细晶粒齿轮用钢及其生产方法与流程

1.本发明属于冶金技术领域，尤其是一种细晶粒齿轮用钢及其生产方法。


背景技术：

2.齿轮钢是汽车用钢材料中要求较高的材料之一，晶粒均匀细化是提高钢铁材料强度而不降低塑性的有效方法。细小均匀的奥氏体晶粒度可以稳定齿轮钢末端淬透性，减少热处理变形，提高渗碳钢的脆断抗力。我国齿轮用钢的晶粒度级别一般控制在5～8级；而国外则强调晶粒级别不粗于6级。目前，国内外主要通过al、n、nb等微合金化实现齿轮钢细晶控制。
3.在冶炼时添加钢中al、n、nb含量是一种有效途径。钢中al可与钢中n结合形成细小弥散的aln，钉扎晶界，细化晶粒；nb与钢中的c、n结合，改变钢的显微结构。通过氮微合金化可保证齿轮渗碳处理后晶粒达8～10级，并且在高温渗碳后变大缓慢。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种细晶粒齿轮用钢及其生产方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：一种细晶粒齿轮用钢，其化学成分组成及其质量百分含量为：c 0.17～0.25%、si 0.17～0.37%、mn 0.70～1.10%、cr 0.9～1.40%、mo 0.20～0.30%、、al 0.030～0.060%、nb 0.10～0.18%、p≤0.020%、s≤0.020%、n 0.0110～0.0180%，余量为fe和不可避免的杂质。
6.各化学成分的作用机理如下所述：c：提高钢材硬度和强度的主要元素；c含量过低，材料在热处理后强度过低，无法满足齿轮用钢所需强度要求；c含量过高容易降低材料塑、韧性。随着奥氏体中c的质量分数增加，奥氏体晶粒的长大倾向也增加，但当有残余渗碳体存在时，有阻止奥氏体长大的作用。因此c含量控制在0.17-0.25%。
7.si：显著强化铁素体，是保证强度的必须元素；过低强度不够；过高引起铁素体基体变脆，韧性下降。si有微弱的抑制晶粒长大的作用。因此si含量控制在0.17-0.37%。
8.mn：为珠光体形成元素，可降低相变温度，对强度和韧性均有良好作用；但mn含量过高则容易生成贝氏体，降低材料组织及硬度均匀性。同时mn含量较高时，有较明显的回火脆性现象，有促进晶粒长大作用。因此mn含量控制在0.70-1.10%。
9.cr：降低珠光体转变温度的合金元素；本发明中cr、mn同时加入，可有效降低珠光体片层间距，提高钢材强度和韧性；但cr含量过高则容易生成贝氏体，降低钢材组织及硬度均匀性。因此cr含量控制在0.90-1.40%。
10.al：al可与钢中n结合形成细小弥散的aln，钉扎晶界，细化晶粒。因此al含量控制在0.30-0.60%。
11.s：元素控制过高会降低钢的洁净度，恶化钢的性能。因此s含量控制≤0.020%。
12.p：增加钢的脆性，降低冲击性能；将p元素含量控制在不超过0.020%，可以防止降
低钢的综合性能。
13.nb：与钢中的c、n、s结合，改变钢的显微结构。nb对钢的强化作用主要是的是细晶强化和弥散强化，nb能和钢中的碳氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。因此nb含量控制0.10-0.18%。
14.mo：能控制可淬性，降低钢对回火脆性的敏感性，防止钢在高温回火后出现 回火脆性。mo是强碳化物形成元素与碳的亲合力大, 形成难溶于奥氏体的合金碳化物, 显著减慢奥氏体形成速度。因此mo含量控制0.20-0.30%。
15.n：最经济有效的合金化元素，可以通过与al结合形成aln加强沉淀强化及细化晶粒效果；但是n含量过高容易生成较多的aln增大连铸坯裂纹敏感性，同时增加钢中tin夹杂的含量及尺寸，损害钢材韧性。因此n含量控制在0.0110-0.0180%。
16.本发明提供的细晶粒齿轮用钢的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序。
17.本发明方法所述连铸工序，铸坯电搅220/2.2～260/2.2a/hz，末搅150/8～180/8a/hz，中包过热度15～25℃，比水量0.20～0.25l/kg，拉速0.55～0.65m/s。
18.本发明方法所述加热工序，铸坯加热段温度1180～1220℃，保温2.5～3.5h。
19.本发明方法所述轧制工序，开轧温度1150～1200℃，终轧温度950～1050℃；收集温度650～750℃，钢材缓冷36～48小时。
20.本发明方法所述热处理工艺，采用淬火工艺：淬火温度为980℃～1050℃，保温时间为6-10h，淬火介质为淬火油。
21.本发明的发明原理及有益效果在于：本发明提供的齿轮用钢在冶炼时添加适量的al、n、nb，al可与钢中n结合形成细小弥散的aln，钉扎晶界，细化晶粒，nb与钢中的c、n结合，改变钢的显微结构，然后通过氮微合金化保证齿轮渗碳处理后晶粒达8～10级，并且在高温渗碳后变大缓慢，而细小均匀的奥氏体晶粒对减少齿轮热处理后的变形、提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.实施例1-8：本发明提供的细晶粒齿轮用钢的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；各工序工艺如下所述。
24.（1）冶炼工序：连铸中铸坯的化学成分组成及质量百分含量见表1。
25.表1 实施例1-8齿轮用钢的化学成分组成及质量百分含量（%）
（2）述连铸工序：铸坯电搅220/2.2～260/2.2a/hz，末搅150/8～180/8a/hz，中包过热度15～25℃，比水量0.20～0.25l/kg，拉速0.55～0.65m/s。各实施例所述加热工序的工艺参数见表2。
26.表2 连铸工序的工艺参数（3）加热工序：铸坯的加热段温度1180～1220℃，保温2.5～3.5h。各实施例所述加热工序的工艺参数见表3。
27.表3 加热工序的工艺参数（4）轧制工序：开轧温度1150～1200℃，终轧温度950～1050℃；收集温度650～750℃，钢材缓冷36～48小时。各实施例所述轧制工序的工艺参数见表4。
28.表4 轧制工序的工艺参数（4）热处理工序，采用淬火工艺：淬火温度为980℃～1050℃，淬火介质为淬火油；热处理后即可得到所述的齿轮用钢。各实施例所述热处理工序的工艺参数见表5。
29.表5 所得齿轮用钢产品的热处理工艺（6）本齿轮用钢产品标准参考astm e112进行晶粒度检测。各实施例所得齿轮用钢的晶粒度见表6。
30.表6 所得齿轮用钢产品的晶粒度从表6可知，本发明方法显著保证了齿轮用钢产品的晶粒度达8～10级。


技术特征：
1. 一种细晶粒齿轮用钢，其特征在于，所述齿轮用钢的化学成分组成及其质量百分含量为：c 0.17～0.25%、si 0.17～0.37%、mn 0.70～1.10%、cr 0.9～1.40%、mo 0.20～0.30%、、al 0.030～0.060%、nb 0.10～0.18%、p≤0.020%、s≤0.020%、n 0.0110～0.0180%，余量为fe和不可避免的杂质。2.一种如权利要求1所述细晶粒齿轮用钢的生产方法，其特征在于：所述生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序。3.根据权利要求2所述的细晶粒齿轮用钢的生产方法，其特征在于：所述连铸工序，铸坯电搅220/2.2～260/2.2a/hz，末搅150/8～180/8a/hz，中包过热度15～25℃，比水量0.20～0.25l/kg，拉速0.55～0.65m/s。4.根据权利要求2所述的细晶粒齿轮用钢的生产方法，其特征在于：所述加热工序，铸坯加热温度1180～1220℃，保温2.5～3.5h。5.根据权利要求2所述的细晶粒齿轮用钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工序，开轧温度1150～1200℃，终轧温度950～1050℃；收集温度650～750℃，钢材缓冷36～48小时。6.根据权利要求2、3或4所述的细晶粒齿轮用钢的生产方法，其特征在于：所述热处理工序，采用淬火工艺：淬火温度为980℃～1050℃，保温时间为6-10h，淬火介质为淬火油。

技术总结
本发明公开了一种细晶粒齿轮用钢及其生产方法，钢板的化学成分组成及其质量百分含量为：C 0.17～0.25%、Si 0.17～0.37%、Mn 0.70～1.10%、Cr 0.9～1.40%、Mo 0.20～0.30%、Al 0.030～0.060%、Nb 0.10～0.18%、P≤0.020%、S≤0.020%、N 0.0110～0.0180%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过控制Al和N的含量，形成细小弥散的AlN，钉扎晶界，细化晶粒；Nb与C、N结合，改变钢的显微结构，然后通过氮微合金化可保证齿轮渗碳处理后晶粒达8～10级，并且在高温渗碳后变大缓慢。温渗碳后变大缓慢。


技术研发人员：黄永建 孙晓明 戴观文 王翠亮 李福勇 李冠军 武森 王信康
受保护的技术使用者：石家庄钢铁有限责任公司
技术研发日：2022.05.17
技术公布日：2022/8/30