专利名称：一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于冶金领域，涉及一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺。
背景技术：
20CrMnTi钢占中国汽车齿轮钢材制造用量的50%左右。其钢基体组织为珠光体 +铁素体组织，由于20CrMnTi钢在成分上含有Ti.不可避免地在钢材内部产丛生或大或小的TiN夹杂物，Ti是齿轮钢中的重要元素，但是Ti在钢中易形成颗粒大、带尖棱角的TiN， 是疲劳 裂纹源，其危害比氧化物夹杂还严重。主要是TiN不变形夹杂物比基体硬，影响加工精度，在使用时会成为疲劳源而影响齿轮的疲劳寿命。因此，主要通过两种措施减少TiN形成机会。一是尽量降低Ti含量，并通过精炼喂Ti线工艺替代原来直接加块状合金，提高Ti收得率，把Ti成分控制在很窄范围内。二是保证连铸钢液脱氧良好，连铸过程采用全过程保护浇注，尽量避免与大气接触以减少钢液吸氮。
发明内容
针对20CrMnTi现有技术存在的上述缺点，本发明的目的是提出一种晶粒细化的齿轮钢(20CrMnBAlN)及其生产工艺，与20CrMnTi相比有较近碳含量、铬含量、锰含量，加入 Al、B、N元素，充分运用晶内铁素体细化晶粒，改善冲击强度，改善疲劳特性。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种晶粒细化的齿轮钢，其特征在于该齿轮钢按重量百分比其成分为C O. 14
O.22%, Si O. 20 O. 35%, Mn O. 80 I. 15%, Cr O. 80 I. 25%, Al O. 030-0. 060%, P 彡 O. 035%,S O. 015-0. 030%,B O. 0005-0. 030%,O. 080 彡 N 彡 O. 0140%,Ni ( O. 30%, Mo ^ O. 30%%, Cu ^ O. 20%,余量是Fe和不可避免的杂质。优选的，该齿轮钢按重量百分比其成分为C O. 16 O. 21 %、Si O. 20
O.33 Mn O. 85 I. 10 %、Cr O. 85 I. 20 %、Al O. 030-0. 060 %、P 彡 O. 035 %、S
O.015-0. 030 %、B0. 0005-0. 020 % ,0. 080 ^ N ^ O. 0140 %, Ni ^ O. 30% Mo ^ O. 30 %, Cu ( O. 20%，余量是Fe和不可避免的杂质。各元素的作用
DC :在所有元素中，碳提高强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为硅的5倍， 铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮钢具有足够的强度、硬度，钢中必须含有相当高的碳含量。2)Mn :对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。3)Cr :对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。4) Al :晶粒度细小均匀的奥氏体晶粒对稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力具有重要意义。考虑到Ti对齿轮钢不利影响， 主要是通过添加Al细化晶粒，以Al元素来实现细晶控制。为了更好地细化晶粒，采用精炼喂Al线方式，合理控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内，达到晶粒度8级。5) S :提闻齿轮加工时的易切削能力，实现晶内铁素体冶金，细化晶粒。6)B:提高钢淬透性能。
7)N:细化晶粒。一种晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序，其工艺流程为
1)电炉冶炼，要求红包无渣出钢；
2)LF精炼炉，精炼时间> 30min，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅脱氧，中后期使用高品位碳化硅保持白渣；根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持彡O. 020%，精炼后期控制进VD前〔Al〕0. 020-0. 040% ;精炼过程Cr按O. 78%以内控制， 其它元素除Al、B、S等按目标值下限调整；
3)VD真空炉，真空度彡I毫巴下保持，保持时间彡12min，破真空确保软吹Ar彡20min 以上；按目标值使用CrN合金增氮，MnN线微调；用喂线或加合金进行微调，喂线或加合金顺序如下C、Al、Ca、S、BFe ;微调成分操作如下C线喂完可以立即喂入Al线80_100m，然后搅拌Imin以上喂入Ca线30m，完毕后保持静搅3min以上加入BFe :0. 16-0. 20kg/t,再静搅5min以上加入硫化铁合金0. 60-0. 80kg，再确保静搅5_10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸；静搅过程根据温度加入保温剂> IOOkgo4)连铸，得到连铸坯；
5)轧钢，加热炉内温度预热段彡850°C、加热段12000-1250°C、均热段1200-1230°C， 总加热时间135 145 (分);出入钢节奏90 100 (秒);水除鳞压力彡20MPa ;开轧温度彡1100-1130°C，终轧温度彡9500C ;轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度彡500°C，保温时间 ^ 24小时，出坑温度彡2000C ;得到晶粒细化的齿轮钢。本发明的优点是考虑到汽车的轻量化、高速度的发展趋势，考虑到齿轮的各种苛刻工作环境、高强度、高寿命、耐疲劳、抗冲击等方面的要求。本发明通过晶粒细化、晶界强化改善晶界强度，可应用于改善冲击强度。消除TiN等氧化物与氮化物，可改善疲劳特性， 真空脱气处理主要是减少钢液中的氧、氢等气体成分的处理，以减少大型的非金属夹杂物。 另外，软性夹杂物对疲劳极限的影响小于硬性夹杂物的影响，所以，尝试了使非金属夹杂物无害化的方法，即控制硬质的非金属夹杂物。使之成为软性的夹杂物。应用钙处理是有效的办法。
具体实施例方式
一种本发明所述的晶粒细化的20CrMnBAlN齿轮钢的生产工艺，中按C O. 14 O. 22% 控制，优选为C O. 16 O. 20%，按计算量向钢中加入低磷锰铁和低碳铬铁，钢的强韧性，强化晶界，进而改善齿轮钢的综合力学性能。其工艺流程为原辅料验收一配料一电炉冶炼一LF精炼一VD脱气一连铸一铸坯坑冷一检验一坯料验收一加热一除鳞一轧制一剪切或锯切一坑冷一矫直一修磨一成品检验一打包标志一称重。具体工艺如下
电炉冶炼要求红包无渣出钢。电炉新砌炉壳前三炉不得用于生产本方案中齿轮钢，尽量避免使用新钢包，在不得已使用新钢包时须适当延长LF精炼及VD真空处理时间。在100吨电炉冶炼，因需要走真空，钢包要留有自由空间，出钢量目标为88吨，配料选用优质废钢、铁水、生铁。铁水加生铁量>总配料量的30%。配碳量>1.0%，要求电炉冶炼配碳量彡1.0%、脱碳量彡O. 80%。电炉终点控制目标C彡O. 08，P^O. 008%, T彡1610°C，定氧[O] ( 700PPm,电炉出钢过程中钢包内每吨钢水渣料及合金加入量复合中铝3-4Kg，低磷低碳硅锰9-10kg，低磷锰铁4-5kg，低碳铬铁IO-Ilkg石灰8Kg，萤石2Kg
坐寸οLF精炼炉
1.精炼时间彡30min以上，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅(高纯石墨炭材)脱氧，中后期使用高品位碳化硅(高纯石墨炭材)保持白渣； 2.根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持>0.020%以上，精炼后期控制进VD前〔 Al〕0. 020-0. 040% ；
3.精炼过程Cr按O.78%以内控制，其它元素除A1、B、S等按目标值下限调整；VD真空
炉
1.真空度彡I毫巴下保持，保持时间彡12min，破真空确保软吹Ar彡20min以上；
2.[N]的调整破真空取双棒棒糖样分析全成分，[N]按目标值使用CrN(合金)增氮 (优先)，MnN (线)(微调)(MnN (线)增[N]推荐 100m = 15-20ppm N ；CrN(合金)推荐 100kg = 35-40ppm)；，
3用喂线或加合金进行微调，喂线或加合金顺序如下C、Al、Ca、S、BFe，不得随意调整；
4.微调成分操作如下根据样结果按目标值进行微调(以下元素加入量根据实际可调整)；C线喂完可以立即喂入Al线80-100m，然后搅拌Imin以上喂入Ca线30m，完毕后保持静搅3min以上加入BFe 0. 16-0. 20kg/t,再静搅5min以上加入硫化铁(合金) O. 60-0. 80kg，再确保静搅5-10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸；
5.静搅过程根据温度加入保温剂>IOOkgo 连铸
连铸第一炉1570 1580，连浇炉1560 1570，液相线温度1512°C。推荐过热度20-30°C保护渣中低碳保护渣覆盖剂=TD-BA断面断面 : 350*440 振动模式 180*240
拉速(m/min) Δ T > 35 °C O. 48m/min Λ T ￡35。。O. 5lm/min
I.连铸严格控制拉速，保证电磁搅拌和末搅正常运行，保证中间包、结晶器液面稳定， 防止卷渣，保证侵入式水口对中及插入深度。2.坯料冷却要求不得热装热送
大方坯需入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度彡500°C，缓冷时间彡48h以上可开盖自然冷却，开盖36h后可以出坑；小方坯钢坯须避风堆冷或入坑缓冷，保温时间> 24h。3.每组每流铸坯取样检测低倍。轧钢
I).予热段彡850°C加热段12000-1250°C均热段1200-1230°C，总加热时间135 145 (分)。出入钢节奏90 100 (秒)2).水除鳞压力彡20MPa。3).开轧温度彡1100-1130°C，终轧温度彡950°C。4).轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度彡5000C，保温时间彡24小时， 出坑温度彡200 0C ；
实施例
本发明实施例I、参照例220CrMnTi
1)化学成份如下表l(wt%)
表I
一项巨I C I Cr I Mn I Si I P I S I Alt I B | Ni | Mo | Cu | N Ti
更施例 I 20CrMnBAlN O. 19 O. 85一 0.85 O. 26 oToTi" O. 025 O. 0500 0^018 O. 01 ~ O. 005 ~ 04 O. 0120 蒼照例 2 20CrMnTi O. 19 I. 06一 0.95 O. 24 0~0 2" O. 007 O. 0350 一 O. 01 ~ 0.005 ~ 04O. 056
2)力学性能比较如下表2:
表2
uRp O. 2, Rm3 Aj Z3
脾号MPa MPa % %热处理
梓火880 ±20C JiiMnBAIN1160 14.0 56 75抽冷；
回火200 ± 30TC 淬火880 ± 20'C ΞOCrMnTi875 1140 14. O 55 72抽冷；
回火200 ± 30
4)晶拉度20CrMnAlS 8 级，20CrMnTi 7 级。5)组织热轧态均为F+P组织。6)低倍如下表3
表3
锭型偏~ 丨、対八 ~妒対八一般点边缘点状 _ W_中心疏松一鎌松状偏析偏析_
20CrMnBAlN__O. 5 O. 5__05__O__O_
~20CrMnTi — I. O ~ I. O ~ I. O ~ OO ~
7).夹杂物如下表4 :
表4
一 |a粗 |a细 |b粗 |b细 |c粗 |c细 |d粗 |d细
I.5 I. 5 O. 5 OOOOO
nBAIN
20CrM O O. 5 O. 5 O. 5 O O I O nTi_________
权利要求
1.一种晶粒细化的齿轮钢，其特征在于该齿轮钢按重量百分比其成分为c 0. 14 0.22%、Si 0. 20 0. 35%、Mn 0. 80 I. 15%、Cr 0. 80 I. 25%、Al 0. 030-0. 060%、P ≤ 0. 035%、S 0. 015-0. 030%、B 0. 0005-0. 030%、0. 080 ≤ N ≤ 0. 0140%、Ni ( 0. 30 %、Mo ^ 0. 30% %、Cu ( 0. 20%，余量是Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的晶粒细化的齿轮钢，其特征在于该齿轮钢按重量百分比其成分为C 0. 16 0. 21%、Si 0. 20 0. 33%、Mn 0. 85 I. 10% 、 Cr 0. 85 1.20%、A10. 030-0. 060%、P ≤ 0. 035%、S 0. 015-0. 030%、B 0. 0005-0. 020%、0. 080≤N≤0. 0140%、Ni ( 0. 30 % Mo ( 0. 30%、Cu ( 0. 20%，余量是Fe和不可避免的杂质。
3.—种权利要求I所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序，其工艺流程为 1)电炉冶炼，要求红包无渣出钢； 2)LF精炼炉，精炼时间> 30min,过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅脱氧，中后期使用高品位碳化硅保持白渣；根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持≤0. 020%，精炼后期控制进VD前〔Al〕0. 020-0. 040% ;精炼过程Cr按0. 78%以内控制，其它元素除Al、B、S等按目标值下限调整； 3)VD真空炉，真空度≤I毫巴下保持，保持时间彡12min，破真空确保软吹Ar彡20min以上；按目标值使用CrN合金增氮，MnN线微调；用喂线或加合金进行微调，喂线或加合金顺序如下C、Al、Ca、S、B-Fe ; 4)连铸，得到连铸坯； 5)轧钢，加热炉内温度预热段≤850°C、加热段12000— 1250°C、均热段1200 —12300C，总加热时间135 145 (分)；出入钢节奏90 100 (秒)；水除鳞压力彡20MPa ；开轧温度≤1100-1130°C，终轧温度≤950°C;轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度彡500°C,保温时间> 24小时，出坑温度≤2000C ;得到晶粒细化的齿轮钢。
4.根据权利要求3所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于步骤3)中，微调成分操作如下C线喂完可以立即喂入Al线80-100m，然后搅拌Imin以上喂入Ca线30m,完毕后保持静搅3min以上加入BFe :0. 16-0. 20kg/t,再静搅5min以上加入硫化铁合金0. 60-0. 80kg,再确保静搅5-10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸。
5.根据权利要求4所述的晶粒细化的齿轮钢的生产工艺，其特征在于步骤3)中，静搅过程根据温度加入保温剂> IOOkgo
全文摘要
本发明公开了一种晶粒细化的齿轮钢及其生产工艺，该齿轮钢按重量百分比其成分为C 0.14～0.22%、Si 0.20～0.35%、Mn 0.80～1.15%、Cr0.80～1.25%、Al0.030-0.060%、P≤0.035%、S0.015-0.030%、B0.0005-0.030%、0.080≤N≤0.0140%、Ni≤0.30%、Mo≤0.30%%、Cu≤0.20%，余量是Fe和不可避免的杂质。包括冶炼、连铸和轧制工序。本发明充分运用晶内铁素体细化晶粒，改善冲击强度，改善疲劳特性。
文档编号C22C38/44GK102703834SQ20121021988
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者王时林 申请人:中天钢铁集团有限公司