一种CrMo系齿轮钢及其制备方法与用途与流程

本发明属于合金钢，涉及一种低碳合金齿轮钢，尤其涉及一种crmo系齿轮钢及其制备方法与用途。

背景技术：

1、汽车变速箱齿轮常用crmo系低碳合金齿轮钢加工。由于近年来汽车对运转噪音、振动、疲劳强度等要求逐渐严格，对齿轮钢的性能指标也越来越高，其中淬透性带宽是衡量齿轮钢钢材品质的最为重要技术指标，直接决定了齿轮热处理后的变形量大小及变形方向的一致性，进而影响齿轮运转噪音nvh、疲劳强度等要求。

2、cn109321712a公开了一种高淬透性渗碳齿轮用20crnib钢，该种类钢在20cr材料基础上，提高cr、mn含量，添加b、ni、nb元素，提高了材料的强度和淬透性，该种钢的成分中含有多种贵金属元素，增加了制造过程的复杂度，未能实现更窄的淬透性带宽。

3、cn115679198a公开了一种crmo系齿轮钢及其制造方法，该种类钢的成分中添加量了nb、al、n、ti和ca多种元素，通过元素间的协同作用实现了对crmo系齿轮钢性能的提升，但仅将crmo系齿轮钢的淬透性带宽控制在4hrc左右，晶粒度在6.0级。

4、cn106566998a公开了一种crmo系齿轮圆钢，该钢种不需要添加大量的cr、ni、mo元素，通过适当提高c、mn含量，大幅降低mo、cr含量，实现了对crmo系齿轮钢淬透性的提升，但其淬透性带宽较大。

5、因此，针对现有技术不足，需要提供一种工艺流程简单，淬透性带宽进一步窄化的crmo系齿轮钢。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种crmo系齿轮钢及其制备方法与用途，所述crmo系齿轮钢根据c、mn、cr、mo等元素对钢性能的影响采用合理元素配比方案，严格控制成分稳定性，得到的钢材质地均匀，晶粒细致，淬透性带宽较窄。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种crmo系齿轮钢，以质量百分数计，所述crmo系齿轮钢的成分包括：c：0.20-0.22％，si：0.20-0.30％，mn：0.60-0.70％，p≤0.020％，s≤0.020％，cr：1.00-1.10％，ni≤0.30％，cu≤0.20％，al：0.020-0.030％，mo：0.18-0.22％，b≤3ppm，余量为fe及不可避免的杂质。

4、本发明提供的crmo系齿轮钢采用合理的成分配比，得到的齿轮钢具有均匀细小的晶粒组织，具有较窄的淬透性带宽。

5、钢中的c元素能够使渗碳层充分硬化，并使齿轮钢在淬火后心部的硬度能够支撑表层载荷，并与钢中其它合金元素协同作用，提升钢材的淬透性。本发明所述crmo系齿轮钢中c为0.20-0.22wt％，例如可以是0.20wt％、0.205wt％、0.21wt％、0.215wt％或0.22wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

6、si是钢中固溶于铁中的常存元素，是铁素体强化元素，主要用于提高过冷奥氏体在中温区的稳定性，si含量过高会对材料的疲劳性能产生不利影响。本发明所述crmo系齿轮钢中si为0.20-0.30wt％，例如可以是0.20wt％、0.22wt％、0.24wt％、0.26wt％、0.28wt％或0.30wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

7、mn元素是炼钢过程中良好的脱硫剂和脱氧剂，可以与s形成mns，能消除或减弱s与fe反应而引起的钢的热脆性，此外，mn与fe可以形成固溶体，强化铁素体和奥氏体，起到细化晶粒的作用，mn与cr综合作用时能显著提高淬透性。本发明所述crmo系齿轮钢中mn为0.60-0.70wt％，例如可以是0.60wt％、0.62wt％、0.64wt％、0.66wt％、0.68wt％或0.70wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

8、向钢中添加cr元素能够提高钢的淬透性并具有二次硬化作用，使钢在淬火回火后具有良好的综合力学性能，同时，cr与c可以形成铬碳化合物，提高齿轮表面耐磨性。本发明所述crmo系齿轮钢中cr为1.00-1.10wt％，例如可以是1.00wt％、1.02wt％、1.04wt％、1.06wt％、1.08wt％或1.10wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、钢中添加mo元素可以使钢材晶粒细化，防止回火脆性，增加回火抗力，与cr元素发生交互作用对钢材淬透性影响十分显著。本发明所述crmo系齿轮钢中mo为0.18-0.22wt％，例如可以是0.18wt％、0.19wt％、0.20wt％、0.21wt％或0.22wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、al是强脱氧元素，能够显著细化晶粒，本发明所述crmo系齿轮钢中al为0.02-0.03wt％，例如可以是0.02wt％、0.022wt％、0.024wt％、0.026wt％、0.028wt％或0.03wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、b为残余元素，b作为表面活性元素可以吸附在奥氏体晶界上，有利于形成马氏体，在含量很低时会显著增加钢的淬透性。本发明所述crmo系齿轮钢中控制b的含量≤3ppm。

12、p、s一般为钢中有害元素，其含量增加会降低钢材的塑形及韧性。本发明所述crmo系齿轮钢中控制p的含量≤0.020wt％，s的含量≤0.020wt％。

13、本发明所述crmo系齿轮钢中控制ni的含量≤0.30wt％，cu的含量≤0.20wt％。

14、优选地，所述crmo系齿轮钢的晶粒度≥7.0级。

15、优选地，所述crmo系齿轮钢的淬透性带宽≤4hrc。

16、一般普通齿轮钢淬透性带宽控制在12hrc范围内，更高要求一般可以控制在6hrc范围内，本发明根据钢中各元素对淬透性的影响合理调配元素配比方案，并严格控制成分的稳定性，实现将淬透性带宽控制在4hrc以下，在其他过程正常稳定控制的情况下，生产出的成品满足使用要求。

17、第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的crmo系齿轮钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

18、(1)对铁水依次进行转炉炼钢、lf钢包精炼与vd真空精炼，得到齿轮钢用钢水；

19、(2)对步骤(1)所得齿轮钢用钢水依次进行方坯连铸与棒材轧制，得到crmo系齿轮钢。

20、钢中成分元素的配比、不同炉次的波动性控制及制备过程中的参数设定是决定钢材淬透性带宽的关键控制点。

21、优选地，步骤(1)所述转炉炼钢中加入第一合金。

22、优选地，所述第一合金包括中碳锰铁、中碳铬铁、硅铁合金或钼铁中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括中碳锰铁与中碳铬铁的组合，硅铁合金与钼铁的组合，中碳锰铁、中碳铬铁与硅铁合金的组合，或，中碳锰铁、中碳铬铁、硅铁合金与钼铁的组合。

23、优选地，步骤(1)所述lf钢包精炼的时间≥53min，例如可以是53min、54min、55min、56min、57min、58min、59min或60min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

24、延长精炼时间可以促进钢水净化，提高成分与温度的均匀性。

25、优选地，步骤(1)所述lf钢包精炼中加入造渣料和第二合金。

26、优选地，所述造渣料包括精炼渣、碳化硅或石灰中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括精炼渣与碳化硅的组合，碳化硅与石灰的组合，或，精炼渣、碳化硅与石灰的组合。

27、优选地，所述第二合金包括中碳锰铁、中碳铬铁、硅铁合金或钼铁中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括中碳锰铁与中碳铬铁的组合，硅铁合金与钼铁的组合，中碳锰铁、中碳铬铁与硅铁合金的组合，或，中碳锰铁、中碳铬铁、硅铁合金与钼铁的组合。

28、在lf钢包精炼过程中实现mn、cr、mo元素窄成分控制，达到元素含量浮动在0.02wt％之内；并使用低硼合金，将钢水中b含量控制在3ppm以下。

29、优选地，步骤(1)所述vd真空精炼中加入第一覆盖剂和第三合金。

30、优选地，所述第一覆盖剂包括碳化稻壳。

31、优选地，所述第三合金包括碳线和/或硅钙线。

32、在vd真空精炼工艺中进行钢水中c和al成分微调，将c元素含量的浮动控制在0.005wt％之内，提高钢材淬透性，并使晶粒度均匀细化。

33、优选地，步骤(2)所述方坯连铸中加入第二覆盖剂和保护渣。

34、优选地，所述第二覆盖剂包括中包覆盖剂和/或碳化稻壳。

35、优选地，所述保护渣包括低碳保护渣。

36、优选地，步骤(2)所述方坯连铸中钢水过热度为20-35℃，例如可以是20℃、23℃、25℃、28℃、30℃、32℃或35℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

37、优选地，步骤(2)所述方坯连铸包括结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。

38、优选地，所述结晶器电磁搅拌的电流为200-300a，例如可以是200a、220a、240a、260a、280a或300a，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

39、优选地，所述结晶器电磁搅拌的频率为2-4hz，例如可以是2hz、2.5hz、3hz、3.5hz或4hz，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

40、优选地，所述末端电磁搅拌的电流为380-700a，例如可以是380a、400a、500a、600a或700a，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

41、优选地，所述末端电磁搅拌的频率为6-10hz，例如可以是6hz、7hz、8hz、9hz或10hz，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

42、在方坯连铸工艺中，通过控制结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌的参数，可以促进等轴晶形核，避免发达的柱状晶，均匀化组织和成分；同时，控制钢水过热度在20-35℃，过热度受控，降低齿轮钢偏析程度。

43、第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的crmo系齿轮钢的用途，所述crmo系齿轮钢用于汽车变速箱齿轮。

44、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

45、本发明提供的crmo系齿轮钢通过成分中添加al为0.020-0.030wt％细化晶粒，达到晶粒度≥7.0级，淬透性带宽在4hrc以下。本发明提供的crmo系齿轮钢的制备方法，通过调控合理成分配比、电磁搅拌参数、钢水过热度和延长精炼时间，制备得到的齿轮钢具有较好的均匀性，得到均匀细化的晶粒度，晶粒度≥7.0级，淬透性带宽≤4hrc，工艺步骤简单，成本低。