性。因此，本发明中的Mn含量选择范围为0.65～0.90％。

Cr:铬能显著提高钢材强度，但同时会降低钢材塑性和韧性。因此，本发明中的Cr含量选择范围为0.65～0.90％。

Ni:镍能确保钢材感应淬火后拥有更高的强度，同时保持钢材良好的塑性与韧性。因此，本发明Ni含量的选择范围为0.15～0.25％。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，降低塑性与韧性，使冲击性能变差。因此，本发明P含量的选择范围为P≤0.015％。

S：硫是钢中的有害元素，使钢材产生热脆性，在钢材锻造、轧制、感应淬火过程中造成裂纹，硫元素同时会降低钢的延展性和韧性。因此，本发明应严格控制S含量，S≤0.005％。

Al:在本发明钢中属于残余元素，铝元素会与钢中的氧元素相结合，形成三氧化二铝非金属夹杂物，影响连铸过程中钢水的可浇铸性。同时铝还能影响钢材的感应淬火性能与热加工性能性能。因此，本发明Al含量≤0.015％。

Cu、Mo:属于本发明钢中的残余元素。残余元素Cu、Mo影响着钢材强度与韧性的稳定性，需要严格控制Cu与Mo在钢中的含量，因此，本发明Cu含量的选择范围为Cu≤0.10％，Mo含量的选择范围为Mo≤0.05％。

上述高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢制备方法包含如下工艺步骤：

(1)采用KR铁水预处理降低铁水中的硫含量，处理后的铁水硫含量降低至0.001％以下；转炉选用预处理后的铁水与优质废钢进行冶炼，转炉脱磷温度控制在1400-1500℃，脱磷时炉渣的二元碱度控制在3.2-3.5，转炉出钢磷含量≤0.010％；

(2)精炼过程往钢液中加入块状硅铁合金沉淀脱氧，同时向钢液表面飘洒硅铁粉进行扩散脱氧，精炼脱氧与脱硫时的炉渣二元碱度控制在4.5-4.9(通过稳定控制本发明钢炉渣二元碱度在4.5-4.9，炉渣在该碱度环境下，炉渣中的CaO会以最快的速度被还原性元素C、Si、Al迅速地还原出Ca，Ca与钢水中的硫反应形成高熔点的CaS进入炉渣中，被炉渣所吸附，确保了钢水拥有最佳的脱硫效果，S含量可以控制≤0.005％，同时在该碱度下钢水也拥有较好的脱氧效果：O≤0.002％)，精炼过程加入锰铁合金、铬铁合金、镍板调整钢液中对应元素的含量；采用浅过真空的脱气方式：真空脱气炉(如RH或VD炉)迅速将真空度降低至10-20Pa，在低真空度下钢水能够在短时间实现脱氢，钢水快速脱氢后，氢含量能稳定控制在2.0ppm以下，采用这种方式脱氢可以节约脱氢时间，大幅度地提升脱气效率，提升钢材的产量，钢液在10-20Pa的低真空度下快速处理3分钟以上，钢水浅过真空后软吹氩9-15分钟。

(3)连铸采用全流程保护浇铸模式，防止钢水被二次氧化，钢水经大包流入中间包再进入方形结晶器，最终浇铸出390mm*510mm的连铸大方坯。高温连铸大方坯(≥850℃)采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温。

(4)连铸大方坯入加热炉加热，加热炉炉温≥700℃，大方坯随炉快速加热至1100-1180℃后保温90分钟。加热后的连铸大方坯四周采用高压水除鳞，优选地，高压水喷射至连铸坯表面的压力控制在15-17MPa。

(5)连铸坯进行三阶段轧制，第一阶段粗轧，粗轧过程温度1020℃-1050℃，粗轧采用大压下轧制，粗轧压缩比≥4.0；第二阶段为中轧，中轧过程温度950℃-1000℃，中轧压缩比≥2.0；第三阶段为精轧，精轧过程温度880-930℃，精轧压缩比≥1.5。

(6)轧后高温钢材(≥800℃)缓冷至室温，优选地，采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温，以控制钢材的热轧硬度。采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式，可以起到与钢材下坑缓冷相似的效果，这种方法相对于钢材吊入缓冷坑内缓冷更为便捷，而且还能节约宝贵的缓冷坑资源。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明成分上采用中碳，高硅设计，并添加适量的镍元素，以确保钢材拥有高强度与高韧性；钢水采用浅过真空脱气处理，钢水浅过真空后软吹氩，高温铸坯盖保温罩密闭，防风堆冷。铸坯入加热炉随炉快速升温至1100-1180℃后保温90分钟，铸坯出加热炉后四周采用高压水除鳞，然后进行三阶段轧制，轧制过程控制各阶段的压缩比与轧制过程温度，轧后高温钢材(≥800℃)采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温，控制钢材热轧硬度≤210HBW，冷却后的钢材为均匀的珠光体+铁素体组织，其中珠光体组织占比达到70％-85％，剩余为铁素体组织，含量较高的珠光体组织能够促使感应淬火后钢材内部产生更多的马氏体组织，这些马氏体组织经回火后形成索氏体组织，从而提升了钢材的强度与韧性。

按照本方法生产的一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，具备钢材强度高、韧性好,热轧硬度较低：钢材抗拉强度为1150-1320MPa,屈服强度≥950MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，常温夏比冲击功KU2≥70J；钢材的热轧硬度≤210HBW。

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。

实施例1与实施例2：

两实施例所涉及的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢制造方法：KR铁水预处理→100t转炉初炼→100t精炼炉精炼→RH炉浅过真空处理→连铸大方坯(390mm×510mm)→连铸大方坯缓慢冷却→加热炉加热→粗轧→中轧→精轧→轧材缓慢冷却。制造两个批次的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢。

KR铁水预处理后的铁水硫含量降低至0.001％以下；转炉选用预处理后的95吨铁水与优质废钢进行冶炼，转炉脱磷温度为1400-1500℃，脱磷时炉渣的二元碱度控制在3.2-3.5，转炉出钢磷含量控制在0.010％以下；

精炼过程往钢液中加入块状硅铁合金沉淀脱氧，同时向钢液表面飘洒硅铁粉进行扩散脱氧，精炼脱氧与脱硫时的炉渣二元碱度控制在4.5-4.9,精炼过程加入锰铁合金、铬铁合金、镍板调整钢液化学成分，并且取样分析钢水的化学成分；RH采用浅过真空的脱气方式，钢液在10-20Pa的低真空度下快速处理3分钟，将钢水的氢含量降低至2.0ppm以下，钢水浅过真空后软吹氩12分钟。

连铸采用全流程保护浇铸模式，浇铸出390mm*510mm的连铸大方坯。高温连铸大方坯865℃(实施例1)和855℃(实施例2)采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温。

连铸大方坯入加热炉，加热炉炉温730℃(实施例1)和750℃(实施例2)，连铸大方坯随炉快速加热至1150℃(实施例1)和1170℃(实施例2)后保温90分钟。加热后的连铸坯四周采用高压水除鳞，高压水喷射至连铸坯表面的压力控制在16.3MPa(实施例1)和16.8MPa(实施例2)。

粗轧过程温度1020℃-1050℃，粗轧压缩比为4.2(实施例1)和4.1(实施例2)；中轧过程温度950℃-1000℃，中轧压缩比为2.2(实施例1)和2.1(实施例2)；精轧过程温度880-930℃，精轧压缩比为1.6(实施例1)和1.7(实施例2)。

轧后高温钢材825℃(实施例1)和835℃(实施例2)采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温,以控制热轧钢材硬度≤210HBW。

实施例1和2制得的钢材化学成分见表1。

表1(wt％)

	C	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Al	Cu	Mo
											实施例1	0.42	1.09	0.72	0.71	0.18	0.008	0.002	0.009	0.01	0.01
实施例2	0.47	1.21	0.85	0.86	0.23	0.009	0.001	0.011	0.01	0.01

实施例1和2的制得的热轧钢材硬度分别为189HBW和202HBW。

实施例1和2制得的热轧钢材经880℃感应淬火，水冷；520℃感应回火，水冷后在距钢材表面15mm处取φ15mm的试样，测得的力学性能见表2。

表2

本发明采用中碳，高硅设计，并添加适量的镍元素，确保钢材拥有高强度与高韧性；采用RH浅过真空脱气处理，钢水浅过真空后软吹氩，然后吊至连铸平台进行保护浇铸，高温连铸大方坯盖保温罩密闭，防风堆冷。连铸大方坯入加热炉随炉快速加热升温，然后分三阶段轧制，轧制过程控制各阶段压缩比与轧制过程温度，轧后高温钢材(≥800℃)采用盖保温罩密闭，防风堆冷的方式缓慢冷却至室温，以控制钢材热轧硬度≤210HBW。通过合理的炼钢与轧钢工艺成功制造了一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，填补了国内空白。

Claims

1.一种高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，其特征在于：所述齿轮钢的金相组织为铁素体和珠光体，其中珠光体的占比达到70％-85％，化学成分重量百分比为C:0.40～0.50％，Si:1.00～1.30％，Mn:0.65～0.90％，Cr:0.65～0.90％，Ni:0.15～0.25％，P:≤0.015％，S:≤0.005％，Al:≤0.015％，Cu:≤0.10％,Mo:≤0.05％,余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，其特征在于：钢材的热轧硬度≤210HBW。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢，其特征在于：经感应淬火和回火处理后的钢材抗拉强度为1150-1320MPa,屈服强度≥950MPa，延伸率≥12％，断面收缩率≥50％，常温夏比冲击功KU2≥70J。

4.一种制造权利要求1所述的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢的方法，其特征在于：包括

步骤一、钢水初炼：先通过铁水预处理降低铁水中的硫含量，处理后的铁水硫含量降低至0.001％以下；初炼是以预处理后的铁水与优质废钢进行冶炼，初炼脱磷温度控制在1400-1500℃，脱磷时炉渣的二元碱度控制在3.2-3.5，初炼出钢磷含量≤0.010％；

步骤二、钢水精炼：精炼过程往钢液中加入块状硅铁合金沉淀脱氧，同时向钢液表面飘洒硅铁粉进行扩散脱氧，精炼过程将炉渣二元碱度控制在4.5-4.9实现同时脱氧与脱硫，脱氧的同时S含量可以控制为≤0.005％；精炼过程加入锰铁合金、铬铁合金、镍调整钢液的化学成分；采用浅过真空的脱气方式对钢水脱气：将真空度降低至10-20Pa，钢水快速脱氢，氢含量控制在2.0ppm以下，钢液在10-20Pa的低真空度下快速处理3分钟，钢水浅过真空后软吹氩9-15分钟；

步骤三、浇铸：采用全流程保护浇铸模式防止钢水被二次氧化，钢水经大包流入中间包再进入方形结晶器，最终浇铸出390mm*510mm规格以上的大方坯，大方坯在850℃以上时盖保温罩密闭，以防风堆冷的方式缓慢冷却至室温；

步骤四、加热：大方坯入加热炉加热，加热炉炉温≥700℃，大方坯随炉快速加热至1100-1180℃后，保温90分钟以上，出炉后除鳞；

步骤五、轧制：大方坯进行三阶段轧制：第一阶段为粗轧，粗轧过程温度：1020℃-1050℃，粗轧采用大压下轧制，粗轧压缩比≥4.0；第二阶段为中轧，中轧过程温度950℃-1000℃，中轧压缩比≥2.0；第三阶段为精轧，精轧过程温度880-930℃，精轧压缩比≥1.5；

步骤六、缓冷：轧后钢材以45℃/h-70℃/h的冷却速度从≥800℃高温缓冷至室温，组织为均匀的珠光体+铁素体。

5.根据权利要求4所述的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢的制造方法，其特征在于：步骤四中，加热后的大方坯四周采用高压水除鳞，高压水喷射至大方坯表面的压力控制在15-17MPa。

6.根据权利要求4所述的高强度高韧性可用于感应淬火的齿轮钢的制造方法，其特征在于：步骤六中，采用盖保温罩密闭、防风堆冷的方式缓慢冷却至室温，以调控钢材的热轧硬度。