一种添加TiC纳米颗粒的20CrMnTiH齿轮钢及其制备方法与流程

本发明属于齿轮钢，尤其涉及一种添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢及其制备方法。

背景技术：

1、在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

2、20crmntih是一种广泛应用的中淬透性齿轮钢。提高渗碳温度是提升渗碳效率、降低能耗的最有效途径之一，研究表明，渗碳温度从930℃提高至1000℃时，渗碳周期可降低约55%。然而，在高温下，奥氏体晶粒极易迅速长大，导致钢材性能严重恶化。一种

3、目前，为允许高温渗碳，主要技术手段是在钢中添加nb、v、ti等微合金元素，使其在奥氏体中析出纳米级的碳氮化物来钉扎晶界。但这类方法存在明显局限：首先，析出相的数量、尺寸和分布严重依赖于复杂的热加工历史，工艺窗口窄，控制难度大；其次，添加的这些元素可能改变钢材的原始成分设计，影响其淬透性等核心性能；此外，ti元素易形成粗大的tin夹杂，反而对疲劳性能产生不利影响。

4、cn113430461a-一种nb、v微合金化齿轮钢及其制备方法、热处理方法、渗碳处理方法和渗碳齿轮钢，公开了一种nb、v微合金化齿轮钢及其制备方法、热处理方法、渗碳处理方法和渗碳齿轮钢，采用nb、v微合金化，得到具有铁素体+珠光体组织的nb、v微合金化齿轮钢；其采用了电弧炉冶炼-lf精炼-rh真空处理-连铸-热轧-缓冷的工艺进行生产；也无法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢及其制备方法，既能有效抑制高温晶粒长大，又不明显改变20crmntih钢基础成分和性能，抑制了高温下晶粒的长大，钢材在1050℃高温渗碳6小时后，奥氏体晶粒度仍可稳定保持在7级或更细级别，且无混晶现象，同时能将渗碳效率提高约50%，显著提升了生产效率和齿轮产品质量。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢，其化学成分质量百分数为：c0.19~0.21，mn1.14~1.16，cr1.17~1.19，ti0.077~0.079，si0.24~0.26，p0.012~0.020，s0.009~0.015，添加tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%，余量fe和不可避免的杂质。

3、其化学成分质量百分数为：c0.20，mn1.15，cr1.18，ti0.078，si0.25，p0.016，s0.011，添加tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%，余量fe和不可避免的杂质。

4、基材为20crmntih齿轮钢，在基材中添加tic纳米粉末；所述tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%、粒径为20～50nm；添加tic纳米粉末后进行高温扩散热处理：1200～1250℃保温2～4h，和1000～1050℃高温渗碳工艺处理。

5、上述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，包括如下步骤：

6、1）准备试验材料；2）添加tic纳米颗粒；3）铸造与高温扩散处理；4）试样加工与高温渗碳；5）淬火与回火处理；6）性能检测与结果分析。

7、上述第1）步中，基材选择20crmntih齿轮钢；添加剂选择采用气相法制备的tic纳米粉末；tic纳米粉末平均粒径30 ± 5 nm，纯度> 99.5%，比表面积：45 ± 5 m²/g；对tic纳米粉末进行预处理，将tic粉末在250℃真空干燥2小时，随后置于氩气保护环境中备用。

8、上述第2）步中，将20crmntih钢坯置于炉中，抽真空至10 pa后充入高纯氩气至0.05 mpa；升温至1600 ± 10℃，使钢料完全熔化并清渣，保温10分钟；将预处理好的tic纳米粉末装入送粉罐，通过载气以脉冲方式将其喷入钢液，加工参数为：载气压力1.2 mpa，脉冲频率3 hz，喷枪插入钢液深度200 mm，喷吹总时长2分钟；喷吹结束后，将钢液在1550℃下继续电磁搅拌5分钟。

9、上述第3）步中，铸造：将均匀化后的钢液浇注成φ80 mm × 150 mm的圆棒钢锭，并在氩气保护下缓冷至室温；高温扩散处理：将钢锭放入箱式电阻炉中，以8℃/min的速率升温至1230℃，在1230 ± 5℃下保温3小时；保温结束后，出炉空冷至室温。

10、上述第4）步中，试样制备：从扩散处理后的钢锭心部线切割加工出标准端淬试样及多个φ15mm×10mm的金相试样；高温渗碳：使用井式气体渗碳炉，渗剂为丙烷+空气；将试样装入炉内，在500℃预热30分钟以去除表面潮气；以15℃/min升温至1020℃；在1020 ± 5℃下进行强渗，炉内碳势通过氧探头精确控制在1.10 ± 0.03% c；强渗时间为4小时；强渗结束后，将碳势降至0.85% c，在相同温度下扩散1小时，整个渗碳过程通过红外分析仪连续监测炉气成分。

11、上述第5）步中，淬火：渗碳结束后，将试样转移至60℃的快速光亮淬火油中搅拌冷却，冷却速度约55℃/秒，直至试样温度低于150℃后取出；清洗与回火：用热碱水清洗试样表面油污后，立即置于200 ± 5℃的回火炉中，保温3小时，随后空冷。

12、上述第6）步中，晶粒度测定：按gb/t 6394-2017标准，将回火后试样在680℃离子渗硫显示晶界，使用金相图像分析系统测量奥氏体晶粒度；tic分布观察：通过扫描电镜配合能谱面扫描及透射电镜观察；硬化层分析：用维氏硬度计从表面向心部测试硬度梯度。

13、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，既能有效抑制高温晶粒长大，又不明显改变20crmntih钢基础成分和性能，抑制了高温下晶粒的长大，钢材在1050℃高温渗碳6小时后，奥氏体晶粒度仍可稳定保持在7级或更细级别，且无混晶现象，同时能将渗碳效率提高约50%，显著提升了生产效率和齿轮产品质量。

1.一种添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢，其特征在于，其化学成分质量百分数为：c0.19~0.21，mn1.14~1.16，cr1.17~1.19，ti0.077~0.079，si0.24~0.26，p0.012~0.020，s0.009~0.015，添加tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%，余量fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢，其化学成分质量百分数为：c0.20，mn1.15，cr1.18，ti0.078，si0.25，p0.016，s0.011，添加tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%，余量fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求2所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢，基材为20crmntih齿轮钢，在基材中添加tic纳米粉末；所述tic纳米粉末质量分数为0.03%～0.10%、粒径为20～50nm；添加tic纳米粉末后进行高温扩散热处理：1200～1250℃保温2～4h，和1000～1050℃高温渗碳工艺处理。

4.如权利要求1~3任一所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第1）步中，基材选择20crmntih齿轮钢；添加剂选择采用气相法制备的tic纳米粉末；tic纳米粉末平均粒径30 ± 5 nm，纯度> 99.5%，比表面积：45 ± 5 m²/g；对tic纳米粉末进行预处理，将tic粉末在250℃真空干燥2小时，随后置于氩气保护环境中备用。

6.如权利要求5所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第2）步中，将20crmntih钢坯置于炉中，抽真空至10 pa后充入高纯氩气至0.05 mpa；升温至1600 ± 10℃，使钢料完全熔化并清渣，保温10分钟；将预处理好的tic纳米粉末装入送粉罐，通过载气以脉冲方式将其喷入钢液，加工参数为：载气压力1.2 mpa，脉冲频率3hz，喷枪插入钢液深度200 mm，喷吹总时长2分钟；喷吹结束后，将钢液在1550℃下继续电磁搅拌5分钟。

7.如权利要求6所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第3）步中，铸造：将均匀化后的钢液浇注成φ80 mm × 150 mm的圆棒钢锭，并在氩气保护下缓冷至室温；高温扩散处理：将钢锭放入箱式电阻炉中，以8℃/min的速率升温至1230℃，在1230 ± 5℃下保温3小时；保温结束后，出炉空冷至室温。

8.如权利要求7所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第4）步中，试样制备：从扩散处理后的钢锭心部线切割加工出标准端淬试样及多个φ15mm×10mm的金相试样；高温渗碳：使用井式气体渗碳炉，渗剂为丙烷+空气；将试样装入炉内，在500℃预热30分钟以去除表面潮气；以15℃/min升温至1020℃；在1020 ± 5℃下进行强渗，炉内碳势通过氧探头精确控制在1.10 ± 0.03% c；强渗时间为4小时；强渗结束后，将碳势降至0.85% c，在相同温度下扩散1小时，整个渗碳过程通过红外分析仪连续监测炉气成分。

9.如权利要求8所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第5）步中，淬火：渗碳结束后，将试样转移至60℃的快速光亮淬火油中搅拌冷却，冷却速度约55℃/秒，直至试样温度低于150℃后取出；清洗与回火：用热碱水清洗试样表面油污后，立即置于200 ± 5℃的回火炉中，保温3小时，随后空冷。

10.如权利要求9所述的添加tic纳米颗粒的20crmntih齿轮钢的制备方法，其特征在于，上述第6）步中，晶粒度测定：按gb/t 6394-2017标准，将回火后试样在680℃离子渗硫显示晶界，使用金相图像分析系统测量奥氏体晶粒度；tic分布观察：通过扫描电镜配合能谱面扫描及透射电镜观察；硬化层分析：用维氏硬度计从表面向心部测试硬度梯度。