本发明属于冶金
技术领域：
，涉及合金钢类。更具体的是涉及一种连铸-连轧生产的20crnib齿轮钢。
背景技术：
：齿轮为重要的传动零件，传递动力，在传动过程中齿根要受到反复的弯曲、接触应力，易产生弯曲疲劳断裂、磨损、划痕擦伤、齿形剥落变形等失效。需要承受较大扭矩变速器齿轮选用20cr材料已经不能满足齿轮钢的高淬透性和强度要求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种20crnib钢，在原有20cr材料基础上提高cr、mn含量，添加b、ni、nb等元素，显著提高了材料的强度和淬透性，同时提高了材料的晶粒度稳定性，属于一种全新的渗碳齿轮钢种。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高淬透性渗碳齿轮用20crnib钢，其特征在于：该产品的化学成分按质量百分比设计为c：0.17～0.23％，si：≤0.35％，mn：0.50～0.95％，cr：0.85～1.25％，s：0.015～0.030％，p：≤0.025％，ni：0.15～0.25％，nb：0.015～0.035％，b:0.0010～0.0030％，cu：≤0.20％，al：0.010～0.050％，ca：≤0.0005％，余量为fe及不可避免的杂质元素。进一步地，cr：1.1～1.25％，b:0.0015～0.0030％。进一步地，s：0.020～0.030％。进一步地，ni：0.18～0.25％，nb：0.02～0.035％。基于以上成分设计采用连铸和连轧生产出的棒材，区别于现有技术，具有的突出性能是，末端淬透性满足：j5＝42～46hrc、j10＝32～36hrc，热轧钢材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，晶粒度达到7.0级。本发明齿轮钢化学成分各元素对应的主要作用和设计依据是：c是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。在所有元素中，碳提高钢强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮渗碳及淬火回火后心部有良好的的强韧性，钢中需有合适的碳含量，本发明碳含量范围确定为0.17-0.23％，属于表面渗碳钢。si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性，同时si在钢渗碳时会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量，因此si含量的范围确定为≤0.35％。mn对钢起固溶强化作用，并强烈提高钢的淬透性，利用mn的特点确定成分范围为0.50～0.95％。cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可对钢起固溶强化作用，提高钢的淬透性。另外cr降低c的活度，能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度，但过高的cr会明显降低淬火回火钢材的韧性，综上考虑，本发明将cr含量的范围确定为0.85～1.25％。ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对钢的塑性、韧性的影响不显著。另外ni对钢的淬透性也有一定的提高作用。本发明ni含量的范围确定为0.15～0.25％。nb能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量的铌可以不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。铌在钢中以碳化物形式存在，并细化晶粒。本发明nb含量的范围确定为0.015～0.035％。b在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他贵金属，其含量一般在0.0010～0.0050％范围内，它可以替代0.2％的钼。本发明b含量的范围确定为0.0010～0.0030％。s的加入可以提高钢的切削性能，但会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，因此确定s含量范围为0.015-0.030％。al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，al与n形成弥散细小的氮化铝颗粒可以细化晶粒，但al含量大，钢水熔炼过程中易形成al2o3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。本发明al含量的范围确定为≤0.010-0.050％。ca含量会增加钢中大尺寸点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的疲劳性能变差。本发明ca含量的范围确定为≤0.0005％。本发明齿轮钢通过对常规齿轮钢用20cr基础上通过添加b、nb、ni元素，同时适当提高cr含量，显著提高材料的的淬透性和奥氏体晶粒的稳定性，产品的晶粒度达到了7.0级，优化设计了满足变速器用齿轮钢的高淬透性要求，具有较好的市场的竞争力和推广价值。本发明与现有20gr、scr420相比，合金元素简单，易于控制，稳定和提高了材料的淬透性。通过控制钢中细化晶粒的质点元素的含量，阻止渗碳过程中奥氏体晶粒的长大，提高了奥氏本晶粒的粗化温度，保证了变速器齿轮长时间的高温渗碳处理后的晶粒细化。本申请另外提供了匹配该化学成分的高淬透性渗碳齿轮用20crnib钢的制造方法，生产流程：按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及废钢→电炉初炼→lf炉精炼→vd炉真空脱气→连铸连铸坯(300×340mm以上)→铸坯缓冷→铸坯抛丸→加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤等检测-入库。主要步骤如下(1)电炉初炼：按照成分比例将原料装入初炼炉中，通电并辅以吹氧助熔，当熔炼终点c的含量在0.02-0.10％,钢水温度在1650-1680℃，采用ebt滑板机构档渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化；(2)lf精炼：将初炼钢水包用行车吊至lf精炼炉，接通底吹氩装置，送电进行再加热，过程中加入造渣材料及扩散脱氧剂，造白渣，控制炉渣碱度在2.0-2.5以更好的保证钢中的[s]控制在0.015-0.030％，精炼时间大于30分钟；精炼过程中吹氩搅拌强度与各操作目的相关，但搅拌强度以不裸露钢水为宜，当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至vd炉处理；(3)vd脱气：将精炼的钢水包用行车吊入vd罐内，接通ar气管，并盖上真空盖，抽真空，保持钢水在高真空度(133pa)下的脱气时间不少于15分钟；(4)连铸：将vd脱气后的钢水包吊至连铸大包回转台，浇钢后全程保持浇注，控制中间包钢水过热度15-30℃，采用0.55-0.80m/min恒拉速浇注、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下工艺措施，得到合格的连铸坯；(5)轧制：将连铸坯重新加热至1180-1270℃，保温3-8小时，之后对其进行轧制，铸坯经高压水除鳞后开轧温度1020-1150℃，终轧温度≥850℃，轧后及时收集并缓冷。具体地，步骤2中，lf炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入c粉、fesi粉、sic粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂al线的方法加强钢液强制脱氧。本申请采用控轧，对开轧温度和终轧温度进行控制，获得晶粒度稳定的铁素体和珠光体组织。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过合理的优化化学成分，满足了齿轮钢的高淬透性和高强韧性的要求，同时晶粒度控制比20cr、scr420更加稳定，属于一种全新的渗碳齿轮钢种。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。实施例120crnib齿轮钢棒材的生产工艺如下：按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→lf炉精炼→vd炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤等检测-入库。具体生产步骤如下：1)入炉原料中经预处理的铁水占30-50％，其余为废钢；2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：对电炉进行终点出钢碳控制，终点出钢碳不小于0.05％，防止钢水氧化；采用偏心炉底和留钢出钢，防止下氧化渣；3)lf炉精炼：lf炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入c粉、fesi粉、sic粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂al线的方法加强钢液强制脱氧，控制炉渣碱度在2.0-2.5以控制钢中的[s]控制在0.015-0.030％，精炼时间20分钟。lf精炼过程中吹氩搅拌强度与各操作目的相关，但搅拌强度以不裸露钢水为宜。当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至vd炉处理。4)vd真空脱气：将步骤(2)完成精炼的钢水包用行车吊入vd罐内，接通ar气管，并盖上真空盖，抽真空，于高真空度(133pa)下保持时间大于15分钟；高真空度下观察炉内钢水沸腾情况适当调整吹氩压力和流量，破空后取样分析，根据分析结果调整成分进入标准范围。5)连铸：将vd脱气后的钢水包吊至连铸大包回转台，浇注后全过程保护浇铸，并采用结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下技术。连铸钢水过热度目标控制在15～30℃，拉速控制在0.55-0.80m/min,改善内部质量。6)连铸坯550℃以上高温下线，入缓冷坑保温48小时以上，防止铸坯开裂，将缓冷后的连铸坯抛丸处理，提高其表面质量，减少铸坯轧制圆钢时表面原始缺陷的产生。7)轧制：首先，连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热至1180-1270℃，保温3-8小时，出炉后铸坯经高压水除鳞处理高温去掉氧化铁皮；开轧温度1020-1150℃，终轧温度850-980℃。轧制后及时收集并入坑缓冷。为了充分证明本申请产品的显著性能，以齿轮钢20cr材料作为参照例2，以齿轮钢scr420h材料作为参照例3。1)化学成分的区别参照表1(wt％)表1项目csimnpscrninbalb实施例120crnib0.210.220.890.0110.021.180.180.0210.0320.0017参照例220cr0.20.250.750.0130.0121.020.020.00040.0280.0002参照例3scr4200.210.260.820.0150.0111.040.010.00060.0290.00032)晶粒度的区别如下实施例1为7.0级，参照例220cr为6.0级、参照例3scr420h为6.0级。3)末端淬透性：参照表2表2项目j5，hrcj10，hrc实施例120crnib44.533参照例220cr3827参照例3scr4204028通过对比可知，基于本申请发明思路的实施例1相比20cr、scr420h材料，具有更高的末端淬透性，晶粒度更细，具有更高的强度。除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页12