CN116043111A

CN116043111A - 一种风电用齿轮钢及其生产方法

Info

Publication number: CN116043111A
Application number: CN202310009859.8A
Authority: CN
Inventors: 刘兵; 赵冠夫; 戈文英; 梁娜; 任琪; 关义利; 马传庆
Original assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-05-02

Abstract

本发明属于齿轮钢技术领域，具体而言，本发明涉及一种风电用齿轮钢及其生产方法，本发明采用Al、Nb、N复合微合金化以保证钢中生成AlN、NbN第二相粒子，在渗碳热处理过程中起到钉扎晶界，阻止晶粒长大。由于AlN、NbN第二相粒子的数量影响晶粒长大的程度，为保证钢中生成足量的AlN、NbN第二相粒子，将钢中的Alt/[N]控制在2～4范围内。另外本发明将复合元素对晶粒长大的作用通过简单的线性公式来表达，保证了风电用齿轮钢组织的稳定性，有效避免了锻件经过温度950～1000℃、时间15～40h的渗碳热处理后晶粒的长大以及出现混晶现象。

Description

一种风电用齿轮钢及其生产方法

技术领域

本发明属于齿轮钢技术领域，具体而言，本发明涉及一种风电用齿轮钢及其生产方法。

背景技术

2021年，随着陆风补贴退出，中国海上风电发展进入高景气周期。超大型风机越来越受到业主的青睐，以减少总体建设和维护成本。针对这种变化，国内外主要主机厂商纷纷推出自己的8-12MW机型，越来越多“巨无霸”风机的面世也对各类风机部件的制造提出了更高要求。对风机用齿轮而言，一方面要适应海上风电的恶劣环境，要求齿轮具有高的内部质量；另一方面要响应国家节能降碳号召，采用工艺更加先进的高温渗碳工艺，提高渗碳淬火温度，减少高温渗碳时间，提高渗碳效率。

大量研究表明，提高渗碳温度能够降低渗碳周期，显著提高渗碳处理效率。但受到设备条件限制，国内大多数齿轮制造企业的齿轮渗碳处理温度仍然控制在1000℃以下。更高温度的渗碳往往需要在真空条件下进行，工业化的高温渗碳设备昂贵，且技术不够成熟，难以大规模应用。一些大模数齿轮，由于齿轮尺寸较大，根据要求的渗碳层深度的不同，在1000℃以下渗碳热处理时，往往需要15至40小时的时间。在此过程中晶粒长大倾向非常严重。一般的渗碳齿轮钢大多添加Al元素，以A1N细化晶粒，但Al高温稳定性差，950℃以上容易发生溶解，失去钉扎晶界的作用。还有研究表明，在1000℃以下的高温渗碳过程中，能够向钢中添加Nb，通过生成Nb(C，N)来钉扎晶界，防止奥氏体晶粒的异常长大。但在实际生产过程中，使用Al、Nb复合微合金化的齿轮钢，在经过温度＞950℃，时间≥15h的渗碳热处理后，非常容易出现混晶现象，个别部分晶粒度达到3级，晶粒度极差往往在3级以上。可见单纯的Al、Nb复合微合金化难以适应齿轮长时间高温渗碳的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电用齿轮钢及其生产方法，本发明采用Al、Nb、N复合微合金化以保证钢中生成AlN、NbN第二相粒子，在渗碳热处理过程中起到钉扎晶界，阻止晶粒长大。为保证钢中生成足量的AlN、NbN第二相粒子，将钢中的Alt/[N]控制在2～4范围内。另外本发明将复合元素对晶粒长大的作用通过简单的线性公式来表达，保证了风电用齿轮钢组织的稳定性，有效避免了锻件经过温度950～1000℃、时间15～40h的渗碳热处理后晶粒的长大以及出现混晶现象。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种风电用齿轮钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.15～0.23％，Si：0.17～0.35％，Mn：0.50～1.20％，Cr：1.10～1.80％，Mo：0.20～0.35％，Ni：0～1.70％，Nb：0.015～0.050％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Alt：0.020～0.040％，Cu：≤0.20％，Ti≤0.010％，[O]：≤0.0015％，[N]：≤0.015％，[H]：≤0.00015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

其中，0.7％≤1/5Cr+1/5Mo+1/15Ni+20Nb+15Al+10Ti-1/6Mn-1/6P-C，并且Alt/[N]:2～4，式中元素符号代表相应元素在钢中的质量百分含量。

本发明限定0.7％≤1/5Cr+1/5Mo+1/15Ni+20Nb+15Al+10Ti-1/6Mn-1/6P-C，其作用是保证锻件经过温度950～1000℃，时间15～40h的渗碳热处理后，其平均晶粒度≥7级，极差＜3级。

本发明的技术方案还有：在860℃淬火检验钢材的淬透性，J1.5：40-48HRC，J5：39-48HRC，J25：31-39HRC；

钢中A类夹杂物≤1.5级，B类夹杂物≤1.0级，C类夹杂物≤0.5级，D类夹杂物≤0.5级，Ds类≤0.5级。

本发明还公开了一种上述风电用齿轮钢的生产方法，包括以下步骤：

1)电炉冶炼：采用废钢+铁水为原料，入炉铁水比例为65～75％，控制电炉终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，电炉出钢过程中向钢中加入适量的纯铝锭脱氧，控制精炼到位后钢中的Alt含量在0.050～0.070％；

2)LF精炼；

3)VD炉真空处理，破空后进行增氮处理；

4)连铸：连铸过程采用全程保护浇注工艺，控制连铸过程钢水增氮量≤3ppm；

钢水过热度控制在20～35℃，比水量0.08～0.13L/kg，足辊段、二冷1段、二冷2段的比例为6:4:3，结晶器电磁搅拌电流≤150A，末端电磁搅拌电流≥200A；

5)轧制：铸坯采用冷装加热工艺，加热总时间控制在7.5～9.0小时，其中均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1200～1240℃；

采用粗轧开坯，精轧成型的方式轧制，开轧前等待降温3～5min，开轧温度控制在1070～1180℃，粗轧单道次的压下量≥50mm，终轧温度控制在900～1030℃，钢材锯切前进行保温；

6)缓冷。

本发明的技术方案还有：步骤2)LF精炼具体步骤如下：使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al₂O₃含量为25～32％，炉渣碱度R控制在5～7范围内，精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，精炼终渣中∑Fe含量≤0.5％，钢水在LF的精炼时间为45～55min。

本发明的技术方案还有：步骤3)VD炉真空处理具体步骤如下：利用VD炉进行真空脱气，入炉前控制炉渣厚度为80～100mm，钢水在67Pa以下保持时间≥15min，破空后向钢中喂入氮化锰线1.8～2.2m/吨钢进行增氮，控制钢水软吹时间15～25min。

本发明的技术方案还有：步骤6)缓冷具体步骤如下：上冷床温度控制在650～750℃。

本发明的技术方案还有：步骤4)连铸采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面为

步骤5)轧制的轧制规格为

本发明的发明概述：要避免齿轮在高温渗碳中晶粒异常长大，需要做到：1.钢中有足够数量的第二相粒子，起到钉扎晶界的作用；2.第二相粒子均匀分布，避免局部区域的晶粒异常长大。

本发明采用Al、Nb、N复合微合金化设计，目的是保证钢中生成AlN、NbN等第二相粒子，在渗碳热处理过程中钉扎晶界，阻止晶粒长大。AlN中铝和氮相对原子质量比约为3:2，但钢中的铝以Al₂O₃、AlN以及酸溶铝等多种形式存在，在Al、Nb复合条件下，将钢中的Alt/[N]控制在2～4范围内，即能够保证钢中生成足量的AlN、NbN等第二相粒子。此外，过量的N会引起钢材表面质量缺陷，给生产带来不利影响，因此氮含量不能无限制的增多。

另外，本发明还充分利用Cr、Mo、Ni等合金元素稳定奥氏体晶粒的作用，Cr、Mo等元素能够与钢中的碳形成稳定碳化物，阻止晶粒长大，Ni元素对奥氏体晶粒的长大也有一定的阻碍作用。复合元素的影响，就不一定是单一元素作用结果的简单叠加。

在一定的化学成分范围内，本发明通过对大量的试验数据进行分析，将复合元素对晶粒长大的作用通过简单的线性公式来表达，能够方便的指导后续的生产过程，同时对新材料的开发也有一定的借鉴意义。

本发明在连铸过程中，整体采用弱冷工艺，前期适当的增大水量，结晶器电磁搅拌电流控制在150A以内，能够较好的促进铸坯柱状晶的生长，凝固末期，末端电磁搅拌电流控制在200A以上，提高心部铸坯的均匀性。这样铸坯整个横截面上的均匀能够得到很好的保证。

轧制过程，均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1200～1240℃，进一步提高铸坯的成分均匀性，轧前等待降温3～5min，铸坯表面温度下降较大，有利于开坯过程中铸坯的心部变形，终轧温度控制在900～1030℃，保证热轧态晶粒度控制8级以上。钢材的原始晶粒度尺寸也会影响奥氏体晶粒的大小。另外，有研究表明，如图9所示，图9给出了相同应变速率(ε)条件下，单位数量的Nb(C，N)析出需要的时间(Time)与温度(Temperature)、应变量

的关系，相同应变量时，温度越高，单位数量的Nb(C，N)析出需要的时间越长，在温度达到900℃时，单位数量的Nb(C，N)析出需要的时间最短；同理，应变量越大，相同温度下，单位数量的Nb(C，N)析出需要的时间越短，由于相同应变速率条件下，Nb(C，N)的析出速率在900℃达到最大值，因此在轧制后、锯切前，对钢材进行保温，促进Nb(C，N)的析出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明风电用齿轮钢通过稳定控制钢中的合金含量，保证齿轮钢经过经过温度950～1000℃、时间15～40h的渗碳热处理后的晶粒度≥7级，同时稳定控制钢的淬透性。

(2)本发明的风电用齿轮钢的生产方法采用良好的炼钢洁净度控制，连铸过程全保护浇注工艺，合理的电磁搅拌工艺和大压缩比轧制工艺，保证了圆钢的成分和组织均匀稳定，钢材性能优异。

(3)本发明的风电用齿轮钢的生产方法采用合理的轧制温度控制，强化轧后冷却过程中钢中第二相粒子的析出，稳定钢材晶粒度。

附图说明

图1为实施例1中风电用齿轮钢横截面边缘部位的晶粒度图；

图2为实施例1中风电用齿轮钢横截面1/2R部位的晶粒度图；

图3为实施例2中风电用齿轮钢横截面边缘部位的晶粒度图；

图4为实施例2中风电用齿轮钢横截面1/2R部位的晶粒度图；

图5为对比例1中风电用齿轮钢横截面边缘部位的晶粒度图；

图6为对比例2中风电用齿轮钢横截面边缘部位的晶粒度图；

图7为对比例3中风电用齿轮钢横截面边缘部位的晶粒度图；

图8为对比例3中风电用齿轮钢横截面1/2R部位的晶粒度图；

图9为不同应变条件下Nb(C，N)的析出速率示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本发明风电用齿轮钢的生产方法，包括以下步骤：

1)使用电炉冶炼，采用废钢+铁水为原料，入炉铁水比例为65～75％，控制电炉终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，电炉出钢过程中向钢中加入适量的纯铝锭脱氧，控制精炼到位后钢中的Alt含量在0.050～0.070％。

使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al₂O₃含量为25～32％，炉渣碱度R控制在5～7范围内，精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，精炼终渣中∑Fe含量≤0.5％，钢水在LF的精炼时间为45～55min。

VD炉进行真空脱气，入炉前控制炉渣厚度为80～100mm，钢水在67Pa以下保持时间≥15min，破空后向钢中喂入氮化锰线1.8～2.2m/吨钢进行增氮，控制钢水软吹时间15～25min。

2)连铸过程采用全程保护浇注工艺，控制连铸过程钢水增氮量≤3ppm。

3)采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面为

4)铸坯采用冷装加热工艺，加热总时间控制在7.5～9.0小时，其中均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1200～1240℃。

采用粗轧开坯，精轧成型的方式轧制，开轧前等待降温3～5min，开轧温度控制在1070～1180℃，粗轧单道次的压下量≥50mm，轧制规格为

终轧温度控制在900～1030℃，钢材锯切前进行保温，上冷床温度控制在650～750℃。

本发明风电用齿轮钢采用120吨电炉进行初炼，采用优质自循环废钢，兑加铁水占比65-75％，终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，出钢温度1628-1640℃。电炉出钢115-120吨，出钢过程中加入石灰660kg，精炼预熔渣400kg，纯铝块135kg，按照成分下线配入合金。LF到位后，使用增碳剂和碳化硅进行扩散脱氧，碳化硅用量50kg，扩散脱氧完成后按照目标成分配入合金，钢水精炼周期50-60min。

钢水进入VD工位前进行扒渣，扒除1/3渣量，真空处理25min，67Pa以下保持15min，软吹3min后取成品样分析，破空后总软吹时间≥20min，测温合适后上钢。

其中表1为本发明实施例连铸过程参数；表2为为本发明实施例连铸过程参数；表3为本发明实施例熔炼分析成分；表4为本发明实施例气体检验结果；表5为本发明实施例钢材力学性能检验结果；表6为本发明实施例钢材淬透性检验结果；表7为本发明实施例晶粒度评级。

表1本发明实施例连铸过程参数

	浇注断面	结晶器电搅电流	末端电搅电流
				实施例1	Φ500mm	150A	200A
实施例2	Φ650mm	100A	225A
				对比例1	Φ500mm	150A	200A
对比例2	Φ500mm	150A	200A
				对比例3	Φ500mm	225A	150A

表2本发明实施例轧钢过程参数

	轧制规格	均热温度	均热时间	终轧温度	轧后是否保温
						实施例1	Φ130mm	1200～1240℃	1.67～2h	923～958℃	是
实施例2	Φ240mm	1220～1240℃	1.5～2.2h	915～955℃	是
						对比例1	Φ150mm	1200～1240℃	1.67～2h	923～958℃	是
对比例2	Φ150mm	1200～1240℃	1.67～2h	923～958℃	是
						对比例3	Φ150mm	1200～1240℃	1.67～2h	953～988℃	否

表3本发明实施例熔炼分析成分

表4本发明实施例气体检验结果/ppm

	O	N	H
				实施例1	11.8	84.9	0.1
实施例2	8	88.6	0.7
				对比例1	7.5	33	0.2
对比例2	8.8	80	0.1
				对比例3	9	90	0.2

表5本发明实施例钢材力学性能检验结果

表6本发明实施例钢材淬透性检验结果/HRC

	J1.5	J9	J15
				实施例1	43.8	43.63	38.8
实施例2	43.9	40	30.2
				对比例1	43.1	40.2	31.1
对比例2	47.5	44.1	39.2
				对比例3	44.2	43.8	37.6

表7本发明实施例晶粒度评级

如表7和图1-图4所示，从晶粒度检验结果能够看出，在980℃保温40h的条件下，实施例1和和实施例2的边缘和1/2R处的平均晶粒度≥7.5级，极差≤2.5级，有效抑制了晶粒的长大，并且未出现混晶现象。

对比例1由于没有增氮，虽然成分满足0.7％≤1/5Cr+1/5Mo+1/15Ni+20Nb+15Al+10Ti-1/6Mn-1/6P-C，但在轧材的边缘出现了晶粒的局部异常长大，由表7和图5所示，在980℃保温20h条件下，边缘部位的平均晶粒度为6.5级，极差为5级，出现了混晶现象。因此说明即使Al和Nb等微合金成分含量满足要求，但是氮含量不满足要求即Alt/[N]大于4，如表3和表4所示，无法产生足够多的AlN、NbN等第二相粒子，同样会造成混晶现象的发生。

对比例2进行了增氮，但化学成分不满足0.7％≤1/5Cr+1/5Mo+1/15Ni+20Nb+15Al+10Ti-1/6Mn-1/6P-C，经过20小时热处理后，由表7和图6所示，在980℃保温20h条件下，边缘部位的平均晶粒度为5.0级，极差为3.5级，出现了混晶现象。

由对比例1和对比例2能够得出，本发明中各成分之间的关系以及Alt/[N]的取值对齿轮钢后续的渗碳处理组织晶粒度的大小以及极差具有显著的影响，只有两者同时满足的情况下才能保证锻件经过温度950～1000℃，时间15～40h的渗碳热处理后，其平均晶粒度≥7级，极差＜3级。

对比例3成分和实施例1成分相似，但其连铸和轧钢工艺不同，不利于成分的均匀分布和Nb(C，N)等第二相粒子的快速大量析出，由表7和图8所示，边缘部位的平均晶粒度为5.5级，极差为3.5级，造成了轧材的1/2R处的晶粒粗大和混晶。说明了后期的连铸和轧制对晶粒的均匀分布有重要影响。

Claims

1.一种风电用齿轮钢，其特征在于，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.15～0.23％，Si：0.17～0.35％，Mn：0.50～1.20％，Cr：1.10～1.80％，Mo：0.20～0.35％，Ni：0～1.70％，Nb：0.015～0.050％，P：≤0.020％，S：≤0.015％，Alt：0.020～0.040％，Cu：≤0.20％，Ti≤0.010％，[O]：≤0.0015％，[N]：≤0.015％，[H]：≤0.00015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的风电用齿轮钢，其特征在于：在860℃淬火检验钢材的淬透性，J1.5：40-48HRC，J5：39-48HRC，J25：31-39HRC；

3.一种权利要求1或2所述的风电用齿轮钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)LF精炼；

3)VD炉真空处理，破空后进行增氮处理；

6)缓冷。

4.根据权利要求3所述的风电用齿轮钢的生产方法，其特征在于：步骤2)LF精炼具体步骤如下：使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al₂O₃含量为25～32％，炉渣碱度R控制在5～7范围内，精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，精炼终渣中∑Fe含量≤0.5％，钢水在LF的精炼时间为45～55min。

5.根据权利要求3所述的风电用齿轮钢的生产方法，其特征在于：步骤3)VD炉真空处理具体步骤如下：利用VD炉进行真空脱气，入炉前控制炉渣厚度为80～100mm，钢水在67Pa以下保持时间≥15min，破空后向钢中喂入氮化锰线1.8～2.2m/吨钢进行增氮，控制钢水软吹时间15～25min。

6.根据权利要求3所述的风电用齿轮钢的生产方法，其特征在于：步骤6)缓冷具体步骤如下：上冷床温度控制在650～750℃。

7.根据权利要求3所述的风电用齿轮钢的生产方法，其特征在于：步骤4)连铸采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面为φ500～650mm；

步骤5)轧制的轧制规格为φ120～260mm。