一种齿轮钢及其生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种齿轮钢及其生产方法，含有的化学成分及其重量百分比为：碳0.25～0.32％、硅0.25～0.30％、锰1.20～1.40％、磷≤0.030％、硫0.025～0.045％、铬1.05～1.25％、钒0.05～0.10％、氮0.009～0.0120％、氧≤0.0015％及余量为铁。通过控制钢坯加热、钢坯轧制、冷却的工艺参数，从而细化了齿轮钢晶粒，同时不影响齿轮钢的疲劳性能。
【专利说明】
-种齿轮钢及其生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金制造技术领域，具体设及一种齿轮钢及其生产方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮钢是重要的机械零部件，尤其应用在汽车上的齿轮钢，汽车上的齿轮在工作 时，齿根受弯曲应力作用易产生疲劳断裂，受接触应力作用，易导致表面金属剥落，因此要 求钢质必须具有良好的性能。影响齿轮钢性能的主要有泽透性、洁净度和晶粒度等指标。目 前，通过精确控制化学成分的含量和化学成分的均匀性，提高泽透性，使钢件整个截面获得 均匀一致的力学性能，减少变形和开裂;通过降低齿轮钢中的氧含量，提高齿轮钢的洁净 度，能大幅提高齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度;通过向钢中添加 A1或Ti元素，从而在 钢中形成A1N或TiN微粒，并且通过加热和冷却工艺，运些A1N或TiN微粒在奥氏体晶界起钉 扎作用阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，细化晶粒有助于提高齿轮的强度、初性。
[0003] 中国发明专利(授权公告号CN 102703834 B，授权公告日2014.03.12)公开了一种 晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺，加入A1元素，通过冶炼、连铸和社制工序生产出细小晶粒 的齿轮钢，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力，其晶粒度达到8级。中 国发明专利(授权公告号CN 102517521 B，授权公告日2013.09.25)公开了一种Μη化渗碳齿 轮钢及其制造方法，该发明通过合理的成分设计和生产工艺，加入Α1元素，采用电炉-LF精 炼-VD真空处理-连铸-社制工艺生产出圆钢，其晶粒度达到7级。中国发明专利（申请公布号 CN102605260A申请公布日2012.07.25)公开了一种低变形齿轮钢及其制造方法，加入41元 素，通过控制冶炼，钢巧加热和社制手段改善齿轮钢棒材的晶粒度和带状组织，使齿轮钢的 热处理变性稳定，变形量减小。控制了第二相粒子Α1Ν的析出时机和析出数量，细化了晶粒， 其晶粒度达到7.5级W上。授权公告号CN 102703834 Β、授权公告号CN 102517521 Β和申请 公布号CN102605260A的Ξ个发明通过加入Α1元素来细化晶粒度，但Α1元素易与钢中的氧元 素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢疲 劳性能。
[0004] 中国发明专利(授权公告号CN 102400052 Β授权公告日2013.05.15)公开了一种 窄泽透性齿轮钢，添加中Ti元素固氮和细化晶粒，并且通过1)顶底复合吹炼转炉初炼;2)钢 包脱氧合金化;3)LF精炼;4)RH精炼;5)连铸的生产方法得到的齿轮钢具备较高的泽透性和 较窄的末端泽透性的特点，但是Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中 长期存在易成为疲劳应力源，不利于齿轮钢的疲劳性能提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对上述不足，提供一种不影响齿轮钢的疲劳性能的前提下细 化晶粒的齿轮钢及其生产方法。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种齿轮钢，含有的化学成分及其重量百分比为：碳0.25~0.32 %、娃0.25~ 0.30 %、儘1.20 ~1.40 %、憐《0.030 %、硫 0.025 ~0.045 %、铭 1.05~1.25 %、饥 0.05~ 0.10%、氮0.009~0.0120%、氧《0.0015%及余量为铁及不可避免的杂质。
[0008] W下简述本发明中选定化学成分范围的理由：
[0009] C(碳）：含量控制在0.25~0.32%范围内。碳是保证齿轮钢强度和硬度的主要成 分，齿轮钢调质后，碳的强化效果是铭的9倍，儘的18倍，但过高的碳含量易导致齿轮钢初性 不够，影响其疲劳性能，因此，钢中的碳含量控制在0.25~0.32%。
[0010] Μη(儘）：含量控审化1.20~1.40%范围内。儘在齿轮钢中既能增强奥氏体的稳定 性，还能提高泽透性；同时，齿轮钢中的儘还与硫结合形成细小的硫化儘微粒，可W成为铁 素体形核的核屯、，有利于细化晶粒;一般齿轮钢中儘成分控制在1.0% W下，为了进一步细 化晶粒，适当提高儘的含量，因此，钢中的儘含量控制在1.20~1.40%。
[0011] 化(铭）：含量控制在1.05~1.25%。铭在齿轮钢中主要是提高其泽透性、强度和耐 磨性;同时，铭能够降低齿轮钢中的碳活度，防止热处理过程中的脱碳，稳定齿轮的质量，但 是铭为容易产生带状偏聚的元素，过高的铭含量会明显降低泽火及回火钢材的初性。因此， 钢中的铭含量控制为1.05~1.25%。
[0012] 饥(V)、氮(Ν):含量控制为饥0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%。齿轮钢中添加适 量的饥、氮元素，主要是加强沉淀强化效果和细化晶粒作用。一般齿轮钢中通过加入侣(Α1) 元素与氮(Ν)元素或者加入铁(Ti)元素与氮(Ν)元素来细化晶粒，但是Α1元素易与钢中的氧 元素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢 疲劳性能;Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中长期存在易成为疲劳 应力源，不利于齿轮钢的疲劳性能提高。因此发明采用加入饥元素与氮元素来细化晶粒，饥 和氮有很强的亲和力，可W在钢中形成极稳定细小的析出相，产生弥散强化效果，提高钢的 强度，同时，还可W抑制奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体晶粒，但是饥含量过高，过量的饥夹 杂难W去除，影响钢的洁净度，过量的氮会造成气体含量高，易产生皮下气泡，影响钢的质 量，因此，钢中的合适的饥和氮含量分别控制为饥0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%。
[0013] 硫(S):含量控制在0.025~0.045%，添加硫元素，使钢中形成硫化物，硫化物可W 包裹钢中不易变形的氧化物，从而使钢的切削加工性能增加；同时，硫与儘形成硫化儘 (MnS)，铁素体WMnS为核屯、析出，增加 MnS，进而增加了铁素体的块数，从而细化了组织，但 是硫含量过高会导致硫化物过剩形成夹杂物，显著降低钢的塑性和初性，因此，钢中的硫含 量控制为0.025~0.045 %。
[0014] 齿轮钢的生产方法包括W下步骤：
[001引1)钢昆加热
[0016]经冶炼诱铸成连铸巧的齿轮钢巧，进入Ξ段式加热炉内加热(包括预热段、加热段 和均热段），Ξ段的溫度分别是:预热段溫度700~745°C;加热段溫度为1170~1220°C;均热 段溫度为1150~1200°C;加热时间为150~ISOmin;巧料阴阳面溫差《40°C;齿轮钢连铸巧 加热到115(TC及W上，且保溫150~ISOmin后，其钢巧中的氮化饥能够充分固溶到奥氏体 中，本发明的均热溫度相比于现有技术有所降低，因为氮化饥比氮化侣更容易固溶到奥氏 体中，在115(TC及W上的溫度且保溫150~ISOmin后，氮化饥就已近能够充分固溶到奥氏体 中，溫度过高，保溫时间过长会导致晶粒粗大。
[0017] 2)钢昆社制
[0018] 加热后的钢巧经高压水除憐后依次进行粗社、中社、精社得到钢材;粗社开社溫度 为1050~1115°C，精社开社溫度为900~915°C ;
[0019] 3)冷却
[0020] 精社后的钢材进行冷却，冷却速度为50~80°C/min,冷却至500~600°C后进行缓 冷工序，直至钢材冷却至室溫得到齿轮钢。
[0021] 所述步骤3)中冷却采用风冷冷却;所述缓冷工序是将钢材吊入缓冷坑中进行缓慢 冷却。
[0022] 通过上述的社制工艺，固溶在奥氏体中的氮化饥最先W析出相的形式在奥氏体晶 界或晶内析出，析出相大小为:30~lOOnm，随着溫度的降低，在发生奥氏体向铁素体或珠光 体转变前，钢中的氮化饥已全部W析出相的形式完全析出，细化了铁素体或珠光体晶粒;同 时钢中细小的MnS也成为铁素体形成的核屯、，从而进一步细化铁素体或珠光体晶粒。其中， 精社开社溫度相比于现有技术的精社开社溫度有所降低，原因是较低的精社开社溫度有助 于氮化饥W析出相的形式完全析出，但是精社开社溫度过低会造成氮化饥分布不均匀，导 致组织的各向异性，因此精社开社溫度为900~915°C。
[0023] 通过上述的风冷冷却，将钢的溫度W50~80°C/min的冷却速度快速冷却阻止奥氏 体晶粒的长大，因为快速冷却后完全析出的氮化饥不会固溶到奥氏体中去，它们在奥氏体 中会W析出相的形式钉扎在奥氏体晶界或晶粒内，阻止奥氏体晶粒的长大，从而解决了奥 氏体热处理晶粒长大的问题。快速冷却后采用缓冷坑中进行缓慢冷却，消除钢中的白点和 避免再冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹。
[0024] 本发明取得的有益效果是：
[0025] 细化齿轮钢中的晶粒，传统的技术是添加 A1元素或Ti元素，A1元素与钢中的氧元 素反应，生成氧化物夹杂而不易全部排除，影响齿轮钢的洁净度从而大幅度降低齿轮钢疲 劳性能;Ti元素与钢中N元素形成TiN微粒，TiN微粒呈菱形，在钢中长期存在易成为疲劳应 力源，不利于齿轮钢的疲劳性能。本发明通过合理的成分设计，通过添加饥来代替A1或Ti， 并且控制钢巧加热，社制W及冷却的工艺参数，从而细化了晶粒，同时不影响齿轮钢的疲劳 性能。本发明的齿轮钢的成分简单，生产出来的齿轮钢晶粒在8级W上，冲击吸收功在110J W上，抗拉强度在950MPa W上，具有良好的性能。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，便于更清楚地了解本发明，但不 对本发明构成限定。
[0027] 按照本发明化学成分，重量百分比及生产方法要求，制备五个实施例，五个实施例 的化学成分重量百分比见表1;五个实施例生产过程工艺参数见表2，W及五个实施例得到 的齿轮钢的性能参数见表3。
[002引表1实施例化学成分(wt%)
[0029]
【主权项】
1. 一种齿轮钢，其特征在于:含有的化学成分及其重量百分比为：碳ο. 25~0.32 %、硅 0.25~0.30 %、锰1.20~1.40 %、磷彡0.030 %、硫0.025~0.045 %、铬1.05~1.25 %、钒 0.05~0.10%、氮0.009~0.0120%、氧<0.0015%及余量为铁及不可避免的杂质。2. -种如权利要求1所述的齿轮钢的生产方法，其特征在于:包括以下步骤： 1) 钢坯加热 钢坯在三段式加热炉内加热，三段的温度分别是:预热段温度700~745°C ;加热段温度 为1170~1220°C;均热段温度为1150~1200°C;加热时间为150~180min;钢坯阴阳面温差 彡 40。。； 2) 钢坯乳制 加热后的钢坯经高压水除磷后依次进行粗乳、中乳、精乳得到钢材;粗乳开乳温度为 1050~1115°C，精乳开乳温度为900~915°C ; 3) 冷却 精乳后的钢材进行冷却，冷却速度为50~80°C/min，冷却至500~600°C后进行缓冷工 序，直至钢材冷却至室温得到齿轮钢。3. 根据权利要求2所述的齿轮钢的生产方法，其特征在于:所述步骤3)中冷却采用风冷 冷却;所述缓冷工序是将钢材吊入缓冷坑中进行缓慢冷却。
【文档编号】C22C38/02GK106011648SQ201610587038
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】张贤忠, 陈庆丰, 任安超, 熊玉彰, 吴杰, 苏尚飞
【申请人】武汉钢铁股份有限公司