本发明涉及一种齿轮用钢，尤其涉及一种齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢及其加工方法。
背景技术：
：20CrMnMo钢是国内齿轮制造行业广泛应用的渗碳淬火齿轮用钢。但，如果冶炼水平和熔炼成分控制不够精细或者原材料供货质量在国家标准之上有较大的波动，就会使得最终产品的齿根弯曲疲劳强度数值不足，无法满足制造高质量齿轮的要求，从而影响到整个齿轮箱的服役寿命。因此，如何能制造出品质合格(例如齿根弯曲疲劳强度达到400MPa)的齿轮用钢一直是业界期望实现的目标。技术实现要素：本发明提出了一种齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢及其加工方法。根据本发明的一个方面，提供了一种齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢，其化学成分重量百分比为：碳0.17～0.23％，硅0.17～0.37％，锰0.09～1.2％，磷≤0.03％，硫0.01～0.035％，铬1.1～1.4％，钼0.2～0.4％，镍≤0.3％，铌0.02～0.03％，铜≤0.25％，铝0.02～0.05％，钙≤0.002％，钛≤0.01％，钒≤0.05％，余量为铁和不可避免的其他杂质元素。根据一个实施例，在上述的齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢中，其化学成分还包含：氢≤4ppm％，氧≤20ppm％，以重量百分比计。根据本发明的另一方面，提供了一种齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢的加工方法，包括如下步骤：1)按权利要求1或2所述的成分冶炼，铸造，以及轧制或锻造成实心棒材；2)淬火，其中淬火温度控制在840℃至860℃之间；3)回火，其中回火温度控制在190℃至210℃之间，且在达到所述回火温度后保温至少2小时。根据一个实施例，在上述的加工方法中，在所述步骤1)的轧制过程中，用模铸钢锭或连铸坯制造的轧材的轧制锻造比大于或等于5.0。根据一个实施例，在上述的加工方法中，在所述步骤1)的锻造过程中，用连铸坯制造的锻件和环锻件的锻造比大于或等于4.0。根据一个实施例，在上述的加工方法中，在所述步骤1)的锻造过程中，用模铸钢锭制造的锻件和环锻件的锻造比大于或等于3.0。根据一个实施例，在上述的加工方法中，所述淬火是油淬。在本发明的成分中：碳，在钢中以碳化物形式存在，和合金元素结合发挥析出强化和细化晶粒的作用。碳高，屈强比高；碳低，强度不足。本发明碳的范围为0.17～0.23％。硅，是为了对钢进行脱氧而添加的元素，本发明硅的范围为0.17～0.37％。锰，是重要的强韧化元素，起固溶强化的作用，提高钢的强度和韧性，但是Mn含量过多会使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以规定Mn的范围为0.09～1.2％。铬，是非常有效的强化元素，并且能够提高钢的抗氧化性和耐蚀性。本发明中铬含量控制在1.1～1.4％。钼，具有明显的固溶强化效果，提高钢的热强性。钼可以延长奥氏体转变的孕育时间，显著推迟铁素体/珠光体转变，强烈降低贝氏体转变温度，也使马氏体转变温度降低，能明显提高钢的淬透性。钼属于碳化物形成元素，并且能降低钢的回火脆性。本发明中钼的范围为0.2～0.4％。镍，是钢中的固溶强化元素，能有效提高淬透性。同时镍是钢中既能提高强度，又能有效提高韧性的元素，特别是低温韧性，但是Ni有增加辐照脆性的倾向。本发明中镍的范围≤0.3％。铌，可以提高奥氏体再结晶停止温度，同时与C、N结合生成碳化物析出相产生细化晶粒的效果。在本发明的钢中铌的范围是0.02～0.03％。铜：在反应堆压力容器钢中铜属于会强烈引起辐照脆性的元素，在长期的辐照环境中会降低钢的韧性，使得钢的韧脆转变温度上升，因此铜的范围控制在0.25％以下。铝，是为了脱氧而加入钢中的元素，添加0.02-0.05％含量的铝有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能；钙，在本发明的钢中范围为≤0.002％。钒，是通过形成V(C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性，但钒也会显著增加锻件堆焊后的再热裂纹敏感性。钒的范围为≤0.05％。钛，是强碳化物形成元素，在钢液凝固过程中形成大量弥散分布的TiC微粒，可以成为钢液凝固时的固体晶核，有利于钢的结晶，细化钢的组织。钛的范围≤0.01％。诸如磷和硫的杂质元素是对韧性有害的元素，含量应越少越好，本发明磷元素含量控制在不大于0.030％，硫元素含量控制在0.010％～0.035％之间。另外，本发明对氢、氧元素含量也做了规定，氧元素含量不大于20ppm，氢元素含量不大于4.0ppm。本发明对化学成分做出了精确的控制。特别是增加Nb元素来细化晶粒，同时减少S、P、H、O有害元素。除了上述钢种化学成分范围的范围特征之外，本发明的另一重要技术特征涉及生产工艺流程的选择和控制。在本发明中，为了得到具有高齿根弯曲疲劳强度的20CrMnMo钢，从原材料出发对其轧制锻造比、热处理方式等方面做出了严格要求，从源头上提高了20CrMnMo的质量，提高了齿根弯曲疲劳强度，并通过脉动式齿根弯曲疲劳试验验证了材料强度，最终得到的齿根弯曲疲劳极限达到400MPa。本发明的齿根弯曲疲劳强度达到400MPa的20CrMnMo钢的加工方法主要包括如下步骤：1)按上述成分冶炼，铸造，以及轧制或锻造成实心棒材；2)淬火，其中淬火温度控制在840℃至860℃之间；3)回火，其中回火温度控制在190℃至210℃之间，且在达到所述回火温度后保温至少2小时。特别是，在锻造比上，本发明要求用模铸钢锭或连铸坯制造的轧材最小为5.0，用连铸坯制造的锻件和环锻件最小锻造比为4.0，用模铸钢锭制造的锻件和环锻件最小锻造比为3.0，这样可以保证比较均匀的化学成分和较细的晶粒度。本发明的有益效果：1)按照本发明中的标准得到的20CrMnMo材料，最终的齿根弯曲疲劳强度提高到400MPa，满足了制造高性能、长寿命齿轮箱的要求。2)针对不同的原材料，采取不同的锻造比来细化晶粒；3)化学成分精确控制，增加Nb元素细化晶粒，减少S、P、H、O有害元素；4)提高材料的淬透性，使其渗碳淬火性能更优；5)对非金属夹杂物做出严格规定，减少原材料缺陷；应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。附图说明包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：图1是根据本发明的20CrMnMo钢的金相图。具体实施方式下面用实施例对本发明作进一步阐述。实施例1本实施例中的具有高齿根弯曲疲劳强度的20CrMnMo钢的制造流程主要包括：冶炼、铸造、轧制或锻造以及热处理。具体的，通过上述的冶炼、铸造、轧制或锻造的步骤形成成分满足以下表1的实心棒材。其中，在锻造比上，本发明要求用模铸钢锭或连铸坯制造的轧材最小为5.0，用连铸坯制造的锻件和环锻件最小锻造比为4.0，用模铸钢锭制造的锻件和环锻件最小锻造比为3.0，这样可以保证比较均匀的化学成分和较细的晶粒度。表1然后，对上述实心棒材进行淬火和回火的热处理。热处理和机械性能要求如下：热处理制度是淬火+回火。1)淬火温度：850+/-10℃，油淬。2)回火温度：200+/-10℃，达到回火温度后至少保温2小时。达到的机械性能要满足以下表2中的数值：表2对奥氏体晶粒度要求晶粒度标准依照ENISO643进行检测，经最终热处理，奥氏体晶粒度要求达到6级或更细，且不允许存在1级或2级的晶粒。此外，在淬透性方面依照ISO642方法进行试验，结果要求满足以下表3中的数据：距淬火端距离(mm)511203040硬度(HRC)40-5037-4730-4030-4030-40表3对于非金属夹杂要求依照标准ISO4967A法评估每炉产品的显微夹杂物，评估面积200mm2。显微夹杂物评级满足以下表4的要求：表4经上述要求得到的20CrMnMo钢的金相图如图1所示。按照上述标准得到的原材料棒料，制作成标准齿轮后通过脉动式齿根弯曲疲劳试验可以验证其齿根弯曲疲劳极限达到400MPa。综上，本发明从原材料出发对其轧制锻造比、热处理方式、化学成分、晶粒度、淬透性、非金属夹杂等方面做出了严格要求，从源头上提高了20CrMnMo的质量，提高了齿根弯曲疲劳强度，并通过脉动式齿根弯曲疲劳试验验证了材料强度，最终得到的齿根弯曲疲劳极限达到400MPa。本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。当前第1页1 2 3