一种具有优良切削性能的齿轮钢及其制造方法与流程

本发明涉及齿轮钢领域，尤其涉及一种具有优良切削性能的齿轮钢及其制造方法。

背景技术：

1、近年来，随着汽车、高铁等产业制造技术和材料生产技术的进步，市场对于汽车齿轮用钢也提出了更高的要求。

2、目前，国内外汽车用渗碳齿轮钢是在渗碳结构钢的基础上开发出来的，其主要有cr系、mn-cr系、cr-mo系、ni-cr-mo系、ni-cr系等齿轮钢。其中，mn-cr系齿轮钢已经成为国内轿车、轻型商用车的主要齿轮用钢。

3、在齿轮零件生产中，需要首先对齿轮钢材料进行渗碳淬火处理，而若材料的一致性较差，将会对渗碳淬火造成严重影响，导致最终齿轮零件质量较差；为了提升汽车齿轮零件及齿轮箱质量水平，对于齿轮用钢的质量稳定性与一致性要求也越来越严。齿轮在加工过程中需要经过大量切削加工，材料的切削性能将直接影响齿轮的加工成本。目前国内的齿轮加工企业大多装备了高速数控机床进行齿轮切削加工，因此，对材料的易切削性能提出了更高的要求，需要齿轮钢在具备优良的力学性能外，还要具备良好的切削加工性能。

4、目前在提高齿轮钢的易切削性能方面，通常采用向钢中添加一定的s元素来提高齿轮钢的切削性能。以切削性能为主的硫易切削钢，硫含量一般在0.20％～0.60％；以机械性能为主、切削性能为辅的易切削钢，含硫量在0.02％～0.13％。对机械零件用钢，当含硫量小于0.015％时，机械加工非常困难，机械加工经济性较差。迄今为止，现有技术对硫易切削钢进行了大量的研究，并取得了一定的进展。

5、例如，公开号为“cn109457183a”(公开日2019年3月12日)，主题为“一种低硫易切削齿轮钢及其制备方法”的中国专利申请公开了一种低硫易切削齿轮钢，其主要成分为：c：0.17～0.23％、si：0.17～0.37％、mn：0.80～1.15％、cr：1.00～1.35％、p：≤0.035％、s：0.020～0.040％、ti：≤0.04～0.10％、al：≤0.04％、o：≤20×10-4％，余量为fe及不可避免的杂质。

6、公开号为“cn105671434a”(公开日2016年6月15日)，主题为“一种含镁钙硫的20mncr易切削齿轮钢及其制备方法”的中国专利申请公开了一种含钙镁硫的20mncr易切削齿轮钢，其通过添加钙镁元素对夹杂物进行复合改质来提高钢材切削性能，其具体成分为c：0.15％～0.25％，si：≤0.12％，mn：0.80％～1.50％，p：≤0.035％，s：0.02％～0.055％，cr：0.80％～1.30％，al：0.015％～0.055％，n：0.004％～0.015％，mg：0.0006％～0.004％，ca：0.0006％～0.005％，o：≤0.0025％，余量为铁与不可避免的杂质。

7、公开号为“cn102703817a”(公开日2012年10月3日)，主题为“一种易切削齿轮钢及其生产工艺”的中国专利申请公开了一种易切削齿轮钢，其通过加入al、s元素，提高齿轮加工时的易切削能力，其具体成分为：c：0.14～0.22％、si：0.20～0.35％、mn：0.95～1.15％、cr：0.95～1.15％、al：0.020-0.060、p：≤0.035％、s：0.012-0.030％，余量是fe和不可避免的杂质。

8、公开号为“cn102080188a”(公开日2011年6月1日)，主题为“一种crnimo系易切削齿轮钢及其制造方法”的中国专利申请公开了一种crnimo系易切削齿轮钢，其具体成分为：c：0.17～0.23％，si：0.15～0.37％，mn：0.60～0.95％，cr：0.35～0.65％，ni：0.35～0.75％，mo：0.15～0.25％，p≤0.030％，s：0.010～0.040％，al：0.005～0.050％，ca/s：0.3～0.6；余量为fe和微量杂质。

9、尽管添加较高的s元素含量会改善齿轮钢的切削性能，但过高的s元素会导致齿轮钢偏析严重，对带状组织、淬透性带宽等指标产生不利影响，不利于高品质汽车齿轮的制造。基于此，有必要在现有易切削齿轮钢的基础上，采用多种易切削元素复合处理的方式来进一步提高齿轮钢的切削性能，以满足汽车齿轮行业的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种齿轮钢，其通过优化钢中多种易切削元素(例如sn、s、al、ca)的含量配比获得了提高的切削性能。本发明的齿轮钢具有优良的强度和韧性，其室温冲击功akv≥80j，同时相对于现有技术中的钢，在相同的切削工艺参数下，使用本发明钢的切削刀具的寿命可提升30％以上。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种具有优良切削性能的齿轮钢，其除包含90质量％以上的fe和不可避免的杂质之外，还包含以质量百分比计的下述化学元素：

3、c：0.16～0.24％，si：0.1～0.35％，mn：1.1～1.5％，s：0.015～0.035％，cr：0.95～1.35％，ni：0.01～0.2％；mo：0.01～0.15％；cu：0.01～0.2％；酸溶性al：0.015～0.04％，n：0.008～0.016％，sn：0.006～0.04％，ca：0.0015～0.0045％。

4、优选地，，本发明所述的齿轮钢包含以质量百分比计的如下化学元素：

5、c：0.16～0.24％，si：0.1～0.35％，mn：1.1～1.5％，s：0.015～0.035％，cr：0.95～1.35％，ni：0.01～0.2％；mo：0.01～0.15％；cu：0.01～0.2％；酸溶性al：0.015～0.04％，n：0.008～0.016％，sn：0.006～0.04％，ca：0.0015～0.0045％。余量为fe和不可避免的杂质。

6、在本发明所述的具有优良切削性能的齿轮钢中，各化学元素的设计原理如下所述：

7、c：c是钢中所必需的成分，同时也是影响钢的淬透性的最主要的元素之一；当钢中c元素含量过低时，钢材的强度不足，且不能保证良好的淬透性要求。但是钢中c元素含量也不宜过高，钢中c元素含量过高，会影响钢材的性能，导致钢材无法满足齿轮芯部对韧性的需求。因此，将c元素的质量百分含量控制在0.16～0.24％之间。

8、si：si能溶入铁素体，并强化铁素体，提高钢材的强度、硬度、耐磨性、弹性及弹性极限。但同时，钢中si元素含量不宜过高，当钢中si元素含量过高时，钢材的脆性会增加。因此，将si元素的质量百分含量控制在0.1～0.35％之间。

9、mn：mn是影响钢淬透性的主要元素之一，钢中添加适量的mn不仅可以极大增加钢的淬透性，还能够有效减低钢的韧性。此外，mn还能溶入铁素体，提高钢材的强度和硬度，并使钢材在热轧后冷却时得到片层较细、强度较高的珠光体。但是钢中mn含量同样不宜过高，钢中mn含量过高，会导致钢材的热塑性变差。因此，将mn的质量百分含量控制在1.1～1.5％之间。

10、s：s会显著降低钢的塑性和韧性，但一定含量的s可与mn、ca形成非金属硫化物夹杂，改善钢材的切削性能，在切削过程中起到润滑刀具、降低刀具磨损的效果。因此，综合考虑s对钢材性能的不利影响以及对切削性能的有益效果，将s的质量百分含量控制在0.015～0.035％之间。

11、cr：钢中添加适量的cr可以显著提高钢材的淬透性、强度以及耐磨性。同时，cr还可以防止加热、轧制和热处理过程中的脱碳，但是cr的含量过高会明显降低淬火及回火后钢材的韧性，形成粗大的沿晶界分布的碳化物。因此，将cr元素的质量百分含量控制在0.95～1.35％之间。

12、ni：ni在钢中以固溶体形式存在，可以强化铁素体并细化珠光体，改善钢的总体强度，对塑性的影响不显著。镍还可以有效提高钢的低温冲击性能，在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。但ni是贵重合金元素，ni含量过高会增加成本。因此，本发明中将ni的质量百分含量控制为0.01～0.2％之间。

13、mo：mo作为中强碳化物形成元素可以很大程度上阻碍碳化物的形核和生长，同时还可以有效提高淬透性，mo与mn的联用，又可以显著提高奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。mo元素能够延缓珠光体转变，促进针状铁素体组织的形成，通过添加适量的mo能够有效抑制带状组织的形成，但过高的mo会增加冶炼成本。因此，本发明中将mo的质量百分含量控制在0.01～0.15％。

14、cu：cu可以提高钢材的强度，有利于提高钢材的耐候性及耐腐蚀能力。但钢中cu元素含量不宜过高，如果钢中cu含量过高，其在加热过程中会富集在晶界，导致晶界弱化以致开裂。因此，本发明中将cu的质量百分含量控制为0.01～0.20％之间。

15、酸溶性al：al属于细化晶粒元素，其可以与n元素配合形成aln，从而可以进一步细化晶粒，提高钢材的强度和韧性。但钢中al元素含量不宜过高，当钢中al元素含量过高时，不仅容易增加钢中夹杂物产生的可能，影响钢的浇注性能，而且还会损害钢材的韧性。钢中的al元素主要以两种形式存在，一种为al的氧化物，不溶于酸；另一种为al的氮化物以及固溶于钢中的al，可以被酸溶解，称为酸溶性铝(alsol)，为钢中的有效al元素含量。因此，本发明将钢中酸溶性al元素的质量百分含量控制在0.015～0.04％之间。

16、n：n为间隙原子，其可以与钢中的al、nb微合金结合形成mn型析出物，在高温下能够钉扎晶界，从而抑制奥氏体晶粒长大。当钢中n元素含量较低时，形成的mn型析出物较少，所起到的钉扎作用不明显；当钢中n元素含量过高时，mn型析出物会在钢中过早析出富集生长，降低甚至抑制晶粒生长效果，降低钢材的韧性。因此，将n元素的质量百分含量控制在0.008～0.016％之间。

17、sn：sn会影响钢材质量，尤其是连铸坯质量，使钢产生热脆性、回火脆性，产生裂纹和断裂，影响钢的焊接性能。sn在晶界偏析，会阻止晶粒的生长，具有在夹杂物和缺陷附近偏聚的倾向。sn并不能改变钢中硫化物夹杂的形状，而是通过晶界和相界的偏析来提高脆性，改善钢材易切削性能。因此，将sn元素的质量百分含量控制在0.006～0.025％之间。

18、ca：钢中加ca能细化晶粒，部分脱硫，并改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，通过控制硫化物形态而改善各向异性，降低mns的长宽比，同时对氧化物进行包裹，改善材料的切削加工性能，提高钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能。钢中ca含量过高时会导致收得率下降，造成生产成本上升，因此，将ca元素的质量百分含量控制在0.0015～0.005％之间。

19、本发明的不可避免的杂质包含o元素，其在钢中大部分以氧化物的形态存在并与al、si、mn、ca等元素形成氧化物夹杂，对钢材的性能不利，因此应尽可能减少钢中氧含量，但过低的氧含量会增加生产成本，因此，将o元素的质量百分含量控制在0.0006～0.0016％之间。

20、优选地，在本发明所述的齿轮钢中，酸溶性al(alsol)、n、ca、s、sn元素的质量百分含量满足以下关系式(1)、(2)和/或(3)：

21、alsol/n＝2～3              式(1)；

22、s+0.6sn＝0.035～0.05％    式(2)；

23、ca/s＝0.1～0.25；         式(3)

24、式中alsol、n、ca、s、sn分别表示齿轮钢中对应元素的质量百分含量。

25、在本发明的上述技术方案中，本发明所述的具有优良切削性能的齿轮钢中，在控制钢中alsol、n的单一化学元素质量百分含量的同时，还进一步规定了这2种元素的配比关系，通过控制钢中酸溶性铝含量和n元素含量的比率alsol/n满足上述特定范围，可以促使钢中n元素充分形成足够的aln析出相来细化晶粒，抑制渗碳过程中奥氏体晶粒的长大。

26、此外，发明人还研究发现，钢中alsol/n值超过2以后，钢中可以形成的aln粒子数量主要由n元素含量决定，而钢中多余的alsol元素会提高aln粒子的析出温度。当alsol含量过高时会导致aln粒子在钢高温冷却过程中过早析出，形成大颗粒的析出物，降低aln细化晶粒的效果，因此在本发明的钢中控制alsol和n元素的质量百分含量满足：alsol/n＝2～3。

27、优选地，为了进一步提高本发明齿轮钢的切削性能，在本发明所述的齿轮钢中，s、sn元素的质量百分含量满足：s+0.6sn＝0.035～0.05％。

28、钢中的s元素主要与mn、ca元素形成硫化物夹杂，在切削过程中起到润滑刀具、降低刀具磨损功能；而通过控制钢中的sn元素含量，可使sn元素在晶界偏聚，提高晶界脆性，使切削加工过程中的切屑更易断裂，从而使钢材具有良好的切削性能，同时又能保证齿轮钢具有良好的冲击性能。由于钢中的s元素和sn元素在提高齿轮钢切削性能方面的机理不同，对提高齿轮钢切削性能的贡献权重也不尽相同。发明人经实验发现，通过进一步控制钢中s和sn元素的质量百分含量满足：s+0.6sn＝0.035～0.05％，能够得到最佳的切削性能，同时又能避免有害元素过多对齿轮钢的冲击和疲劳性能产生不利影响。

29、优选地，本发明通过控制ca/s比可以进一步控制钢中mns夹杂物的形态，由于钢中存在较高的al、s元素，通过对钢的ca处理控制mns夹杂物的形态至关重要。发明人通过实验研究发现，当ca/s比过高时，钢中的硫化物夹杂物多以点状、球状包裹在氧化物夹杂物周围，条状硫化物夹杂物较少且不均匀，对切削断屑的改善作用相对较弱。而当ca/s比过低时，硫化物呈细长条状，对氧化物夹杂物的包裹性较差会导致刀具易磨损，对齿轮钢的力学性能产生较大不利影响。当控制齿轮钢中的ca/s＝0.1～0.25时，齿轮钢中形成的mns夹杂物以良好的纺锤状或短棒状形成并包裹在氧化物夹杂物周围，并整体均匀地分散在钢组织中，可以达到最佳的切削断屑效果，切削性能最好。

30、优选地，本发明所述的齿轮钢根据gb/t 6394-2017评定的奥氏体晶粒度为7～8.5级。通过将齿轮钢的奥氏体晶粒度控制在上述范围内，可提升齿轮钢的冲击韧性和切削性能。当奥氏体晶粒度过大时，晶界密度降低，sn元素在晶界偏聚严重，导致齿轮钢冲击韧性降低；当奥氏体晶粒度过小时，晶界密度较高，sn元素晶界偏聚减弱，晶界脆性降低，切削时断屑效果较差。

31、优选地，本发明所述的的齿轮钢中的硫化物面积占比为0.3～1.0％，从而获得优良的切削性能。

32、优选地，本发明所述的齿轮钢，其室温冲击功满足akv≥80j，冲击性能测试是在室温下，按照gb/t 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准进行。

33、另一方面，本发明还提供了上述齿轮钢的制造方法，该制造方法生产简单，所制得的齿轮钢与同类型齿轮钢切削性能相比，在相同切削工艺参数下，刀具寿命提高30％以上。本发明的方法还具有工艺设计合理、工艺窗口宽松、易于实现批量商业化生产的优点。

34、本发明所述的制造方法，包括下述步骤：

35、1)对钢水进行冶炼、精炼、真空处理和连铸，获得铸坯；

36、2)对铸坯进行轧制，制得齿轮钢。

37、优选地，步骤1)中，对钢水进行电炉冶炼、lf精炼和vd真空处理。

38、在步骤1)的电炉冶炼中，装炉的原料为铁水和废钢，铁水质量百分比控制在30～60％，在电炉冶炼的全程造泡沫渣，以保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体的上浮。

39、优选地，步骤1)中，冶炼后控制最终的c质量百分含量为0.06～0.10％，以及钢水出钢温度为1640～1660℃。

40、在步骤1)的lf精炼中，将经过电炉冶炼的钢液注入lf炉进行精炼，并按规定成分比例加入硅锰、高锰、高铬等合金进行钢包合金化。

41、优选地，在步骤1)中，精炼出钢前，根据化学成分要求，采用终脱氧喂铝线控制钢中铝含量在0.015～0.035％，保证钢液纯净度。其后，喂入casi线，进行夹杂物变性处理，洁净钢水；对钢液成分和温度进行微调，保证钢的性能稳定和连铸工艺温度要求。

42、在步骤1)的vd真空处理中，对lf炉精炼后的钢液进行扒渣处理，其后，在vd炉进行真空脱气，在真空度小于67pa下强搅，强搅时间大于15分钟。

43、优选地，在步骤1)的真空处理后，按照化学成分要求喂入硫铁线，将钢中s含量控制在0.015～0.035％，并控制s和sn的质量百分含量满足：s+0.6sn＝0.035～0.05％。

44、优选地，在步骤1)的真空处理后，之后镇静钢水，镇静时间为12分钟以上，进一步补充al、ca、n，控制ca/s、alsol/n至分别满足如下：alsol/n＝2～3和ca/s＝0.1～0.25；待成分、温度合格后出钢。

45、优选地，在步骤2)中，采用全程保护气氛(例如n2、ar等惰性气体气氛)浇铸方式，以防止所述钢水二次氧化，同时采用低过热度浇注，控制中包钢水过热度在18～30℃，并在所述钢水结晶器和凝固末端采用电磁搅拌。

46、优选地，所述钢水的凝固末端采用轻压下，压下量为10～25mm，以减少铸坯内部偏析等缺陷，提高铸坯质量。

47、优选地，在步骤1)的连铸中，连铸拉速控制在0.5～0.8m/min，并控制恒定拉速。二冷水比水量为0.3～0.5l/ton。

48、“二冷水比水量”指连铸步骤中二次冷却各区段的单位重量钢水所使用的冷却水量，用l/ton表示。

49、优选地，在步骤1)的连铸中，通过连铸获得的铸坯热送到加热炉中或进缓冷坑进行缓冷后送入加热炉中。

50、优选地，在步骤2)中，将所述铸坯加热至1180～1250℃，保温3～8小时，以确保钢中的aln及mc型碳化物等能够全部溶解到钢中。

51、优选地，在步骤2)中，所述铸坯的开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃。

52、在本发明的制造方法中，经轧制后获得的齿轮钢，也可以在后续进行渗碳淬火、热处理、剥皮等常规处理。

53、相较于现有技术，本发明所述的齿轮钢及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

54、1.本发明所述的齿轮钢复合添加了s元素和sn元素，并控制ca/s比来控制钢中的硫化物夹杂形态比例，在通过alsol、n细化晶粒的基础上，结合晶界脆化元素sn的使用，使本发明的齿轮钢具备更优良的切削性能。

55、2.本发明所述的齿轮钢优化了主要元素含量，其具备较宽的上下限范围，并结合优化钢材制造工艺，可以有效避免加工过程中有害元素对齿轮钢加工性能的不利影响，得到质量和性能优良的易切削齿轮钢。

56、综上所述，本发明所述的具有优良切削性能的齿轮钢，其化学元素成分和制造工艺设计合理，生产工艺窗口宽松，易于实现批量商业化生产。