专利名称：一种重载荷齿轮用钢的制作方法
技术领域：
本发明属于合金钢领域，特别涉及对渗碳淬火变形要求较严并且能够承受较重载荷的齿轮用钢。
背景技术：
随着车辆发动机功率的提高，要求传动系统能够承受更高的载荷。同时，为提高功率密度(单位体积的输出功率)，要求传动系统体积减小，因而对齿轮的承载能力提出了更高的要求。为提高齿轮的承载能力，齿轮材料往往采用合金元素含量较高的重载齿轮钢，如20Cr2Ni4和20CrNi2Mo等。然而，这些重载齿轮钢都存在渗碳淬火变形大的缺点，结果往往导致齿轮后续加工难度大、加工后渗层厚度不均匀、尺寸精度难以保证、以及使用寿命短等问题。影响齿轮渗碳淬火变形的因素较多，其中以淬透性和晶粒度的影响较大。研究表明，降低淬透性和增加晶粒度级别都可以使齿轮渗碳淬火变形降低。不过，重载齿轮钢必须具有一定的淬透性，才能保证大截面齿轮能够淬透。因此，对渗碳淬火变形要求严格的重载齿轮钢，有必要采用细化晶粒的方法。
重载齿轮钢的晶粒细化主要依靠微合金化设计实现。通常采用的方法是控制Al和[N]的含量、或添加Ti和B等微合金化元素，这些方法冶炼工艺控制难度大、晶粒细化效果不稳定。日本专利JP2000-160288通过添加0.03-0.06％的Nb进行微合金化，使齿轮钢的渗碳温度提高到1050℃。最近国内也有研究表明，Nb微合金化在控制齿轮钢晶粒度方面具有显著的作用(杨林等。汽车工艺与材料，2004，(7)5-6)。但是，Nb微合金化重载齿轮钢及其在渗碳淬火变形控制等方面的研究至今未见报道。
另一方面，一些重载齿轮要求抗拉强度Rm高于1400MPa、冲击功Aku高于100J，同时还要求有较高的疲劳强度，包括齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。研究表明，降低[O]含量可以显著提高齿轮的疲劳性能，因此降低齿轮钢中的[O]含量才能确保齿轮钢的高承载能力。通过采用Al、Si、Mn等脱氧剂和真空脱氧，通常可以将齿轮钢中的[O]含量控制在20ppm以下。但是，对一些承载能力要求较高的齿轮钢来说，为确保承载能力，有必要进一步降低[O]含量，将其控制在15ppm以下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高抗拉强度、高冲击功、渗碳淬火变形小、易加工的重载齿轮用钢。
根据上述目的，本发明所采取的技术方案是(1)通过添加微合金化元素Nb，并保留一定的[N]，形成Nb(C，N)以阻止渗碳时奥氏体晶粒的长大，从而保证小的淬火变形和高的韧性；(2)C含量控制在0.2％左右，并通过添加Cr、Ni、Mo、V等元素可以保证足够淬透性，使抗拉强度高于1400MPa；(3)添加RE可以保证获得低的[O]含量，确保重载时的疲劳强度；(4)降低Si、Mn等易氧化元素含量和P、S等杂质元素含量，以进一步提高渗碳层和基体的韧性。
本发明钢的具体化学成分(重量％)为C 0.17％-0.25％，Si 0.05％-0.15％，Mn 0.2％-0.5％，P≤0.015％，S 0.002％-0.01％，Cr 1.4％-2.5％，Ni 1.5％-4.0％，Mo 0.1％-0.8％，Nb 0.03％-0.15％，RE 0.001％-0.05％，Al 0.015％-0.06％，[N]0.005％-0.03％，[O]≤0.0015％，余为Fe及不可避免的不纯物。还含有＜0.2％的V。
各元素的作用及配比依据如下C经淬火、低温回火后，为获得所需的强度(＞1400MPa)，C含量必须在0.17％以上，但过多的C含量会使韧性降低，并显著提高淬透性，使齿轮渗碳淬火变形加大，因此C含量控制在0.17-0.25％。
Si脱氧剂，冶炼时加入。但使渗碳层容易氧化，从而降低渗碳层韧性，使齿轮疲劳强度降低、承载能力下降。因此，为保证脱氧效果和改善渗层韧性，Si含量应控制在0.05-0.15％。
Mn脱氧和脱硫的有效元素，冶炼时加入。但与Si类似，使渗碳层容易氧化，从而降低渗碳层韧性，使齿轮疲劳强度降低、承载能力下降。因此，为保证脱氧效果和改善渗层韧性，Mn含量应控制在0.20-0.50％。
P在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而不利于齿轮承载能力的提高，因此P含量应控制在0.015％以下。
S不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而不利于齿轮承载能力的提高。S含量低于0.002％时，对加工性能不利。因此，S含量应控制在0.002-0.010％。
Cr能够有效提高钢的淬透性，以获得所需的强度。为确保大截面重载齿轮淬透，应不低于1.40％，但Cr含量超过2.50％时会恶化钢的冷加工性能。因此，Cr含量应控制在1.40-2.50％。
Ni能够有效提高钢的淬透性和改善低温韧性。低于1.50％时难以起到上述作用，但含量超过4.00％时会使渗碳层残余奥氏体含量增加，恶化渗碳层性能。因此，Ni含量应控制在1.50-4.00％。
Mo能够同时有效提高基体和渗碳层的淬透性，并能强化晶界。低于0.10％时难以起到上述作用，但含量超过0.80％时以上作用增加不明显，并且成本较高。因此，Mo含量应控制在0.10-0.80％。
V以细小的碳(氮)化物形成存在时，能够细化晶粒，从而减小变形和改善韧性；以固溶形式存在时，能够提高淬透性，从而提高强度。适量加入可以改善性能，高于0.20％时易形成大颗粒碳(氮)化物，反而使韧性下降，并有可能影响疲劳强度。因此，如添加，V含量应控制在0.20％以下。
Nb形成碳氮化物能够细化晶粒，从而有效降低渗碳淬火变形，并提高韧性。低于0.03％时以上作用不明显，高于0.15％时作用增加不明显，达到饱和。因此，Nb含量应控制在0.03-0.15％。
RE脱氧和脱硫，并且使夹杂物变形，从而能够提高钢的韧性，保证齿轮的疲劳强度和高的承载能力。低于0.001％时以上作用不明显，高于0.050％时作用增加不明显，达到饱和。因此，RE含量应控制在0.001-0.050％。
Al能有效脱氧和细化晶粒，含量低于0.015％时以上作用不明显，高于0.060％时作用增加不明显，且可能形成粗大的氧化铝夹杂物，恶化钢的韧性。因此，Al含量应控制在0.015-0.060％。
与Nb、V、Al等结合形成化合物，从而细化晶粒和降低渗碳淬火变形，但也会偏聚晶界而降低晶界强度。含量低于0.005％时晶粒细化作用不明显，高于0.030％时不利作用明显。因此，[N]含量应控制在0.005-0.030％。
有害气体，严重降低疲劳性能，影响齿轮承载能力。通过多种手段应将[O]含量控制在0.0015％以下。
本发明采用与现有技术相近似的制备方法本发明可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼，并可再经真空脱气处理，然后浇注成钢锭或连铸成坯，经开坯后轧制或锻造成棒材等产品。
本发明与现有技术相比具有高抗拉强度、高冲击功、渗碳淬火变形小、易加工的优点。上述优点具体如下与现有重载齿轮用钢种20Cr2Ni4和20CrNi2Mo等相比，本发明钢不但抗拉强度和承载能力高，而且渗碳淬火变形小，从而大大降低后续加工工艺的难度。其抗拉强度高于1400MPa、冲击功高于100J、变形率≤2.65。
具体实施例方式
实施例根据上述所设计的化学成分范围，在50kg感应炉上冶炼了9炉(炉号1-9)本发明钢和2炉对比钢(炉号10-11)，此外还有2炉(炉号12-13)经EAF+LF+VD冶炼的商业重载齿轮钢，其具体化学成分如表1所示。钢水浇注成锭，并经锻造制成棒料。试样加工前经900℃、30分钟正火处理，然后加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm、夏比V型缺口冲击试样(10mm×10mm×55mm)、变形试样的毛坯和进行试样(φ10mm×25mm)。拉伸试样和冲击试样经860℃保温油淬、170℃回火4小时后加工成最终尺寸，并按国标进行相应试验，其力学性能如表2所示。
金相试样和变形试样经930℃、3小时渗碳后空冷，再经650℃、4小时高温回火，然后再加热到860℃、0.5小时油淬，最后经170℃、4小时低温回火后空冷。经热处理后，试样的表面硬度在HRC60左右，渗碳层深度为0.8-1.2mm，渗碳层碳化物为1级，马氏体及残余奥氏体为1-2级。通过测定变形试样缺口处距离大小的变化，以变形率R来表征淬火变形的程度，其定义如下R＝(D-D0)/D0×100％式中R为变形率，D0和D分别为处理前后试样缺口处距离。变形率结果和奥氏体晶粒度结果也列在表2中。
从表2结果中可以看出，本发明钢的抗拉强度在1400MPa以上，并且冲击韧性在100J以上，高于20Cr2Ni4和20CrNi2Mo钢。在相同的渗碳淬火回火条件下，其变形率显著低于20Cr2Ni4和20CrNi2Mo钢，还不到20Cr2Ni4钢的一半。
表1实施例和对比钢的化学成分，重量％
表2实施例和对比钢的力学性能、晶粒度级别和变形率
权利要求
1.一种重载荷齿轮用钢，其特征在于该钢的具体化学成分(重量％)为C 0.17％-0.25％，Si 0.05％-0.15％，Mn 0.2％-0.5％，P≤0.015％，S 0.002％-0.01％，Cr 1.4％-2.5％，Ni 1.5％-4.0％，Mo 0.1％-0.8％，Nb 0.03％-0.15％，RE0.001％-0.05％，Al 0.015％-0.06％，[N]0.005％-0.03％，[O]≤0.0015％，余为Fe及不可避免的不纯物。
2.根据权利要求1所述的重载荷齿轮用钢材料，其特征在于还含有＜0.2％的V。
全文摘要
本发明属于合金钢领域，特别涉及对渗碳淬火变形要求较严并且能够承受较重载荷的齿轮用钢。该钢的具体化学成分(重量％)为C 0.17％－0.25％，Si 0.05％－0.15％，Mn 0.2％－0.5％，P≤0.015％，S 0.002％－0.01％，Cr 1.4％－2.5％，Ni 1.5％－4.0％，Mo 0.1％－0.8％，Nb 0.03％－0.15％，RE 0.001％－0.05％，Al0.015％－0.06％，[N]0.005％－0.03％，[O]≤0.0015％，余为Fe及不可避免的不纯物。还含有＜0.2％的V。本发明与现有技术相比具有高抗拉强度、高冲击功、渗碳淬火变形小、易加工的优点。
文档编号F16H55/06GK1861830SQ20061008937
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者王毛球, 时捷, 惠卫军, 董瀚 申请人:钢铁研究总院