一种高耐磨齿轮钢的制造方法与流程

本发明涉及耐磨钢的制造方法，具体涉及一种硅含量较高的耐磨钢的制造方法。
背景技术：
：近来，随着汽车等工业的发展需要，提高齿轮的设计耐磨寿命，增加运转设备的稳定性及寿命，从而提高效率、降低成本成为行业发展的重要发展方向之一。从齿轮的设计角度都需要表面具有高硬度提高耐磨性，而芯部具有一定的韧性。齿轮钢通常采用中低碳设计，确保芯部的韧性，添加cr、mo、v、b一种或多种合金元素，以提高材料的淬透性。且后续热处理时将材料进行表面渗碳(实际可渗碳、渗氮或碳氮共渗，本文中统一用渗碳表述)处理，从而显著提高表面的耐磨性，又能确保芯部的韧性。表面渗碳处理时通常需要在高温条件下保持较长时间。硅可显著提高铁素体强度从而提高钢材强度及硬度，材料在后续渗碳淬回火后，淬硬层中由于有硅化物的存在，可极大提高其耐磨性。然而，硅是易氧化元素，并易在晶界处偏聚，在传统的渗碳热处理过程中，易造成硅的晶界氧化，恶化齿轮性能。为防止因表面渗碳时晶界氧化，传统的齿轮均采用中低硅设计。但随着技术提升、工装设备的进步，采用真空渗碳或保护性气氛可有效地避免硅造成的晶界氧化。此时，采用高硅设计，可显著提高齿轮耐磨性又不造成晶界氧化，其耐磨性达到了传统中低硅设计的数倍。且硅是一种相对廉价的合金元素，高硅设计能适当降低其他合金元素的添加，有利于降低材料生产成本。综上，设计一种高硅高耐磨齿轮钢具有广阔的市场前景。技术实现要素：本发明的目的是要提供一种更耐磨的齿轮钢的制造方法，采用提高si含量的组分设计。钢材热轧组织为铁素体+珠光体。由于齿轮加工时需要渗碳处理，本发明目的是在确保材料在渗碳淬火回火后具有优良的耐磨性，即接触疲劳寿命高本发明的技术方案为：一种高耐磨齿轮钢的制造方法，包括如下步骤(1)冶炼：钢水组分质量百分比为c：0.15～0.60％，si：0.50～1.3％，mn：0.50～1.2％，cr：0.60～1.5％，p：≤0.030％，s：≤0.035％，al：0.010～0.050％，n：0.008～0.025％，余量为fe及不可避免的杂质元素；(2)浇注：采用先进的末端电磁搅拌、轻压下先进装备工序，浇注过热度控制在10～40℃，将钢水浇注成钢坯；(3)轧制：将钢坯再加热使完全奥氏体化，出炉后高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为980～1100℃，采用12架二辊轧机+5架kocks三辊轧机依次进行中轧-预精轧-精轧；轧制过程中即要进行控冷，钢坯出中轧后进行水雾冷却，出预精轧后再次使用水雾冷却，然后进入kocks精轧，控制终轧温度在780～900℃，控制较低的终轧温度可以获得不稳定的奥氏体，在结合轧制过程中的控冷，均有降低奥氏体不稳定的作用，提高奥氏体的转变趋势，促进在冷却环节奥氏体的相变，使得相变能够在风冷条件下即可快速进行，无需使用水冷进行冷却进而也降低了因过冷造成组织不均匀的风险并明显减小了残余应力，对钢材渗碳淬回火后的疲劳性能极为有利。(4)冷却：轧制结束后，坯料在冷床上鼓风冷却，平均冷速控制在40～80℃/min(相当于的0.67～1.33℃/s)，减轻轧材的带状组织，提高组织均匀性，终冷温度为300～480℃，终冷之后材料空冷至室温，冷却过程中奥氏体全部顺利转变为铁素体和珠光体。优选地，冶炼该钢种时除了精确控制钢水成分之外，提高钢水纯净度也非常重要，纯净度越高对提高钢材接触疲劳寿命越有利。为了提高钢材纯净度，炼钢选用的铁水要提前脱硫脱磷处理。转炉或电炉冶炼时使用高纯高质合金，在钢水精炼过程中要加强脱氧以提高硅的收得率。优选地，步骤(3)钢坯采用步进式加热炉再加热，预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1180℃，均热段温度控制在1080～1200℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间2.5小时及以上。本发明钢材的各元素设计原理如下：si：0.50～1.3％。该元素为本发明的关键、核心元素。si可显著提高铁素体强度从而提高钢材强度及硬度，同时硅是易氧化元素，并易在晶界处偏聚，在传统的渗碳热处理过程中，易造成硅的晶界氧化，恶化齿轮性能。为防止因表面渗碳时晶界氧化，传统的齿轮均采用中低硅设计。但随着技术提升、工装设备的进步，采用真空渗碳或保护性气氛，可有效地避免硅造成的晶界氧化。此时，采用高硅设计，可显著提高齿轮耐磨性又不造成晶界氧化，其耐磨性达到了传统中低硅设计的数倍。且硅是一种相对廉价的合金元素，高硅设计能适当降低其他合金元素的添加，有利于降低材料生产成本。本发明中的钢材采用高硅设计，所以si范围设定为0.50～1.3％，si含量优选为0.80～1.2％。c：0.15～0.60％。该元素也是本发明的关键元素之一，本发明钢种在热轧状态下为铁素体加珠光体组织，而经过加工及渗碳淬回火热处理后，需确保表面为淬硬层，具有高硬度，而芯部又需要较好的韧性，为非淬硬组织。为了调和上述性能，本发明中的钢材c含量范围设定为0.15～0.60％，c含量优选为0.18～0.40％。p：≤0.030％。p在铸造凝固时会有较严重的微观偏析倾向，随后在加热时在晶界聚集，增加钢材脆性，特别是冷脆性能，且恶化材料的冷锻性。一般的钢材需尽可能地降低p含量，本发明中的钢材p含量范围设定为≤0.030％，p含量优选为≤0.020％。s：≤0.035％。s是易切削元素。当钢中含有一定量的mn时，易形成mns或者含mns的复合物，从而提高材料切削性能。但硫化物通常熔点较低，s含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材s含量范围设定为≤0.035％，s含量优选为0.005～0.025％。为了满足材料的强度、硬度、淬透性等综合性能，钢材又添入如下主要合金元素。mn：0.50～1.2％。mn作为脱氧剂作用的元素，适量的mn可不明显影响材料塑性的基础上提高钢材强度，添加一定量的mn对确保材料的力学性能非常重要。此外mn将钢中的s等结合形成硫化物，硫化物具有良好的塑性，在切削时发挥切口效应，提高材料切削性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材mn含量范围设定为0.50～1.2％，mn含量优选为0.70～1.0％。n：0.008～0.025％。n作为添加元素，在钢中优先与al结合，生成弥散细小的氮化铝，可有效地防止材料在渗碳时晶粒长大。n的添加量根据al的添加量而定，通常al/n＝1.5～2.5。本发明中的钢材n含量范围设定为0.008～0.025％，n含量优选为0.010～0.020％。cr：0.60～1.5％。cr元素增加淬透性，并且细化珠光体的片层间距，有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。本发明中的钢材cr含量范围设定为0.60～1.5％，优选为0.90～1.20％。al：0.010～0.050％。al作为脱氧元素，通过与钢中n等结合形成的aln可有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。但al含量过高，易形成al2o3或含al2o3复合夹杂物，从而恶化材料性能，特别是疲劳性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材al含量范围设定为0.010～0.050％。al含量优选为0.020～0.040％。本发明设计的齿轮钢为了调整淬透性，也可添加mo、ni、b等一种或多种合金元素。同时为了防止材料在渗碳过程中晶粒粗大化，可添加nb、ti、v等一种或多种合金元素，细化晶粒。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明特别添加含量较高的si，si能适当提高淬回火后钢中残余奥氏体的含量，从而提高钢的韧性，能有效吸收齿轮运转的热应力及机械应力，消除应力集中。在齿轮淬火后，如果韧性过低，导致在反复的加载力作用下，齿面容易引起微观剥落，并逐渐扩展，最终导致齿轮接触疲劳寿命下降即耐磨性的下降。适量的残余奥氏体在马氏体板条间的存在对马氏体板条起到分割细化作用，有利于提高钢的强度和韧性。si是非碳化物形成元素，回火过程中在碳周围富集，阻碍碳原子在铁素体中的继续扩散，从而阻碍碳化物的长大粗化。si还将替代部分铁原子固溶于а铁晶格，提高钢材的回火稳定性。本发明制备方法获得的齿轮钢，金相组织为均匀的铁素体+珠光体，屈服强度≥680mpa，抗拉强度≥900mpa，延伸率≥12％，面缩≥40％。该钢材制成的耐磨性试样测试的接触疲劳寿命为传统齿轮钢的3.8倍。钢材经过渗碳淬火回火后具有优良的耐磨性，即接触疲劳寿命高。附图说明图1为本发明实施例1中齿轮用钢的100倍金相照片；图2为本发明实施例1中齿轮用钢的500倍金相照片；图3为本发明实施例中接触疲劳试样的形状。具体实施方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1—3按下面步骤进行齿轮用钢的制造：1)冶炼：100吨铁包进行铁水预处理，之后100吨炼钢炉冶炼后进行炉外精炼，精炼过程中采用碳化硅和铝线进行强脱氧，精炼时对主要化学元素进行精确调控，钢液经真空脱气处理去除h，调节n至目标范围，真空脱气最大的作用是去除轻质杂质净化钢水。2)连铸：连铸成240mm×240mm的方坯，控制中间包过热度为10～40℃。为控制材料的偏析，连铸时则采用先进的末端电磁搅拌、连铸轻压下先进装备及工艺。所得连铸坯化学成分百分比见下表1所示：表1.(wt.％,余量为fe及其他不可避免的杂质元素)序号csimnpscral10.200.800.880.0150.0250.950.03520.180.900.850.0120.0181.120.03430.401.150.900.0090.0201.170.0293)加热：坯料在步进式加热炉中加热，包括预热段、第一加热段、第二加热段、均热段，其中预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1180℃，均热段温度控制在1080～1200℃，总加热时间2.5小时以上，出炉后高压水除鳞。4)热轧：开轧温度为980～1100℃，终轧温度为780～900℃，单相区内轧制，单道次最大压下量控制在20～30mm，采用12架二辊轧机+5架kocks三辊轧机轧制，轧制过程中进行控冷，材料出中轧后进行水雾弱冷，之后材料进行预精轧，出预精轧后再次使用水雾冷却，此时适当提高冷却强度，进入kocks精轧轧制成最终产品规格之间。5)冷却：钢材转移到冷床上，鼓风冷却，平均冷速控制在50～80℃/min，终冷温度为300～480℃，之后空冷至室温。各实施例的具体工艺参数如下表2所示：表2.(加热、热轧、冷却的具体工艺参数)对实施例1～3中的齿轮用钢进行测试，测得的接触疲劳寿命与力学性能如下表3所示：表3注：接触疲劳试样进行渗碳及淬回火后按说明书附图3取样加工并进行测试，按yb-t5345-2014进行检测，试样经过粗车→精车→毛坯热处理→粗磨→精磨，主样及陪样采用线接触的方式，试验时采用gb/t443中20号机油进行润滑，平均循环次数达到了6.5*107次，而同等试验条件下，对比钢种20mncr5的平均循环次数为1.7*107次，实施例齿轮钢的循环次数达到了对比钢种的3.8倍。测试结果在表3中。从表3中可见，实施例中的力学性能完全满足设计要求，说明材料屈服强度≥680mpa，抗拉强度≥900mpa，延伸率≥12％，面缩≥40％。该钢材渗碳淬回火后的接触疲劳性能显著。具有极好的耐磨性，属于一款高耐磨性齿轮用钢。图1、图2显示了实施例1齿轮用钢的微观结构。从图可知，该齿轮用钢的微观组织为均匀的铁素体+珠光体，非常均匀。尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12