CN102400052B - 窄淬透性齿轮钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种窄淬透性齿轮钢，它含有以下质量百分比的组份：C：0.18%~0.22%，Si：0.20%~0.30%，Mn：0.90%~1.15%，P：≤0.030%，S：≤0.030%，Cr：1.00%~1.35%，Ti：0.04%~0.08%，B：0.004%~0.005%，W：0.025%~0.038%，[O]：≤11.5×10-6，[H]：≤1.5×10-6，[N]：35×10-6~45×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质；一种窄淬透性齿轮钢的制备方法，它包括以下步骤：1）顶底复合吹炼转炉初炼；2）钢包脱氧合金化；3）LF精炼；4）RH精炼；5）连铸；与现有技术相比，本发明具备较好的耐磨性和耐高温性，又具备较高的淬透性和较窄的末端淬透性的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，特别是涉及一种窄淬透性齿轮钢的制备方法。
背景技术
齿轮钢具有高碳的耐磨表层和低碳的高强韧性心部，以使其能承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损，该钢种在应用时，通常应满足加工性和使用性两个方面的基本要求。高性能齿轮钢研制和开发正日益受到重视。
齿轮钢是汽车材料中用量较大，要求较高的关键材料之一，它不仅影响车辆寿命，能耗等技术经济指标，而且对于满足安全、环保及舒适要求也至关重要。我国汽车工业的蓬勃发展，不仅使齿轮钢产量有大幅度提高，而且对其质量的要求也越来越高，促进了汽车材料的升级换代。节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车工业技术发展的总趋势，汽车工业发展对零件发展的要求是节约合金（Cr、Ni、Mo等元素）资源，这就需要从设计上开发最经济的齿轮钢，能够满足轻、中、重型汽车齿轮的性能要求。为了提高汽车的安全性和可靠性，对齿轮钢的淬透性、非金属夹杂物、氧含量、显微组织等都提出了越来越高的要求。
目前，评价高质量的齿轮钢主要表现在四个方面：一、末端淬透性带窄，离散度小（一般水平6~8HRC，先进水平4~6HRC）；二、纯洁度高（一般水平全氧≤20ppm，先进水平全氧≤15ppm)；三、晶粒度细小均匀（一般水平为5级，先进水平为6级）；四、加工性能好。
但现有技术齿轮钢的末端淬透性带宽，如：中国专利申请号为201110156328.9，申请日为2011年6月10日，发明创造名称为：一种高强高韧耐蚀高温轴承齿轮钢及制备方法的专利申请，该专利申请公开的轴承齿轮钢化学元素重量百分配比为：C：0.10%～0.22%，Mn：≤0.5%，Si：≤0.5%，Cr：12.0%～15.0%，Ni：1.50%～3.00%，Mo：4.00%～6.00%，V：0.50%～0.90%，Co：12.0%～15.0%，W：0.30%～2.00%，Nb：0.02%～0.08%，其中：V/Nb：25～35，Mo/W：6～12，Co/Mo：2～3，Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb≤52%，40C+2Mn+4Ni+30N+2Co≥42%，[O]+[N]+[H]≤0.0040%，余量为Fe及不可避免的杂质；工艺过程为：成分配比与控制→真空冶炼→钢锭热加工成材→钢材表面硬化处理→钢材热处理，虽然可以满足服役过程中承受高温及腐蚀环境作用的轴承齿轮钢的要求，但是，末端淬透性较宽，且Cr的含量较高，进而使得生产成本较高。
发明内容
本发明为解决以上技术问题是，提供一种既具备较好的耐磨性和耐高温性，又具备较高的淬透性和较窄的末端淬透性的窄淬透性齿轮钢。
为实现本发明目的，本发明所用的技术方案是：提供一种可制备纯净度较高、晶粒均匀性较好、晶粒细小及末端淬透性较好的窄淬透性齿轮钢的制备方法，它包括以下步骤：
1）顶底复合吹炼转炉初炼
从高炉加入转炉的铁水成分为：C：3.80%~4.80%，Si：0.50%~0.70%，Mn：0.40%~0.60%，P≤0.12%，S≤0.012%，其余为铁和不可避免的杂质；铁水的温度为1330~1390℃；吹氧时间为14~16min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为13°~15°，出口马赫数M出值为2.0；终点放钢碳控制在0.08%～0.15%，控制转炉下渣，下渣时采用刺状挡渣球挡渣，钢包渣层厚度控制在55mm以下，出钢温度为1630~1670℃；
2）钢包脱氧合金化
脱氧采用铝锰和钛铁，并在放钢后期加顶渣石灰渣洗；
3）LF精炼（Ladle Furnace的简称，也称为钢包精炼）
LF精炼炉精炼临近结束时，喂入硼铁和钛铁的复合包芯线，控制钢中含有钨的质量百分比保持在0.025%~0.038%；
其中，吹氩：LF精炼过程全程吹氩，进站前期控制氩气为40~50L/min，中后期控制氩气为20L/min，后期软吹控制为10L/min；
脱氧、造渣脱硫：采用强脱氧剂Al沉淀脱氧加SiC粉扩散脱氧的复合脱氧方式，在LF精炼中后期，加入SiC粉；并在LF精炼炉精炼过程中或结束时，采用喂铝线的方法喂加铝，并在精炼工位取样分析[Al]sol，将终点TAl控制在0.020%~0.03%，Ca/Al的比值控制在0.1以上；
白渣操作：LF精炼炉采用白渣工艺，其中碱度为2.8~3.0，渣中（FeO+MnO）<4%，LF出站温度控制在1590~1605℃之间；
4）RH精炼（Ruhstahl hausen Process的缩写，炼钢的一种真空脱气方法，它利用真空罐底部两条插入钢液的耐火管，其中一条通以氩气，导致两管内的钢液产生密度差，从而使钢液在钢包与真空罐之间上下循环流动，发生脱气反应。）
精炼前先将真空室预热，且在精炼的间隙及精炼的过程中对真空室进行加热保温，钢包在RH工位的处理时间为30~35min，处理过程中循环钢液的当量次数为3次，循环流量为38~42t/min；
5）连铸
连铸全程采用无氧化保护浇注，大包采用密封垫及氩封，中间包选择T形的中间包，钢液在中间包的停留时间为9min；结晶器采用双侧孔浸入式水口，侧孔倾角为向下15°；结晶器的振动频率为300次/min，振幅为±4.5mm，负滑脱率为25%～40%；拉坯矫直装置采用五点矫直，拉速为1.38~1.40m/min，连铸机的圆弧半径为16.50m。
所述的步骤1）中喷孔夹角为14°。
所述的步骤1）中从高炉出来的铁水经过占铁水总质量20%的Mg和80%的CaO脱硫剂喷粉法脱硫处理后再进入转炉。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点或有益效果：
（1）由于在Cr-Mn-Ti系齿轮钢主体成分适当调整的前提下，利用钢中Ti元素固氮和细化晶粒的作用，以及在C、Cr、Mn等元素提高钢淬透性作用的基础上，添加了微量的B元素，B提高淬透性的作用机理为：对钢的淬透性起作用的是固溶硼，作用机理主要是硼在奥氏体晶界的偏聚；微量固溶硼即可强烈提高钢的淬透性；碳和氧、氮等元素对硼提高钢的淬透性作用有重要影响；利用多种元素的复合作用，显著提高并稳定钢的淬透性；同时还用替代部分Cr和Mn，B元素的价格要低于Cr元素和Mn元素的价格，因此使得本发明具有淬透性高和末端淬透性带窄，使用性能较高，且生产成本较低的优点。
（2）W成分中一方面起到固溶强化作用；另一方面，与Fe形成Fe2W，对钢产生强化作用，W具有较小扩散系数，可以抑制碳化物生成与凝聚，W抑制Fe2W粗大化，加入W可以提高钢耐磨性及高温性能，但随着加入W量的增大，生成碳化物不易扩散，这就降低了钢加工性能及钢的韧性，故本发明将W控制在0.025%~0.038%，使得本发明的齿轮钢在具有稳定的淬透性同时，还具有较高的耐磨性和高温性能。
（3）由于在放钢后期加顶渣石灰渣洗，则可提高钢包渣的碱度，进而提高渣的脱硫能力，同时还有利于吸附夹杂，进一步净化钢液，使得产品的纯净度更高，晶粒均匀性也更好。
（4）由于LF精炼炉中后期，加入SiC粉，则在保持炉渣的还原性的同时，利用生成的CO还原气体，减少在电弧加热时因钢水裸露在大气下发生二次氧化，使钢中氧含量进一步下降。
具体实施方式
下面结合具体实施实例说明，但本发明不限于以下具体实施实例。
实施例1
一种窄淬透性齿轮钢，它含有以下质量百分比的组份：
C（碳）：0.20%，Si（硅）：0.26%，Mn（锰）：1.02%，P（磷）：0.010%，S（硫）：0.008%，Cr（铬）：1.19%，Ti（钛）：0.06%，B（硼）：0.0045%，W（钨）：0.032%，[O]：11.0×10-6，[H]：1.2×10-6，[N]：40×10-6，其余为Fe（铁）和不可避免的杂质。
上述窄淬透性齿轮钢的制备方法，它包括以下步骤：
1）顶底复合吹炼转炉初炼：
高炉铁水经过占铁水总质量20%的Mg和80%的CaO脱硫剂喷粉法脱硫处理后再进入顶底复合吹炼转炉进行初炼；入顶底复合吹炼转炉的铁水成分为：C：4.2%，Si：0.60%，Mn：0.48%，P：0.098%，S：0.005%，其余为铁和不可避免的杂质，入转炉的铁水温度为1350℃；吹氧时间15min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为14°，出口马赫数M出取为2.0；终点放钢碳控制在0.11%，严格控制转炉下渣，采用刺状挡渣球挡渣，钢包渣层厚度控制在55mm以下，出钢温度控制为1650℃；
2）钢包脱氧合金化：
脱氧采用铝锰和钛铁，能有效脱除钢水中的氧，并且对炉渣也有一定的脱氧能力，放钢后期加顶渣石灰渣洗，以提高钢包渣的碱度，提高渣的脱硫能力，同时还有利于吸附夹杂，净化钢液；
3）LF精炼：
LF精炼炉精炼临近结束时，喂入硼铁和钛铁的复合包芯线，控制钢中含有0.032%的钨；
其中，吹氩：LF精炼过程全程吹氩，以利于成分均匀和非金夹杂物的去除，精确控制精炼各阶段的氩气流量，进站前期控制氩气为45L/min，中后期控制氩气为20L/min，后期软吹控制为10L/min；
脱氧、造渣脱硫：在炉渣还原性较好的LF炉中后期，加入SiC粉，保持炉渣的还原性，利用生成的CO还原气体，减少在电弧加热时因钢水裸露在大气下发生二次氧化；在钢包炉精炼过程中或结束时，采用喂铝线的方法，使钢中氧含量进一步下降；采用强脱氧剂Al沉淀脱氧加SiC粉扩散脱氧的复合脱氧方式，控制出钢前钢包中加人足量的脱氧铝，并在精炼工位取样分析[Al]sol，适量喂加铝，将终点TAl控制在0.025%，Ca/Al的比值控制在0.16；
白渣操作：LF炉采用白渣工艺，其碱度为2.9，渣中（FeO+MnO）为3.4%，进一步强化脱氧、脱硫，LF出站温度控制在1600℃；
4）RH精炼
精炼前先将真空室预热，且在精炼的间隙及精炼的过程对真空室进行加热保温，钢包在RH工位的处理时间为32min，处理过程中循环钢液的当量次数为3次，循环流量为40t/min；
5）连铸
连铸全程采用无氧化保护浇注，大包采用密封垫及氩封，中间包选择T形的中间包，钢液在中间包的停留时间为9min；结晶器采用双侧孔式浸入式水口，侧孔倾角为向下15°；结晶器的振动频率为300次/min，振幅为±4.5mm，负滑脱率为32%；拉坯矫直装置采用五点矫直，拉速取为1.39m/min，连铸机的圆弧半径为16.50m。
本实施例的一种窄淬透性齿轮钢中，在Cr-Mn-Ti系齿轮钢主体成分适当调整的前提下，添加微量B元素，B的含量为0.0045%，利用钢中Ti元素固氮和细化晶粒，以及在C、Cr、Mn等元素提高钢淬透性作用的基础上，添加微量B元素，利用多种元素的复合作用，显著提高和稳定钢的淬透性，并可用B替代部分Cr、Mn，具有淬透性高和稳定、带窄，使用性能高，且生产成本低的优点；同时，W在本发明中是钢的主要强化元素，一方面固溶强化，另一方面，形成Fe2W，对钢产生强化作用，W具有较小扩散系数，可以抑制碳化物生成与凝聚，W抑制Fe2W粗大化，加入W可以提高钢耐磨性及高温性能，本发明将W控制在0.032%，使得本发明的齿轮钢在具有稳定的淬透性同时，提高了钢得耐磨性及高温性能。
本实施例制得的齿轮钢通过热处理后，进行高倍检验，其带状组织为1.0级，末端淬透性的J9为44.9HRC，J15为40.9HRC，硬度为196。
实施例2
一种窄淬透性齿轮钢，它含有以下质量百分比的组份：
C：0.18%，Si：0.30%，Mn：0.90%，P：0.012%，S：0.010%，Cr：1.35%，Ti：0.04%，B：0.005%，W：0.025%，[O]：11.5×10-6，[H]：1.4×10-6，[N]：45×10-6，其余为Fe和不可避免的杂质。
上述窄淬透性齿轮钢的制备方法，它包括以下步骤：
1）顶底复合吹炼转炉初炼：
高炉铁水经过占铁水总质量20%的Mg和80%的CaO脱硫剂喷粉法脱硫处理后再进入顶底复合吹炼转炉进行初炼；入顶底复合吹炼转炉的铁水成分为：C：3.8%，Si：0.50%，Mn：0.40%，P：0.010%，S：0.095%，其余为铁和不可避免的杂质，入转炉的铁水温度为1330℃；吹氧时间14min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为13°，出口马赫数M出取为2.0；终点放钢碳控制在0.08%，严格控制转炉下渣，采用刺状挡渣球挡渣，钢包渣层厚度控制在55mm以下，出钢温度控制为1630℃；
2）钢包脱氧合金化：
脱氧采用铝锰和钛铁，能有效脱除钢水中的氧，并且对炉渣也有一定的脱氧能力，放钢后期加顶渣石灰渣洗，以提高钢包渣的碱度，提高渣的脱硫能力，同时还有利于吸附夹杂，净化钢液；
3）LF精炼：
LF精炼炉精炼临近结束时，喂入硼铁和钛铁的复合包芯线，控制钢中含有0.025%的钨；
其中，吹氩：LF精炼过程全程吹氩，以利于成分均匀和非金夹杂物的去除，精确控制精炼各阶段的氩气流量，进站前期控制氩气为40L/min，中后期控制氩气为20L/min，后期软吹控制为10L/min；
脱氧、造渣脱硫：在炉渣还原性较好的LF炉中后期，加入SiC粉，保持炉渣的还原性，利用生成的CO还原气体，减少在电弧加热时因钢水裸露在大气下发生二次氧化；在钢包炉精炼过程中或结束时，采用喂铝线的方法，使钢中氧含量进一步下降；采用强脱氧剂Al沉淀脱氧加SiC粉扩散脱氧的复合脱氧方式，控制出钢前钢包中加人足量的脱氧铝，并在精炼工位取样分析[Al]sol，适量喂加铝，将终点TAl控制在0.020%，Ca/Al的比值控制在0.11；
白渣操作：LF炉采用白渣工艺，其碱度为2.8，渣中（FeO+MnO）为3.8%，进一步强化脱氧、脱硫，LF出站温度控制在1590℃；
4）RH精炼
精炼前先将真空室预热，且在精炼的间隙及精炼的过程对真空室进行加热保温，钢包在RH工位的处理时间为30min，处理过程中循环钢液的当量次数为3次，循环流量为38t/min；
5）连铸
连铸全程采用无氧化保护浇注，大包采用密封垫及氩封，中间包选择T形的中间包，钢液在中间包的停留时间为9min；结晶器采用双侧孔式浸入式水口，侧孔倾角为向下15°；结晶器的振动频率为300次/min，振幅为±4.5mm，负滑脱率为25%；拉坯矫直装置采用五点矫直，拉速取为1.38m/min，连铸机的圆弧半径为16.50m。
本实施例制得的齿轮钢通过热处理后，进行高倍检验，其带状组织为1.0级，末端淬透性的J9为43.8HRC，J15为40.4HRC，硬度为194。
实施例3
一种窄淬透性齿轮钢，它含有以下质量百分比的组份：
C：0.22%，Si：0.20%，Mn：1.15%，P：0.016%，S：0.013%，Cr：1.00%，Ti：0.08%，B：0.004%，W：0.038%，[O]：10.8×10-6，[H]：1.44×10-6，[N]：35×10-6，其余为铁和不可避免的杂质。
上述窄淬透性齿轮钢的制备方法，它包括以下步骤：
1）顶底复合吹炼转炉初炼：
高炉铁水经过占铁水总质量20%的Mg和80%的CaO脱硫剂喷粉法脱硫处理后再进入顶底复合吹炼转炉进行初炼；入顶底复合吹炼转炉的铁水成分为：C：4.8%，Si：0.70%，Mn：0.60%，P：0.008%，S：0.008%，其余为铁和不可避免的杂质，入转炉的铁水温度为1390℃；吹氧时间16min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为15°，出口马赫数M出取为2.0；终点放钢碳控制在0.15%，严格控制转炉下渣，采用刺状挡渣球挡渣，钢包渣层厚度控制在55mm以下，出钢温度控制为1670℃；
2）钢包脱氧合金化：
脱氧采用铝锰和钛铁，能有效脱除钢水中的氧，并且对炉渣也有一定的脱氧能力，放钢后期加顶渣石灰渣洗，以提高钢包渣的碱度，提高渣的脱硫能力，同时还有利于吸附夹杂，净化钢液；
3）LF精炼：
LF精炼炉精炼临近结束时，喂入硼铁和钛铁的复合包芯线，控制钢中含有0.025%的钨；
其中，吹氩：LF精炼过程全程吹氩，以利于成分均匀和非金夹杂物的去除，精确控制精炼各阶段的氩气流量，进站前期控制氩气为50L/min，中后期控制氩气为20L/min，后期软吹控制为10L/min；
脱氧、造渣脱硫：在炉渣还原性较好的LF炉中后期，加入SiC粉，保持炉渣的还原性，利用生成的CO还原气体，减少在电弧加热时因钢水裸露在大气下发生二次氧化；在钢包炉精炼过程中或结束时，采用喂铝线的方法，使钢中氧含量进一步下降；采用强脱氧剂Al沉淀脱氧加SiC粉扩散脱氧的复合脱氧方式，控制出钢前钢包中加人足量的脱氧铝，并在精炼工位取样分析[Al]sol，适量喂加铝，将终点TAl控制在0.030%，Ca/Al的比值控制在0.19；
白渣操作：LF炉采用白渣工艺，其碱度为3.0，渣中（FeO+MnO）为2.5%，进一步强化脱氧、脱硫，LF出站温度控制在1605℃；
4）RH精炼
精炼前先将真空室预热，且在精炼的间隙及精炼的过程对真空室进行加热保温，钢包在RH工位的处理时间为35min，处理过程中循环钢液的当量次数为3次，循环流量为42t/min；
5）连铸
连铸全程采用无氧化保护浇注，大包采用密封垫及氩封，中间包选择T形的中间包，钢液在中间包的停留时间为9min；结晶器采用双侧孔式浸入式水口，侧孔倾角为向下15°；结晶器的振动频率为300次/min，振幅为±4.5mm，负滑脱率为40%；拉坯矫直装置采用五点矫直，拉速取为1.40m/min，连铸机的圆弧半径为16.50m。
本实施例制得的齿轮钢通过热处理后，进行高倍检验，其带状组织为1.0级，末端淬透性的J9为43.6HRC，J15为39.9HRC，硬度为195。
以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明不仅限于以上实施例还允许有其它结构变化，凡在本发明独立权要求范围内变化的，均属本发明保护范围。
Claims (3)
1.一种窄淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）顶底复合吹炼转炉初炼
从高炉加入转炉的铁水成分为：C：3.80%~4.80%，Si：0.50%~0.70%，Mn：0.40%~0.60%，P≤0.12%，S≤0.012%，其余为铁和不可避免的杂质；铁水的温度为1330~1390℃；吹氧时间为14~16min，氧枪喷头采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为13°~15°，出口马赫数M出值为2.0；终点放钢碳控制在0.08%～0.15%，控制转炉下渣，下渣时采用刺状挡渣球挡渣，钢包渣层厚度控制在55mm以下，出钢温度为1630~1670℃；
2）钢包脱氧合金化
脱氧采用铝锰和钛铁，并在放钢后期加顶渣石灰渣洗；
3）LF精炼
LF精炼炉精炼临近结束时，喂入硼铁和钛铁的复合包芯线，控制钢中含有钨的质量百分比保持在0.025%~0.038%；
其中，吹氩：LF精炼过程全程吹氩，进站前期控制氩气为40~50L/min，中后期控制氩气为20L/min，后期软吹控制为10L/min；
脱氧、造渣脱硫：采用强脱氧剂Al沉淀脱氧加SiC粉扩散脱氧的复合脱氧方式，在LF精炼中后期，加入SiC粉；并在LF精炼炉精炼过程中或结束时，采用喂铝线的方法喂加铝，并在精炼工位取样分析[Al]sol，将终点TAl控制在0.020%~0.03%，Ca/Al的比值控制在0.1以上；
白渣操作：LF精炼炉采用白渣工艺，其中碱度为2.8~3.0，渣中（FeO+MnO）<4%，LF出站温度控制在1590~1605℃之间；
4）RH精炼
精炼前先将真空室预热，且在精炼的间隙及精炼的过程中对真空室进行加热保温，钢包在RH工位的处理时间为30~35min，处理过程中循环钢液的当量次数为3次，循环流量为38~42t/min；
5）连铸
连铸全程采用无氧化保护浇注，大包采用密封垫及氩封，中间包选择T形的中间包，钢液在中间包的停留时间为9min；结晶器采用双侧孔浸入式水口，侧孔倾角为向下15°；结晶器的振动频率为300次/min，振幅为±4.5mm，负滑脱率为25%～40%；拉坯矫直装置采用五点矫直，拉速为1.38~1.40m/min，连铸机的圆弧半径为16.50m。
2.根据权利要求1所述的窄淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中喷孔夹角为14°。
3.根据权利要求1所述的窄淬透性齿轮钢的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中从高炉出来的铁水经过占铁水总质量20%的Mg和80%的CaO脱硫剂喷粉法脱硫处理后再进入转炉。
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