CN113652611A - 一种高铁齿轮钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁齿轮钢，以重量百分比计，包括：C 0.13％～0.16％，Si 0.23％～0.40％，Mn 0.40％～0.55％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 1.4％～1.6％，Ni 1.3％～1.5％，Mo 0.25％～0.35％，Al 0.015％～0.035％，N 0.005％～0.010％，B≤0.0004％，Ti≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。本发明还公开了一种高铁齿轮钢的制造方法，包括：冶炼具有所需元素组成的钢水；将钢水模铸成钢锭；锻造钢锭；热处理，随后冷却。本发明的高铁齿轮钢具有优异的力学性能、冲击韧性、淬透性性能，可以用于制造时速250公里、时速350公里高铁齿轮。

Description

一种高铁齿轮钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金钢材料技术领域，具体地，本发明涉及一种高铁齿轮钢及其制备方法，更具体地，本发明涉及用于制造时速250公里和时速350公里的高铁齿轮合金钢材料。

背景技术

我国铁路发展迅速、规模不断扩大，中国铁路营业里程达12.7万公里，其中高铁总里程已经达到2.5万公里，占全世界高铁总量的2/3。中国高铁经过近10年的“引进－消化－吸收－创新”，高速铁路产业取得了快速发展，然而，中国高端装备崛起的背后，也面临着核心关键部件落后的掣肘，长期以来，我国高铁列车用齿轮传动系统完全被德国和日本公司所垄断，近年关键部件-齿轮逐步实现了国产化，达到高铁国产化及走出去的重大需求。

齿轮箱作为高速动车组牵引系统重要传动设备，在运行过程中主要承受来自于线路激烈的冲击作用，相较国外已有高铁，我国高铁因南北温差大、跨度广、速度高、长时间运行等复杂多变工况，对齿轮传动系统的温度控制、振动、可靠性等都提出了更为苛刻的要求。因此齿轮作为动车组动力转向架齿轮箱的关键部件之一,其质量优劣直接决定高铁传动系统的稳定性和使用寿命。按要求，高铁齿轮钢要达到100亿周次疲劳寿命。制造的齿轮需满足30年/2400万公里全服役周期使用年限要求。结合中国使用环境，国产化高铁齿轮材料需具有高的强度、良好的韧性及符合梯度变化的优良淬透性能，并且还要在滚齿操作时易切削，因此各元素含量及合金化、残余元素的选择是关键。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的高铁齿轮钢及其制备方法。

具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种齿轮钢，以重量百分比计，包括：C 0.13％～0.16％，Si 0.23％～0.40％，Mn0.40％～0.55％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 1.4％～1.6％，Ni 1.3％～1.5％，Mo0.25％～0.35％，Al 0.015％～0.035％，N 0.005％～0.010％，B≤0.0004％，Ti≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

可选地，以重量百分比计，所述齿轮钢包括：C 0.14％～0.15％，Si 0.23％～0.26％，Mn 0.51％～0.53％，P≤0.004％，S≤0.002％，Cr 1.56％～1.57％，Ni 1.45％～1.49％，Mo 0.25％～0.26％，Al 0.023％～0.024％，N 0.0058％～0.0062％，B 0.0002％，Ti 0.0003％～0.0004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

一种齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)冶炼具有所需元素组成的钢水；

(2)将钢水模铸成钢锭；

(3)锻造钢锭；

(4)热处理，随后冷却。

可选地，步骤(1)进一步包括：EBT电炉冶炼，LF钢包精炼炉精炼，和VD真空脱气。

可选地，EBT电炉的出钢条件是：C≥0.06％，P≤0.010％；EBT电炉的出钢温度是1650～1690℃。

可选地，在LF钢包精炼炉精炼过程中，采用的渣系是c(CaO)≥55％，c(Al2O3)≥30％，c(SiO2)≤3％；LF白渣保持时间≥25分钟；LF出钢温度是1670℃～1690℃。

可选地，VD真空脱气是在不超过67Pa的真空度条件下保持大于等于20分钟；出钢温度是1570℃～1580℃。

可选地，在步骤(2)中，浇注过程全程吹氩气保护，开浇温度是1560℃～1570℃。

可选地，在步骤(3)中，终锻温度800℃～900℃，单边锻造变形量15％～25％。

可选地，在步骤(4)中，加热温度是650℃～700℃，保温时间是10～12小时。

相比于现有技术，本发明的高铁齿轮钢及其制备方法，至少具有如下有益效果：

通过对齿轮钢的元素及配比进行优化，并结合改进与完善之后的制造方法，使得制备得到的高铁齿轮钢有优异的力学性能、冲击韧性、淬透性性能，可以用于制造时速250公里、时速350公里高铁齿轮。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1显示了实施例2的齿轮钢的淬透性性能。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对目前高速动车组对齿轮箱用钢提出的新要求以及现有齿轮钢存在的不足，本发明的发明人进行了深入研究，从而创造性地提出了一种综合性能优良的齿轮材料，特别是一种强韧性匹配和淬透性性能优良的高铁齿轮用合金钢材料，以满足高铁齿轮箱的使用要求。此外，本发明的发明人还创造性的提出了该齿轮钢的制备方法。

本发明高铁齿轮钢的设计思路为：为满足国产化高铁齿轮的性能要求，以现有的17CrNiMo6钢为基体钢设计了成分，并复合添加适量的Al、N成分，根据高铁齿轮钢的使用特点，特别限制了残余B、Ti元素含量，设计出符合中国地域使用条件的高铁齿轮材料，保证材料的强韧性、淬透性良好。

基于上述发明构思，在本发明的第一方面提出了一种齿轮钢，以重量百分比计，包括：C 0.13％～0.16％，Si 0.23％～0.40％，Mn 0.40％～0.55％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 1.4％～1.6％，Ni 1.3％～1.5％，Mo 0.25％～0.35％，Al 0.015％～0.035％，N 0.005％～0.010％，B≤0.0004％，Ti≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

借助于上述各元素以及元素之间的配比关系，能够实现协同作用，具体如下：

C：在本发明的齿轮钢的成分体系中，C元素是控制强度与韧性的关键元素，在低C含量条件下，可获得良好的韧性水平，但C偏高时会显著降低韧性水平，因此，对于齿轮这种需要强韧性兼备、易切削的材料，应选择较低的C含量，C含量限定在0.13％～0.16％，例如，0.13％～0.14％、0.14％～0.15％、0.15％～0.16％等，例如，0.13％、0.14％、0.15％或0.16％等。

Si：Si是一种可以强化铁素体元素，主要起提高强度及屈强比作用，含量不高时对钢的韧性影响不大，当大于0.4％时才会显著降低韧性，因此，Si含量限定在0.23％～0.40％，例如，0.23％～0.25％、0.25％～0.30％、0.30％～0.35％、0.35％～0.40％等，例如，0.23％、0.25％、0.28％、0.30％、0.33％、0.35％、0.38％、0.40％等。

Mn：Mn作为冶炼时的脱氧、脱硫剂添加，可大幅提高纯净度，同时可以和Fe形成固溶体，进而提高钢的强度和硬度；适量的Mn能使晶界出现的渗碳体变小，从而提高材料的韧性。若添加量过大，会使强度和硬度变高。为淬透性曲线呈梯度，选择锰含量为：0.40％～0.55％，例如，0.40％～0.45％、0.45％～0.50％、0.50％～0.55％等，例如，0.40％、0.41％、0.42％、0.43％、0.44％、0.45％、0.46％、0.47％、0.48％、0.49％、0.50％、0.51％、0.52％、0.53％、0.54％或0.55％等。

Cr：Cr能显著提高钢的淬透性，但也增加钢的回火脆性。钢中铬的碳化物可以改善钢的耐磨性、耐蚀性。钢的强度随铬含量的增加而提高，但韧性、塑性有所降低。对淬透性的影响不大，为保切削性，钢中铬含量不应高。选择铬含量为Cr：1.4％～1.6％，例如，1.4％、1.5％或1.6％等。

Ni：Ni在提高钢强度的同时，对钢的韧性塑性以及其它工艺性能的损害较其它合金元素为小，甚至能改善钢的韧性。钢中镍与铁以不同形式存在于铁素体和奥氏体中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是冲击韧性，在此种材料中，当Ni含量≥1.5％时作用就不太明显，并且加入多时会增加材料成本，所以选择加入镍含量为1.3％～1.5％，例如，1.3％、1.4％或1.5％等。

Mo：Mo在钢中的主要作用是通过提高残余奥氏体分解温度来避免钢材产生回火脆性。此外，钼也可以提高钢的淬透性，从而提高钢的强度。钼的加入量为Mo：0.25％～0.35％，例如，0.25％～0.30％、0.30％～0.35％等，例如，0.25％、0.26％、0.27％、0.28％、0.29％、0.30％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％或0.35％等。

Al：Al与氧和氮有很强的亲和力，是炼钢时的脱氧定氮剂，还可强化本质晶粒，提高晶粒粗化温度，在钢中与N结合生成的AlN会在加热时具有较高稳定性，减弱钢的过热倾向，使材料的抗氧化性能得到改善。但是，过高的Al含量(≥0.050％)会导致材料冲击韧性和纯净度恶化，此种材料在制造齿轮的过程中要进行长时高温渗碳处理，因此本发明设计添加Al来提高高温稳定性，Al含量限定为0.015％～0.035％，例如，0.015％～0.020％、0.020％～0.025％、0.025％～0.030％、0.030％～0.035％等，例如，0.017％、0.019％、0.022％、0.024％、0.027％、0.029％、0.032％、0.034％等。

N：N可以与Al元素共同形成强化相AlN，少量添加可以提高高温抗氧化性，也可细化晶粒。但过量的N会使韧性降低，同时增加加工难度。根据生成AlN的Al、N之比，N含量限定为0.005％～0.010％，例如，0.005％、0.006％、0.007％、0.008％、0.009％或0.010％等。

P、S是钢中的有害元素，含量越低越好，应分别控制在0.015％及0.005％以下。

B：提高淬透性能力很强的元素，但高于0.003％时会产生硼相、沿奥氏体晶界析出，从而产生热脆，高铁齿轮因有滚齿工艺，淬透性不是越高越好，是要求一定的范围值，所以要控制≤0.0005％，优选≤0.0004％，更优选≤0.0002％。

Ti和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是固定钢中碳、氮的有效元素，但在高铁齿轮钢的生产过程中，如不控制钢中钛含量，钛在冶炼凝固过程中会与氮结合生成大颗粒氮化钛，这种氮化钛具有规则的外形，硬且脆，会在钢中形成裂纹源，将大大降低高铁齿轮钢的使用寿命，通过控制钢中Ti≤0.0005％且优选≤0.0004％(例如0.0003％～0.0004％)可保证钢中不形成氮化钛夹杂，有效提高使用寿命。

第二方面，本发明提供了一种齿轮钢的制备方法，包括冶炼、模铸、锻造和热处理的步骤。

作为一种优选的实施方案，本发明的齿轮钢的制备方法包括如下步骤：

(1)冶炼

在本步骤中，采用EBT电炉→LF钢包精炼炉+VD真空脱气工艺冶炼符合本发明高铁齿轮钢成分的钢水。

在进行EBT电炉冶炼时，EBT电炉的出钢条件应满足C≥0.06％，P≤0.010％；电炉出钢温度是1650℃～1690℃，例如，1650℃～1660℃、1660℃～1670℃、1670℃～1680℃或1680℃～1690℃等，例如，1652℃、1655℃、1658℃、1662℃、1665℃、1668℃、1672℃、1675℃、1678℃、1682℃、1685℃、1688℃等；EBT电炉采用留钢、留渣操作。

在进行LF钢包精炼炉精炼时，采用的渣系是CaO-Al₂O₃-SiO₂渣系，其中，重量含量满足：c(CaO)55％～60％(例如，55％、56％、57％、58％、59％或60％等)，c(Al2O3)≥30％，c(SiO2)≤3％。

在本发明中，对渣系的碱度进行了调整，在常规方法中，渣系的c(CaO)通过在55％以下，而在本发明中，将c(CaO)提高到了55％以上，借此，能够实现钢中的氧含量[O]≤15ppm，并且，非金属夹杂物C类≤0.5级、D类≤1.0级、DS≤1.0级。

LF白渣保持时间≥25分钟，例如25～90分钟，例如，根据生产节奏，可以是25～30分钟、30～35分钟、35～40分钟、40～45分钟、45～50分钟、50～55分钟、55～60分钟、60～65分钟、65～70分钟、70～75分钟、75～80分钟、80～85分钟、85～90分钟等；LF出钢温度：1670℃～1690℃，例如，1670℃、1675℃、1680℃、1685℃或1690℃等。

在VD真空脱气时，VD高真空度下(≤67Pa)保持时间≥20分钟，例如，在综合考虑LF出钢温度和钢包温降的条件下，VD高真空度下保持时间可以是20～25分钟，例如，20分钟、21分钟、22分钟、23分钟、24分钟、25分钟等。破空后(即真空处理结束之后)定H，脱氧目标：[H]≤1.0ppm。破空后加入Si-Ca线，喂线速度是2.0～2.5m/t，例如，2.0m/t、2.1m/t、2.2m/t、2.3m/t、2.4m/t或2.5m/t等。VD软搅拌时间≥15分钟，例如，在综合考虑破空后温度和规定的VD出钢温度的条件下，VD软搅拌时间可以是15～25分钟，例如，15分钟、18分钟、20分钟、22分钟、25分钟等。出钢温度：1570～1580℃，例如，1570℃、1571℃、1572℃、1573℃、1574℃、1575℃、1576℃、1577℃、1578℃、1579℃或1580℃等。

(2)模铸

对冶炼得到的钢水进行模铸，具体是采用氩封浇注，浇注过程全程吹氩气保护，开浇温度：1560℃～1570℃，例如1560℃、1561℃、1562℃、1563℃、1564℃、1565℃、1566℃、1567℃、1568℃、1569℃或1570℃等。

作为一个实例，采用5.8t钢锭浇注，浇注速度：锭身7-10分，帽口6-9分。

(3)锻造

对模铸得到的铸锭进行锻造处理。在锻造处理过程中，采用的加热温度是1200±20℃，加热时间是0.8～1.2min/mm，即以铸坯的厚度计，每毫米0.8～1.2min，例如，以铸坯的厚度计，每毫米0.8、0.9、1.0、1.1或1.2min。

在本步骤中，终锻温度是800～900℃，例如，800～810℃、810～820℃、820～830℃、830～840℃、840～850℃、850～860℃、860～870℃、870～880℃、880～890℃或890～900℃等；单边锻造变形量15～25％，例如，15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％等。

(4)热处理

对锻造得到的中间坯进行热处理，加热温度是680±20℃，保温时间是10～12小时，例如10小时、11小时或12小时等。加热处理之后，进行炉冷(例如采用60℃/h的速度进行炉冷)，炉冷至500℃以下，出炉空冷。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

首先，对实施例中检测各性能参数所采用的检测方法进行说明，如下：

1、末端淬透性：参考GB/T 225标准的《钢淬透性的末端淬火试验方法》

2、拉伸试验：参考GB/T228.1标准的《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》

3、冲击试验：参考GB/T229标准的《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》

实施例1

本实施例的齿轮钢的元素组成如表1所示。

本实施例的齿轮钢的制备方法如下：

1、69t铁水+17t废钢加入EBT电炉冶炼，电炉出钢C：0.06％，P：0.002％；电炉出钢温度是1651℃，出钢随钢流加：石灰4010kg、高铝高钙250kg、铝丸130kg渣料及按照目标成分计算的铬铁、钼铁合金料2538kg。电炉出钢水83800kg，留钢、留渣共4600kg。

2、进LF钢包精炼炉精炼时加电石170kg、石灰400kg，采用的渣系是CaO-Al₂O₃-SiO₂渣系，其中，重量含量满足：c(CaO)：57.7％，c(Al₂O₃)：33.34％，c(SiO₂)：2.26％。

LF白渣保持时间：72分钟；LF出钢温度：1674℃。

3、在VD真空脱气时，VD高真空度下(≤67Pa)保持时间23分钟，破空后(即真空处理结束之后)定H，[H]：0.77ppm。破空后加入Si-Ca线180m。VD软搅拌时间：15分钟，出钢温度：1578℃。

4、对冶炼得到的钢水进行模铸，具体是采用氩封浇注，浇注过程全程吹氩气保护，开浇温度：1565℃，采用5.8t钢锭浇注，浇注速度：第1盘：锭身8分41秒，帽口7分35秒；第2盘：锭身8分12秒，帽口7分；第3盘：锭身7分35秒，帽口6分22秒。

5、浇注完钢锭后，红送到锻造工序，加热温度：1200±10℃；加热时间0.8～1.2min/mm，终锻温度800～900℃，单边锻造变形量15～25％，热处理温度690±10℃，保温时间10～12h，60℃/h炉冷至200℃下出炉空冷，生产出ψ150mm、ψ250mm两种规格锻坯。

实施例2

本实施例的齿轮钢的元素组成如表1所示。

本实施例的齿轮钢的制备方法与实施例1相同，区别仅在于对元素组成进行相应调整。

对比例

本对比例的齿轮钢的元素组成如表1所示。

本对比例的齿轮钢的制备方法与实施例1相同，区别仅在于对元素组成进行相应调整。

表1

成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Al	N	B	Ti
													实施例1	0.15	0.26	0.51	0.004	0.002	1.56	1.49	0.25	0.024	0.0062	0.0002	0.0003
实施例2	0.14	0.23	0.53	0.006	0.002	1.57	1.45	0.26	0.023	0.0058	0.0002	0.0004
													比较例	0.19	0.22	0.64	0.008	0.001	1.70	1.52	0.28	/	0.0034	/	/

效果检测：

(1)冲击性能

对实施例1和实施例2以及对比例的锻坯进行了室温冲击性能检测，检测结果见表2。可以看出，本发明实施例的冲击性能明显高于对比例。

表2实施例与比较例室温冲击性能

(2)拉伸性能

对实施例1和实施例2以及对比例的锻坯进行了室温拉伸性能检测，检测结果见表3。可以看出，本发明实施例的伸长率A和面缩率Z高于对比例；抗拉强度Rm和屈服强度ReL略低于对比例，但也完全满足高铁齿轮钢标准及使用要求。

表3实施例与比较例室温冲击性能

(3)淬透性性能

对实施例1和实施例2以及对比例的锻坯开展淬透性性能试验。其结果见表4，并且，图1显示了实施例2的齿轮钢的淬透性性能。可以看出，本发明实施例钢坯在相同热处理条件下淬透性性能是一个从高到低的趋势，而对比例从J1.5到J40硬度变化趋势不明显，本实例阶梯式的淬透性变化更符合于高铁齿轮的使用条件。

表4实施例与比较例淬透性性能

	J1.5	J3	J5	J7	J9	J11	J13	J15	J20	J25	J30	J35	J40
														实施例1	40	40	40	41	39.5	40	38	38	36	34	33.5	32	32.5
实施例2	42.5	41.5	41	41	41	40.5	39.5	38	34.5	34.5	32.5	32	30.5
														比较例	40.5	43	41	42.5	43	41.5	42	42	41	40.5	40.5	40.5	39.5

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮钢，其特征在于，以重量百分比计，包括：C 0.13％～0.16％，Si 0.23％～0.40％，Mn 0.40％～0.55％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr 1.4％～1.6％，Ni 1.3％～1.5％，Mo 0.25％～0.35％，Al 0.015％～0.035％，N 0.005％～0.010％，B≤0.0004％，Ti≤0.0005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的齿轮钢，其特征在于，以重量百分比计，包括：C 0.14％～0.15％，Si 0.23％～0.26％，Mn 0.51％～0.53％，P≤0.004％，S≤0.002％，Cr 1.56％～1.57％，Ni 1.45％～1.49％，Mo 0.25％～0.26％，Al 0.023％～0.024％，N 0.0058％～0.0062％，B 0.0002％，Ti 0.0003％～0.0004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

3.权利要求1或2所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)冶炼具有所需元素组成的钢水；

(2)将钢水模铸成钢锭；

(3)锻造钢锭；

(4)热处理，随后冷却。

4.根据权利要求3所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：EBT电炉冶炼，LF钢包精炼炉精炼，和VD真空脱气。

5.根据权利要求4所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，EBT电炉的出钢条件是：C≥0.06％，P≤0.010％；EBT电炉的出钢温度是1650～1690℃。

6.根据权利要求4所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，在LF钢包精炼炉精炼过程中，采用的渣系是c(CaO)≥55％，c(Al2O3)≥30％，c(SiO2)≤3％；LF白渣保持时间≥25分钟；LF出钢温度是1670℃～1690℃。

7.根据权利要求4所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，VD真空脱气是在不超过67Pa的真空度条件下保持大于等于20分钟；出钢温度是1570℃～1580℃。

8.根据权利要求3所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，浇注过程全程吹氩气保护，开浇温度是1560℃～1570℃。

9.根据权利要求3所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，终锻温度800℃～900℃，单边锻造变形量15％～25％。

10.根据权利要求3所述的齿轮钢的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，加热温度是650℃～700℃，保温时间是10～12小时。

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