一种高强度高韧性齿轮钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程材料中钢铁材料，主要涉及一种高强度兼具有高韧性齿轮钢及其 制造方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮是航空发动机及其他机械装备的最重要结构部件之一。随着设计的进步和传 递能量及速度的增大，齿轮啮合表面温度也随之升高。目前，直升机主齿轮输出速度达到 25000rpm以上，涡轮轴发动机功率不断提高，涡喷发动机的推重比不断增加，齿轮啮合表面 温度已达到350°C乃至更高。由于齿轮是一种在复杂苛刻环境中服役的构件，为保证飞机的 安全性，研究与发展高性能齿轮钢已成为航空技术的重要组成部分。
[0003] 在齿轮钢技术发展中高纯洁度熔炼和大锻造比成形技术对强韧性提高具有重大 作用。通过双真空熔炼及大锻造比成形技术，可以提高纯净度，降低偏析、碳化物尺寸、夹杂 物尺寸和改变其类型。与普通熔炼和锻造工艺相比，强韧性可以明显改善，材料抗疲劳寿命 可以提高几十倍。
[0004] 以往18CrNi4A、16CrNi3M〇A等航空齿轮钢大都采用电弧炉+电渣的方法冶炼，纯 度低、寿命短。近年来，虽然也开始采用双真空熔炼工艺，材料的纯度大幅度提高，但以上钢 种由于受强韧性的限制，只能用于制造13吨以下的直升机传动齿轮。对于13吨以上的重 型直升机，由于发动机功率的提高，对齿轮的强度和韧性指标提出了更高要求。
[0005] 针对上述要求，中国专利CN102703834公开了一种晶粒细化的齿轮钢及其生产 工艺，该齿轮钢的Ni含量较低，未添加 V，采用电弧炉+LF+VD -连铸一轧制工艺生产， 钢的抗拉强度Rm最高达1160Mpa，冲击韧性Aku最高达75J，但是强韧性较低；中国专利 CN102080188公开了一种CrNiMo系易切削齿轮钢及其制造方法，该发明的钢的Cr、Ni含量 较低，未添加 V、Nb，采用电弧炉（或转炉）+LF+VD (或RH)-连铸一轧制工艺生产，钢的抗 拉强度Rm最高达1190Mpa，冲击韧性Aku最高达123J，虽然韧性指标达到设计要求，但强度 指标偏低；日本专利JP 4083848发明的钢虽然添加了 Ni和细晶强化元素 Nb，也达到较高 的冲击韧性，其是含有较高的Mo和相对低的Cr，强度指标偏低。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是设计一种高强度高韧性齿轮钢及其制造方法。通过采用双真空熔 炼、大锻造比成形技术，使钢获得高纯度和优良的强韧性配合。能满足今后高强度高韧性齿 轮钢的应用研究奠定坚实的基础，对推动我国齿轮钢向高性能长寿命发展具有重要意义。
[0007] 本发明提出了一种新型高强度高韧性齿轮钢（Rm彡1280MPa，Akv彡98J)。通过 成分设计，双真空熔炼工艺及热加工工艺技术研究，研制出满足重型直升机传动用高性能 齿轮钢。
[0008] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] -种高强度高韧性齿轮钢，所述钢的成分由以下列元素组成，以质量百分含量计： CO. 14 ~0· 22%，SiO. 15 ~0· 35%，ΜηΟ· 45 ~0· 75%，Crl. 00 ~1. 35%，Ni2. 80 ~3· 20%， Μ〇0· 15 ~0· 35%，V0.0 8 ~0· 15%，Nb0.0 8 ~0· 15%，Ν 彡 0· 002% ;0 彡 0· 0015%，余量 为Fe和不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总量低于0. 05wt%。
[0010] 本发明钢选择化学成分范围的原因如下：
[0011] c是保证钢室温强度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0. 14%时淬透性和强度 不够，高于0. 25%则韧性变坏。齿轮钢的心部强度和韧性直接影响其使用寿命，为了保证心 部具有必要的强度和韧性，优选C含量为0. 14~0. 22%。
[0012] Si可强烈提高渗层的淬透性，抑制非马氏体组织的产生。但由于它与氧的亲和力 比Cr和Μη高10倍，而容易产生渗层氧化缺陷。故Si含量控制在0. 35%以下。
[0013] Μη :能增加奥氏体的稳定性，降低Ms点，提高淬透性，同时，它能减轻渗碳层中碳 化物的聚集，防止出现大块状碳化物。Μη含量低于0. 40%时，作用不明显，高于0. 80%以 上，晶粒容易粗化，优选控制在0. 45~0. 75%。
[0014] Cr :强烈提高淬透性并可形成微细的硬化质点而增加耐磨性。Cr含量低于1. 00% 时，淬透性不足，高于1. 40%，容易形成大颗粒状碳化物，降低韧性。优选控制在1. 00~ 1. 35%。
[0015] Ni :可增强基体交叉滑移能力，降低冷脆转变温度，提高韧性。还可使渗碳钢获得 碳梯度小，有一定韧性的表层。Ni低于2. 80%对韧性的改善不明显，Ni含量过高，成本明 显增加。本发明选择2. 80~3. 20%范围。
[0016] Mo可提高表层硬度并增大有效硬化层深度。Mo含量的提高可明显提高冲击断裂 强度。本发明选择Mo含量为0.15~0.35%。
[0017] Cr、Mo共同加入钢中可提高渗层的抗氧化性并防止渗层中出现贝氏体；Cr、Ni、Mo 共同加入钢中可提高钢的断裂强度，从而既可获得高的疲劳强度，又可获得高的过载抗力。 因此，这些元素的组合，使钢的心部强韧性优良，渗层显微组织优异，可使寿命大大延长。
[0018] V在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V可提高钢的强度和塑性，V太高会显著降 低钢的塑韧性。一般V含量控制在0.08~0. 15%范围。
[0019] Nb主要作用是细化钢的晶粒并提高钢的耐晶间腐蚀性。当加入量低于0. 08%时， 效果不明显，超过〇. 15%时，由于析出物粗化而使性能恶化。本发明选择0.08~0. 15%范 围。
[0020] N、0:钢中N、0含量越低，塑韧性越好。本发明选择0.002%、0彡0.0015%。
[0021] -种如本发明所述的齿轮钢的制造方法，包括如下步骤：真空感应炉熔炼、真空自 耗炉冶炼、锻造。
[0022] 作为优选方案，所述真空感应炉熔炼的步骤包括如下操作：
[0023] 先将占总原料重量0. 20~0. 22%的碳装入真空感应炉的坩埚中，再装入除锰以 外的各金属原料以及结晶硅；
[0024] 用300~350kW的功率给电预热所述坩埚中的原料，并将坩埚抽真空至真空度达 到2. 7Pa以下后，将功率提高至500~800kW进行熔化，熔化初期，由于感应电流的集肤效 应，炉料被逐层熔化。这种逐层熔化非常有利于N的排除，所以熔化期要保持较高的真空 度和缓慢的熔化速度。待原料全部熔化后，将功率提高至2000~2500kW，提高钢液温度至 1570~1590°C，保温8~12min后将功率降低至250~300kW保温精炼至少45min，保温精 炼期间取样分析成分，当N < 30ppm后进行成分微调；保温精炼后向坩埚内充入惰性气体， 至坩埚内压力达到6000Pa后加入单质锰，在1500~2500kW的功率下熔化，待全部熔化后 取样分析，成分合格后出钢。
[0025] 作为优选方案，所述真空自耗炉冶炼的步骤包括如下操作：
[0026] 将真空感应炉熔炼后得到的电极作为原料在真空自耗炉中进行重熔，将自耗电极 的两端切割成平头，将所述自耗电极最后凝固的一端朝下进行自耗重熔，控制熔炼速率为 5~5. 5Kg/min，熔化开始即充入惰性气体进行冷却，保持极限真空度在0.1 Pa以下，重熔成 钢锭。
[0027] 作为优选方案，所述锻造的步骤包括如下操作：
[0028] 将真空自耗炉冶炼步骤中得到的钢锭在1180~1200°C预热3~5h后，进行墩粗， 使钢锭高度减少50~60% ;
[0029] 将墩粗后的钢锭在1120~1130°C下保温50~70min后，进行拔长操作，控制开锻 温度不低于110(TC，停锻温度不低于80(TC，控制最后一火次拔长变形量不低于30 %，得到 锻造棒材，将所述锻造棒材于660~680°C下进行热送退火15~20小时后，炉冷至不高于 500°C，出炉空冷。经最终热处理后，即可达到高强度高韧性的良好配合，完全满足新一代高 性能齿轮钢的要求。
[0030] 作为优选方案，所述金属原料中，钥为低氧金属钥条。
[0031] 作为优选方案，所述保温精炼过程中，取样分析成分，当30ppm后进行成分微 调。
[0032] 作为优选方案，真空感应炉熔炼的步骤中所述惰性气体为Ar。
[0033] 作为优选方案，真空自耗炉冶炼的步骤所述惰性气体为He。
[0034] 与现有技术相比较，尤其是与上述三个专利技术相比较，具体见表1，本发明钢克 服了现有材料强韧性不是很高的缺点，通过V、Nb等强韧化元素控制，极大地提高钢的强度 和韧性。在钢中加入V、Nb元素能与[C]、[N]结合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，这些化 合物在高温下溶解，在低温下析出起到抑制晶粒长大以及沉淀强化作用。其结果是碳当量 降低，而钢的强度和韧性却大大提高，并具有显著的成本优势。特别是通过双真空熔炼使钢 中气体含量降到最低水平，钢中夹杂物明显减少，通过特殊的锻造工艺，保证获得细小均匀 的组织，即达到高强度、高韧性的良好配合，能保证齿轮的寿命得到明显改善。
[0035] 表1原有专利齿轮钢和本发明钢的化学成分对比
【附图说明】
[0037] 图1为本发明的工艺流程简图；
[0038] 图2为本发明的工艺流程详图。
【具体实施方式】
[0039] 请参见图1、图2所示，本发明齿轮钢在8吨真空感应炉和真空自耗炉熔炼，经镦拔 锻造，最后经热处理，即可达到超高强度高韧性的设计要求。具体实施例如下：
[0040] 实施例1
[0041] 1、8吨真空感应炉熔炼工艺：
[0042] 精选高纯度的金属Cr、Mn、Ni、Mo、Nb、V和纯铁等，金属料的S、P、Al、Ti和Cu含量 尽量低，按照重量百分比为：C0. 15%，SiO. 25%，MnO. 55%，Crl. 00%，Ni2. 85%，Μ〇0· 20%， V0.0 9%，NbO. 12%，N0.00 18% ;00. 0011%，余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素的 总量低于0. 05wt %进行配料，所有炉料必须清洁干燥，无油污，无锈。除Μη外，合金成分配 入控制规格，特别注意Al、Ti、Cu的带入，金属Μη全部留出待Ν合格后加入。
[0043] 先用300KW小功率给电预热坩埚中材料，抽真空直至真空度达到2. 7Pa