一种渗氮齿轮用钢及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202410027560.X | 申请日 | 2024-01-09 | 公开(公告)号 | CN118007020A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 江阴兴澄特种钢铁有限公司; | 发明人 | 张学诚; 白云; 吴小林; 顾铁; 张永启; 夏冬冬; 卢长卫; 孙伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种渗氮 齿轮 用 钢 及其制造方法，属于齿轮领域。钢的化学成分重量百分比为C:0.20～0.25％，Si:0.15～0.35％，Mn:1.25～1.55％，Cr:1.05～1.35％，P:≤0.015％，S:≤0.005％，Ti:0.015～0.035％，N:≤0.0020％，Al:0.005～0.015％余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法涉及 铁 水 脱硫 、转炉 冶炼 、精炼、 真空 脱气、 连铸 、多道次 轧制 、火焰清理、 油槽 淬火、低温回火，最终钢材组织中TiN夹杂物的尺寸≤5um，Al2O3夹杂物的尺寸≤50um；钢材表面至距钢材表面15mm区域内的硬度为33～36HRC,该区域内的组织按金 相图 中的面积占比为铁素体：35‑40％、 马 氏体：50‑55％、 贝氏体 ：5‑15％；组织的实际晶粒度≥6级。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种渗氮齿轮用钢，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C:0.20～0.25％，Si: |
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| 说明书全文 | 一种渗氮齿轮用钢及其制造方法技术领域背景技术[0002] 齿轮使用渗氮工艺相比齿轮使用渗碳淬火工艺拥有更高的硬度、耐磨性以及抗咬合性能；由于渗氮温度低(一般为480‑580℃)，齿轮热处理渗氮后不再进行淬火，故渗氮后的齿轮不存在淬火变形的问题，而且齿轮渗氮后的渗氮层具有非常高的硬度。因此，渗氮齿轮钢可以用于制造耐磨性高、疲劳强度好和热处理变形小的精密齿轮。 发明内容[0003] 本发明为满足渗氮齿轮用钢的要求，开发了一种渗氮齿轮用钢及其制造方法，钢材表面无裂纹与氧化层缺陷；钢材表面至距钢材表面15mm区域内的硬度为33‑36HRC,该区域内的组织(SEM图片中各组织的面积占比)为铁素体(35‑40％)+马氏体(50‑55％)+贝氏体(5‑15％)；钢材的实际晶粒度≥6级。 [0004] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种渗氮齿轮钢，元素成分为重量百分比为C:0.20～0.25％，Si:0.15～0.35％，Mn:1.25～1.55％，Cr:1.05～1.35％，P:≤0.015％，S:≤0.005％，Ti:0.015～0.035％，N:≤0.0020％，Al:0.005～0.015％余量为Fe及不可避免的杂质。 [0005] 本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是： [0006] C:碳是影响钢材淬火过程组织转变的重要元素，本发明钢降温至铁素体临界转变温度Ar3(760℃)以下10℃后再进行油淬，较低的碳含量有利于钢材表面至距钢材表面15mm区域内在降温过程中产生一定含量的铁素体组织。因此，碳含量选择范围为0.20～0.25％。 [0008] Mn:在钢中加入锰元素，对钢具有较大的强化作用，可以提高其硬度，强度和耐磨性。但是过高的锰含量不利于油淬后钢材产生一定含量的铁素体组织。因此，锰含量选择范围为1.25～1.55％。 [0009] Cr:在本发明钢中加入铬可以有效降低钢的临界冷却速度，提升油淬后钢材表面至距钢材表面15mm区域内的硬度。因此，铬含量选择范围为1.05～1.35％。 [0010] P:磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，降低塑性。本发明P:≤0.015％。 [0011] S:硫在钢中以非金属夹杂物的形式存在，会显著降低钢材的疲劳寿命。本发明S:≤0.005％。 [0012] Ti、N:精炼炉前期加入钛铁线，前期加入钛铁线可以促进钛元素与钢中的氮元素结合形成大颗粒夹杂物TiN，精炼过程与真空脱气过程大颗粒的TiN夹杂物有足够的时间上浮，被钢渣所吸附，该过程可以有效降低钢水中的N含量，去除了大尺寸的TiN夹杂物。虽然连铸凝固过程固相奥氏体中的TiN会在1481℃时开始缓慢析出，但是此时钢中的N元素含量低于0.0020％，并且析出速率较慢，所以析出的TiN质点数量少，并且形貌细小、弥散分布，少量的、细小弥散分布的TiN质点不会影响钢材的疲劳强度。经过轧制与冷却后钢材中Ti主要以原子态存在于钢中，在齿轮渗氮热处理过程中钢材表面渗入的氮原子将与钛原子结合成大量高弥散度分子态的TiN，从而提高钢材表面渗氮层的硬度与强度。因此，本发明钛含量选择范围为0.015‑0.035％，氮的选择范围为N:≤0.0020％。 [0013] Al:作为脱氧剂加入钢中，因本发明钢中喂入铝线进行沉淀脱氧的同时飘入硅铁粉进行扩散脱氧，因此只需要喂入少量的铝线就可以充分脱氧，过高的铝含量会导致后续生产过程中铝被空气中的氧气氧化，继而在钢中形成三氧化二铝非金属夹杂物。因此，本发明铝含量的选择范围为Al:0.005‑0.015％。 [0014] 上述渗氮齿轮用钢及其制造方法包含如下工艺步骤： [0015] (1)钢水冶炼和铸坯浇铸：采用铁水脱硫、转炉冶炼、精炼炉前期加锰合金、铬合金以及钛铁线合金化处理，精炼过程钢水表面飘入硅铁粉进行扩散脱氧同时喂入铝线进行沉淀脱氧。精炼后钢水真空脱气过程采用惰性气体氩气作为提升气以防止钢液中氮含量与氧含量增加，真空脱气后的钢水底吹氩20min以上，促进大颗粒的非金属夹杂物TiN进一步上浮至钢渣层。连铸过程采用结晶器浇铸出连铸坯，并优选控制连铸大包余钢量为6吨，钢包中的钢水有6吨余量的时候，钢包自动退出浇铸过程，保证钢包中的钢渣不进入中间包与结晶器内，避免了钢渣中的磷元素、氮元素、铝元素以及非金属夹杂物氮化钛与三氧化二铝等进入铸坯中，影响钢坯的化学成分与纯净度。 [0016] (2)连铸坯高温下线，设计获得1050‑1100℃高温状态的连铸坯，这样连铸坯不需要经过轧钢加热炉加热，取消轧钢加热炉加热工序可以大幅度降低轧钢成本，高温铸坯使用高压水除鳞完全去除其表面的氧化层。 [0017] 去除氧化层的铸坯进行数道次的轧制，前面道次采用大压缩比，诱发动态再结晶的发生，细化钢材表面及内部的实际晶粒度，中间数道次采用中轧压缩比，最后数道次采用精轧压缩比，中轧与精轧轧制压缩比均较小，可起到细化钢材表面实际晶粒的作用。钢材粗轧结束至中轧开始、中轧结束至精轧开始的过程时间≤2秒，有效地控制该轧制过程时间可以防止轧件内的奥氏体晶粒在高温状态下(＞900℃)由于发生亚动态结晶与静态再结晶而不断长大，减少轧制过程时间有利于轧后钢材形成细小的实际晶粒。终轧温度控制为850‑900℃，较低的终轧温度可以防止钢材实际晶粒在高温环境下快速地长大，钢材的实际晶粒度稳定控制≥6级。 [0018] (3)终轧后的钢材立即使用火焰清理去除钢材表面的缺陷，去除表面缺陷后的钢材空冷至相变点Ar3以下10℃然后入油槽进行淬火，本案中冷却时铁素体转变的开始温度为760℃，钢材从760℃空冷至750℃的冷却过程，钢材拥有较为缓慢的冷却速度与较小的过冷度，碳原子可以充分扩散，过冷奥氏体可以转变为铁素体组织；空冷至750℃后钢材立即入油槽淬火，在较快的冷却速度与较大的过冷度下，一小部分碳原子扩散不充分，过冷奥氏体转变为贝氏体组织，大部分碳原子因冷却速度太快来不及扩散，过冷奥氏体转变为马氏体组织。油淬后钢材表面至距钢材表面15mm区域内的硬度为33‑36HRC,该区域的组织为铁素体(35‑40％)+马氏体(50‑55％)+贝氏体(5‑15％)。 [0019] (4)油淬后的钢材立即加热进行低温回火(回火温度为200℃)，以消除钢材内部的应力，淬火后的钢材存在很大的应力，如果没有及时回火会将产生应力变形甚至表面应力开裂；同时低温回火过程也可以促使油淬后钢材表面油液的挥发，钢材表面残油量控制在2 1.5‑1.8g/mm ，钢材表面少量的残油量可以有效的防止钢材表面生产锈蚀，但是过高的表面含油量会导致后续齿轮加工过程污染齿轮加工场所的环境。 [0020] 优选地，步骤(2)中，去除氧化层的铸坯进行9道次的轧制，前三道次的轧制压缩比固定为40％、30％、20％，粗轧较大的轧制压缩比有利于钢材产生较大的塑性变形，诱发动态再结晶的发生，细化了钢材表面及内部的实际晶粒度，中间三道次的中轧压缩比固定为10％、8％、7％，最后三道次精轧压缩比(6‑10％)、(5‑10％)、(4‑10％)。 [0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本申请的渗氮齿轮钢，成分上采用低碳、低硫、低钛、低铝以及低氮设计。再通过采用合理的冶炼与连铸工艺，降低了钢中大颗粒夹杂物氮化钛与三氧化二铝的尺寸，并且稳定了钢材的化学成分；轧钢过程取消了加热炉加热工艺，降低了轧钢生产成本，通过控制轧钢过程各道次轧制压缩比，最终细化了钢材的实际晶粒度；轧后采用火焰清理工艺，去除了钢材表面的缺陷；火焰清理后的钢材空冷至Ar3以下10℃度后入油槽进行油淬，油淬后钢材表面至距钢材表面15mm区域内拥有稳定的硬度与组织。油淬后的钢材立即加热至200℃进行低温回火，以消除钢材的淬火应力，同时促使钢材表面油液挥发，减少钢材表面的残油量，低温回火的保温时间按最终表面残油量为1.5‑2 1.8g/mm来设计。 [0022] 最终生产出的一种渗氮齿轮用钢，其特征在于：钢材TiN夹杂物的尺寸≤5um,Al2O3夹杂物的尺寸≤50um；钢材表面无裂纹与氧化层缺陷；钢材表面至距钢材表面15mm区域内的硬度为33‑36HRC,该区域内的组织为铁素体(35‑40％)+马氏体(50‑55％)+贝氏体(5‑2 15％)；钢材的实际晶粒度≥6级。钢材表面残油量为1.5‑1.8g/mm 。该渗氮齿轮用钢填补了国内空白。 附图说明 [0024] 图2为本发明实施例2钢材表面至距钢材表面15mm区域内的组织金相图(×500倍)。 具体实施方式[0025] 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。 [0026] 实施例1与实施例2： [0027] 两实施例所涉及的一种渗氮齿轮用钢的制造方法：KR脱硫→100t转炉→100t精炼→RH真空脱气处理→连铸方坯(300mm*340mm)→高温状态的连铸坯高压水除磷→9道次轧制→火焰清理→入油槽淬火→低温回火。制造的两个批次的渗氮齿轮用钢。 [0028] 炼钢过程采用铁水脱硫、转炉冶炼、精炼炉前期加锰合金、铬合金以及钛铁线合金化处理，钢水表面飘入硅铁粉进行扩散脱氧同时喂入铝线进行沉淀脱氧。钢水RH真空脱气过程采用惰性气体氩气作为提升气，真空脱气后的钢水底吹氩20min。连铸过程采用结晶器浇铸出连铸坯,连铸大包余钢量控制为6吨。连铸下线后高温状态的连铸坯1055℃(实施例1)、1098℃(实施例2)，使用高压水除磷去除高温铸坯表面氧化层，然后进行9道次轧制。前三道次的粗轧压缩比固定为40％、30％、20％，中间三道次的中轧压缩比固定为10％、8％、 7％，最后三道次精轧压缩比6％、5％、4％(实施例1)，10％、10％、10％(实施例2)，钢材粗轧结束至中轧开始、中轧结束至精轧开始的过程时间分别控制为0.9s、0.8s(实施例1)，1.9s、 1.7s(实施例2)。终轧温度控制为859℃(实施例1)、887℃(实施例2)。终轧后的钢材立即使用火焰清理去除钢材表面的缺陷，钢材空冷降温至750℃，该发明钢种的Ar3温度为760℃，然后立即入油槽淬火。油淬后的钢材立即加热至200℃进行低温回火，以消除钢材的淬火应 2 2 力，同时促使钢材表面油液挥发，钢材表面残油量为1.55g/mm (实施例1)、1.78g/mm (实施例2)。 [0029] 实施例1和2制得的钢材熔炼成分见表1。 [0030] 表1熔炼成分(wt％) [0031] C Si Mn Cr P S Ti N Al 实施例1 0.21 0.20 1.28 1.09 0.012 0.001 0.018 0.0012 0.007 实施例2 0.25 0.29 1.53 1.33 0.008 0.005 0.034 0.0019 0.015 [0032] 实施例1和2制得的钢材中TiN与Al2O3最大尺寸见表2。 [0033] 表2 [0034] TiN最大尺寸 Al2O3最大尺寸 实施例1 2.3um 28um 实施例2 4.7um 47um [0035] 实施例1和2制得的钢材表面均无裂纹与氧化层缺陷。 [0036] 实施例1和2制得的钢材其表面至距钢材表面15mm区域内的硬度为33.6HRC(实施例1)、35.5HRC(实施例2)；该区域内的组织为铁素体40％+马氏体50％+贝氏体10％，具体组织照片见图1(实施例1)，铁素体37％+马氏体55％+贝氏体8％，具体组织照片见图2(实施例2)；钢材的实际晶粒度为7.0级(实施例1)、7.5级(实施例2)。 |
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