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一种免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法
申请号	CN202210495539.3	申请日	2022-05-08	公开(公告)号	CN114990430B	公开(公告)日	2023-06-06
申请人	江阴兴澄特种钢铁有限公司;			发明人	张学诚; 白云; 纪玉忠; 陈玉辉; 吴小林; 卢明霞; 夏冬冬; 陈斌; 曹红福;
摘要	本发明涉及一种免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法，钢材的表面脱碳层深度≤0.15mm；硬度≤150HBW，组织为均匀分布的铁素体与珠光体，其中铁素体占比≥75％，钢材奥氏体晶粒度≥6.0级。钢材的中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，中心偏析≤0.5级。化学成分按重量百分比为C:0.17～0.25％，Si:≤0.07％，Mn:0.55～0.95％，Cr:1.10～1.45％，S:≤0.020％,P:≤0.010％,Al:0.015～0.055％，Nb:0.015～0.050％，Ti≤0.005％，N:0.011～0.027％,(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过控制钢材轧后冷却过程降低了钢材的硬度，达到了与钢材退火同样的目的，同时避免了钢材退火后表面脱碳层的加深，钢材不再需要表面车皮或扒皮处理。
权利要求	1.一种免退火冷镦齿轮用钢，其特征在于：钢材的表面脱碳层深度≤0.15mm；硬度≤ 150HBW，组织为均匀分布的铁素体与珠光体，其中铁素体占比≥75%，钢材奥氏体晶粒度≥ 6.0级；所述钢材的化学成分按重量百分比为C:0.17～0.25%，Si:≤0.07%，Mn:0.55～ 0.95%，Cr:1.10～1.45%，S:≤0.020%,P:≤0.010%,Al:0.015～0.055%，Nb:0.015～0.050%，Ti≤0.005%，N:0.011～0.027%,（Al/27+Nb/93‑Ti/48）≥N/14，余量为Fe及不可避免的杂质。 2.根据权利要求1所述的钢，其特征在于：所述奥氏体晶粒度是指钢材在950℃保温4小时情况下的组织晶粒度。 3. 根据权利要求1所述的钢，其特征在于：所述钢材的中心疏松≤1.0级，一般疏松≤ 1.0级，中心偏析≤0.5级。 4.一种制造权利要求1所述钢的方法，其特征在于：包括步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼和真空脱漆，初炼过程进行脱磷和脱Ti；步骤二、连铸：过程采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌工艺，浇铸出厚度300‑390mm的正方形铸坯；步骤三、连铸坯加热之前表面先涂上涂层防止表面氧化,然后采用高炉煤气加热，采用较低的加热温度对连铸坯进行加热，加热温度为1050‑1100℃；加热后的钢材经粗轧、中轧、精轧轧制，粗轧温度区间为1010‑1060℃，中轧温度区间为990‑1040℃，精轧温度区间为 960‑1010℃；粗轧过程压缩比≥4.2，中轧过程压缩比≥2.3，精轧过程压缩比≥2.1，钢材精轧结束出减定径机的温度控制在930℃‑980℃，钢材出减定径机后使用水箱穿水冷却至 810‑830℃以降低脱碳层，穿水结束后钢材仍处于奥氏体状态，未发生相变；步骤四、穿水后的钢材使用全密封的缓冷罩缓冷，钢材缓冷过程需密排以保证钢材缓冷过程温降≤9℃/min，钢材缓冷至500℃以下后出保温罩空冷。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一、初炼过程中向钢水加石灰脱磷，同时钢水底部吹氮促进钢水与石灰充分反应，将钢中的磷含量降低至≤0.010%，脱磷的同时让钢中的大部分残余Ti元素与N元素相结合，形成的非金属夹杂物氮化钛上浮至钢渣中。 6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一、精炼过程加入铝块沉淀脱氧，钢包采用多气孔底部弥散吹氩，精炼后期在钢水中加入锰铁、铬铁、铌铁合金，调整钢液的化学成分。 7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一、经过精炼调整成分的钢液在60‑ 100Pa的较低真空度下保持15分钟以上，真空脱气后的钢液采用底吹氮的方式，依据钢液的铝、铌、钛含量调整钢液的氮含量，使钢液的氮含量满足关系式（Al/27+Nb/93‑Ti/48）≥N/ 14，式中元素符号代表它们在钢水中的质量百分含量。 8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四，采用两支钢材的间距≤3厘米的密排方式缓冷。
说明书全文	一种免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法技术领域 [0001] 本发明涉及齿轮钢的制造方法，尤其涉及一种冷镦齿轮钢及其制造方法。背景技术 [0002] 齿轮是指轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件。目前国内的齿轮主要采用热锻成型，采用热锻工艺不仅钢材加热过程能耗高，热锻完成后，齿轮在降温过程中有冷缩现象，影响齿轮的尺寸精度，并且钢材机加工过程中金属的损耗与刀具的损耗均非常大，而冷镦工艺则没有以上热锻工艺的缺陷。因此，热锻工艺制造齿轮的成本明显高于冷镦工艺制造的齿轮。为了达到优异的冷镦用钢使用效果，并且能够省略钢材冷镦前的退火工序，本申请意在开发一种免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法。 [0003] 专利公开号CN104759469A的文献公开了一种免退火中碳冷镦钢热轧线材的生产方法，其方法步骤为：(1)冶炼钢水然后连铸成钢坯；(2)所述钢坯经缓冷释放应力；(3)将缓冷后的热轧坯加热至1150～1190℃，保温时间110～140min；然后高压水除磷；(4)将除磷后的热轧坯进行粗中轧、预精轧和精轧，其中进精轧温度965～995℃，精轧结束后，卷取温度控制在960～980℃；尺寸精度执行负公差；(5)热轧后的盘条进入冷却线，风机和保温罩均关闭，确保盘条在保温罩内的停留时间不小于40分钟；即可得到所述的热轧线材。该工艺减少了拉拔量，防止因拉拔量大造成的硬度上升；既满足了下游用户免退火生产，减低成本的诉求，又避免了退火对环境的污染，具有节能环保、低成本的特点。发明内容 [0004] 本发明的目的是提供一种免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法。 [0005] 本发明所采用的技术方案为：一种免退火冷镦齿轮用钢，钢材的表面脱碳层深度≤0.15mm；硬度≤150HBW，组织为均匀分布的铁素体与珠光体，其中铁素体占比≥75％。钢材奥氏体晶粒度≥6.0级，奥氏体晶粒度是指钢材在950℃保温4小时情况下的组织晶粒度。钢材的中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，中心偏析≤0.5级，本发明钢种低倍组织优异，钢材的各向异性的差异较小，冷镦过程中金属纤维流向均匀，冷镦后金属内部应力分布均匀并且不易产生微裂纹；钢材拥有稳定的高温晶粒度，可确保钢材冷镦后采用高温渗碳(950℃保温4小时)工艺晶粒任然细小均匀；钢材的表面脱碳层深度较浅，可以确保钢材冷镦后半成品零件的表层脱碳层，其高温渗碳的过程碳含量以较快的速度达到1％；钢材硬度越低，铁素体含量越高，钢材冷镦过程中可以承受更大的锻压比，有利于不同型号零件的冷加工 [0006] 本申请钢材的化学成分按重量百分比为C:0.17～0.25％，Si:≤0.07％，Mn:0.55～0.95％，Cr:1.10～1.45％，S:≤0.020％,P:≤0.010％,Al:0.015～0.055％，Nb:0.015～0.050％，Ti≤0.005％，N:0.011～0.027％,(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0007] 本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是： [0008] C:碳是对钢的强度贡献最大的元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，但是碳含量的增加会使钢的塑性、韧性明显变差，同时增加钢的脱碳倾向，因此冷镦用钢的碳含量不宜太高。本发明中的钢材C含量选择范围为0.17～0.25％。 [0009] Si:硅元素会导致钢材在加热过程中增加钢的脱碳现象，钢材冷锻过程出现明显的冷作硬化现象，齿轮渗碳过程中出现晶间氧化现象。因此，应严格控制Si的含量，本发明Si含量的选择范围为Si≤0.07％。 [0010] Mn:锰是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入铁素体中有固溶强化作用，同时能够改善钢的热处理性能，细化珠光体晶粒，提高钢的强度和硬度。对齿轮钢而言，锰含量只有大于0.55％时，才有可能使淬火时齿轮芯部完全转变为半马氏体，但当锰含量超过0.95％时，韧性与塑性会明显下降，因此Mn在冷锻齿轮钢中不宜太高。本发明中的Mn含量选择范围为0.55～0.95％。 [0011] Cr:铬是强碳化物形成元素，Cr作为合金元素加入，可降低钢中碳的活度，改善钢的抗氧化作用，增加钢的强度，显著提高钢的淬透性。Cr与C有较强的亲和力，当含Cr达到1.10％～1.45％时，Cr元素最突出的优点是能够提高钢中碳扩散的激活能，减少钢的脱碳倾向和晶粒粗化倾向。因此，本发明中的Cr含量选择范围为1.10～1.45％。 [0012] ]S:冷镦用齿轮钢对钢材的切削性能要求较低。因此，本发明S含量的选择范围为S≤0.020％。 [0013] P:磷在冷镦齿轮用钢中属于有害元素，增加了钢的冷脆性，降低钢材的塑性，使冷镦性能变坏。因此，本发明P含量的选择范围为≤0.010％。 [0014] Al:铝在钢中用作炼钢脱氧元素与细化晶粒的元素。本发明的Al含量选择范围为0.015～0.055％。 [0015] Nb:铌在钢中的作用为细化钢材的奥氏体晶粒，但是铌属于贵金属元素，因此本发明的Nb含量选择范围为0.015～0.050％。 [0016] N:作为固钛元素与细化奥氏体晶粒的元素加入钢中，在炼钢前期加入氮，促使大部分残余Ti元素与N元素相结合，形成非金属夹杂物氮化钛会上浮至钢渣中被去除。炼钢中后期加入的氮元素先后会与铝元素以及铌元素结合，形成可细化奥氏体晶粒的质点AlN与NbN。因此，钢中的N含量选择范围为N:0.011～0.027％,并且需要满足(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14。 [0017] Ti:属于本发明钢种的有害元素，降低钢中有害元素Ti含量有利于提升冷镦齿轮的疲劳寿命。因此，本发明Ti含量的选择范围为Ti≤0.005％。 [0018] 本申请的另一目的是提供上述免退火冷镦齿轮用钢的制造方法，包括[0019] 步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼和真空脱漆，初炼过程进行脱磷和脱Ti； [0020] 步骤二、连铸：过程采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌工艺，浇铸出厚度300‑390mm的正方形铸坯； [0021] 步骤三、连铸坯加热之前表面先涂上涂层防止表面氧化,然后采用高炉煤气加热，采用较低的加热温度对连铸坯进行加热，加热温度为1050‑1100℃；加热后的钢材经粗轧、中轧、精轧轧制，粗轧温度区间为1010‑1060℃，中轧温度区间为990‑1040℃，精轧温度区间为960‑1010℃；粗轧过程压缩比≥4.2，中轧过程压缩比≥2.3，精轧过程压缩比≥2.1，钢材精轧结束出减定径机的温度控制在930℃‑980℃，钢材出减定径机后使用水箱穿水冷却至810‑830℃以降低脱碳层，穿水结束后钢材仍处于奥氏体状态，未发生相变； [0022] 步骤四、穿水后的钢材使用全密封的缓冷罩缓冷，钢材缓冷过程需密排以保证钢材缓冷过程温降≤9℃/min，钢材缓冷至500℃以下后出保温罩空冷。 [0023] 作为本申请的实施方式之一，步骤一、初炼过程中向钢水加石灰脱磷，同时钢水底部吹氮促进钢水与石灰充分反应，将钢中的磷含量降低至≤0.010％，脱磷的同时让钢中的大部分残余Ti元素与N元素相结合，形成的非金属夹杂物氮化钛上浮至钢渣中。 [0024] 作为本申请的实施方式之一，步骤一、精炼过程加入铝块沉淀脱氧，钢包采用多气孔底部弥散吹氩，精炼后期在钢水中加入锰铁、铬铁、铌铁合金，调整钢液的化学成分。 [0025] 作为本申请的实施方式之一，步骤一、经过精炼调整成分的钢液在60‑100Pa的较低真空度下保持15分钟以上，真空脱气后的钢液采用底吹氮的方式，依据钢液的铝、铌、钛含量调整钢液的氮含量，使钢液的氮含量满足关系式(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，式中元素符号代表它们在钢水中的质量百分含量。 [0026] 作为本申请的实施方式之一，步骤四，采用两支钢材的间距≤3厘米的密排方式缓冷。 [0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于： [0028] (1)本发明针对免退火冷镦齿轮用钢，成分上采用低碳、低硅、低磷设计，转炉过程采用底吹氮的方式去除钢中的钛元素，并且在钢中添加适量的铝、铌以及氮元素，它们的含量关系满足(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，以保证钢材高温奥氏体晶粒细小均匀。 [0029] 因钢中的Nb元素与Al元素均会与N元素结合形成NbN质点与AlN质点，这两种质点均可以有效的钉扎晶界，细化钢材的奥氏体晶粒度。但钢中的Ti元素与N元素的结合力远超Al元素与N元素的结合力，本发明钢中一部分N元素不可避免的会与钢中的Ti元素相结合有棱有角的非金属夹杂物TiN，这种非金属夹杂物无法细化钢材的奥氏体晶粒度。为确保钢中有足够的NbN与AlN质点细化晶粒度，钢中必须添加足量的Nb元素与Al元素，因此(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14。若(Al/27+Nb/93‑Ti/48)＜N/14，钢中没能形成足量的NbN与AlN质点细化晶粒，钢材高温(950℃保温4小时)奥氏体晶粒度达不到6.0级。 [0030] 通过限定钢中Al、Nb、N、Ti的含量，并且本发明钢中这四种元素的含量满足关系式(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，最终本发明钢材高温(950℃保温4小时)奥氏体晶粒度达≥6.0级，从而保证钢材在高温渗碳过程中晶粒被大量的NbN与AlN质点牢牢的钉扎，晶粒不再长大，高温渗碳结束后钢材的晶粒细小均匀。 [0031] (2)在制造方法上，采用转炉初炼、精炼炉精炼、真空炉脱气，真空脱气后的钢液依据钢水的铌、铝、氮、钛含量，采用底吹氮的方式调整钢液的氮含量，以保证(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14。连铸过程采用结晶器电磁搅拌工艺与末端电磁搅拌工艺，浇铸出厚度300‑390mm的正方形铸坯，采用大型连铸方坯作为初轧坯，轧钢过程控制轧制压缩比，使热轧材拥有均匀致密的低倍组织；连铸坯加热之前表面先涂上一层防氧化涂层,采用低温加热轧制与轧后穿水的方式，降低钢材表面的脱碳层深度；轧后穿水的钢材采用全密封保温罩缓冷的方式降低钢材温降速度，以确保钢材拥有较低的硬度与较高的铁素体含量。 [0032] (3)按照本发明方法生产的热轧钢材，产品具备优异的低倍组织，钢材的中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级；中心偏析≤0.5级；钢材高温奥氏体晶粒细小，950℃保温4小时后奥氏体晶粒度≥6.0级；钢材表面的脱碳层深度浅，脱碳层深度≤0.15mm；钢材的硬度较低，其硬度≤150HBW，并且组织为均匀分布的铁素体与珠光体，其中铁素体占比≥75％。可用于免退火冷镦制造齿轮。具体实施方式 [0033] 以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 [0034] 实施例1与实施例2： [0035] 两实施例所涉及的免退火冷镦齿轮用钢及其制造方法：转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸方坯(320mm*320mm)浇铸→加热炉加热→粗轧→中轧→精轧→入保温罩缓冷→空冷。分别制造两个批次直径φ34mm、φ31mm的免退火冷镦齿轮用钢。 [0036] 上述实施例1的加热炉加热、粗轧、中轧、精轧、热轧材缓冷的具体工艺为：连铸坯加热之前表面先涂上一层防氧化涂层,然后采用高炉煤气加热，加热温度为1089℃；粗轧过程压缩比为4.7，中轧过程压缩比为2.6，精轧过程压缩比为2.3，钢材出减定径机的温度控制为945℃，钢材出减定径机后使用水箱穿水至819℃，穿水后的钢材使用全密封的缓冷罩缓冷，每支钢材的间距均≤2.5厘米，钢材缓冷过程温降速度为7℃/min，钢材缓冷至479℃后出保温罩空冷。 [0037] 上述实施例2的加热炉加热、粗轧、中轧、精轧、热轧材缓冷的具体工艺为：连铸坯加热之前表面先涂上一层防氧化涂层,然后采用高炉煤气加热，加热温度为1082℃；粗轧过程压缩比为4.5，中轧过程压缩比为2.8，精轧过程压缩比为2.7，钢材出减定径机的温度控制为939℃，钢材出减定径机后使用水箱穿水至815℃，穿水后的钢材使用全密封的缓冷罩缓冷，每支钢材的间距均≤3厘米，钢材缓冷过程温降速度为8℃/min，钢材缓冷至493℃后出保温罩空冷。 [0038] 实施例1和2制得的热轧圆钢化学成分见表1与表2。 [0039] 表1(wt％) [0040] [0041] [0042] 表2 [0043] (Al/27+Nb/93‑Ti/48) N/14 实施例1 0.00108 0.00098 实施例2 0.00121 0.00109 [0044] 实施例1和2制得的热轧圆钢低倍组织评级见表3。 [0045] 表3 [0046] 钢材直径一般疏松中心疏松中心偏析实施例1 φ34mm 0.5级 0.5级 0级实施例2 φ31mm 0.5级 0.5级 0级 [0047] 实施例1和2制得的热轧圆钢表面脱碳层深度与高温奥氏体晶粒(钢材加热至950℃保温4小时后水淬)等级见表4。 [0048] 表4 [0049] 钢材直径圆钢表面脱碳层深度高温奥氏体晶粒度实施例1 φ34mm 0.12mm 7.5级实施例2 φ31mm 0.10mm 8.0级 [0050] 实施例1和2制得的热轧圆钢硬度与显微组织含量见表5。 [0051] 表5 [0052] 钢材直径布氏硬度组织含量实施例1 φ34mm 143HBW 铁素体85％+珠光体15％实施例2 φ31mm 145HBW 铁素体80％+珠光体20％ [0053] 本发明成分上采用低碳、低硅、低磷设计，转炉过程采用底吹氮的方式去除钢中的钛元素，并且在钢中添加适量的铝、铌以及氮元素，它们的含量关系满足(Al/27+Nb/93‑Ti/48)≥N/14，以保证钢材经高温加热后仍然具有细小的奥氏体晶粒(7级以上)；连铸过程浇铸出大型连铸方坯，轧钢过程控制轧制压缩比，使热轧材拥有均匀致密的低倍组织；连铸坯加热之前表面先涂上一层防氧化涂层,采用低温加热轧制与轧后穿水的方式，降低钢材表面的脱碳层深度；轧后穿水的钢材采用全密封保温罩缓冷的方式降低钢材温降速度，以确保钢材拥有较低的硬度与较高的铁素体含量。通过合理的炼钢与轧钢工艺制造了一种免退火冷镦齿轮用钢，填补了国内的空白。 [0054] 结合两个实施例的检测性能，一般冷镦钢材要求退火后钢材的硬度≤150HBW，退火后的钢材经表面车皮或扒皮后脱碳层较浅。本发明通过控制钢材轧后冷却过程降低了钢材的硬度，达到了与钢材退火同样的目的，同时避免了钢材退火后表面脱碳层的加深，钢材不再需要表面车皮或扒皮处理。 [0055] 尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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