CN102703817B - 一种易切削齿轮钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易切削齿轮钢及其生产工艺，该齿轮钢按重量百分比其成分为：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。该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序。本发明采用Cr-Mn-Al-S系齿轮钢代替原来的Cr—Mn—Ti系齿轮钢，加入Al、S、元素，充分运用晶内铁素体来细化晶粒。能稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力，提高齿轮加工时的易切削能力。本发明可代替20CrMnTi适用于齿轮钢中。

Description

一种易切削齿轮钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种齿轮钢，具体地说是一种易切削齿轮钢及其生产工艺。 

背景技术

我国齿轮用钢，自二十世纪五十年代首批汽车生产，引用了前苏联I'OCT标准中的牌号和性能指标，用量最大的是18CrMnTi钢，二十世纪八十年代改为20CrMnTi，该钢号一直沿用至今。是目前国内用于制造各种工程机械、汽车、农用车等传动齿轮、齿轮材料中使用量最大的一个齿轮钢种，这种材质由于符合我国的资源，具有成本低、工艺性能好、价格低的优点且可以满足国内大多数齿轮材质的要求。因此这种材质仍占据着中国汽车齿轮钢材制造用量的5O％左右,由于钛钢具有晶粒均匀细小，晶粒长大倾向小，热处理工艺成熟稳定、价格便宜等优点，而且我国钛资源丰富，所以在我国一直被广泛应用于汽车、农业机械等产品中。但随着我国五十年来经济的发展和各种车型的引进，国外CrMo、CrNiMo等钢同时被引进和试制。我国的齿轮钢由单一的CrMnTi钢发展到CrMo、 CrNiMo、MnCrB、CrNiMn等多个品种的齿轮钢，逐渐弱化了Cr—Mn—Ti系齿轮钢的主导地位。在车辆齿轮中20CrMnTi齿轮钢所占比例已远远小于34％。已形成了适用不同车型、不同部位的多个系列的齿轮钢。 

齿轮钢的总体发展方向为高性能、低成本、易加工、长寿命和多品种化。开发节省合金元素的钢种。如德国ZF公司的ZF6和ZF7是Mn—Cr—B系齿轮钢，它具有晶粒细小、淬透性带窄、渗碳稳定性好、热处理变形稳定等特点，渗碳处理后弯冲值高。由于制造齿轮时需要进行大量的切削加工，所以开发易切削齿轮钢是齿轮钢技术的另一个发展方向。 

当前我国汽车用齿轮年用钢252万t，该钢种是特钢厂优特钢生产的主导品种。众所周知，齿轮在工作过程中要承受交变载荷、冲击载荷和磨损， 对钢的性能要求高、质量要求严，因此，从钢种使用工艺性特点和可加工性要求两方面出发，不断提高20CrMnTi钢的质量控制能力，对提高特钢厂 20CrMnTi钢质量水平、增加市场占有率，以及增强企业的核心竞争力，有着十分重要的意义。20CrMnTi钢基体组织为铁素体+珠光体组织，但20CrMnTi钢在成分设计上加进了Ti, 不可避免地在钢材内部产生或大或小的TiN夹杂物，Ti是齿轮钢中的重要元素，但是Ti在 钢中易形成颗粒大、带尖棱角的TiN，是疲劳裂纹源，其危害比氧化物夹杂还严重。对于20CrMnTi的发展前途，早在“六五”期间就已有议论，主要是TiN不变形夹杂物比基体硬，影响加工精度，在使用时会成为疲劳源而影响 齿轮的疲劳寿命。因此，主要通过两种措施减少TiN形成机会。一是尽量降低Ti含量，并通过精炼喂Ti线工艺替代原来直接加块状合金，提高Ti收得率，把Ti成分控制在很窄范围内。 二是保证连铸钢液脱氧良好，连铸过程采用全过程保护浇注，尽量避免与大气接触以减少钢液吸氮。 

汽车工业近来面临的一个迫切问题是汽车轻量化，为此必须提高汽车齿轮钢的设计应力和各项综合能力。 

发明内容

针对现有技术中20CrMnTi存在的缺点，本发明的目的是提供一种易切削齿轮钢及其生产工艺。本发明采用Cr-Mn-Al-S系齿轮钢代替原来的Cr—Mn—Ti系齿轮钢， 20CrMnAlS齿轮钢与20CrMnTi齿轮钢相比有较近碳含量、铬含量、锰含量，加入Al、S元素，充分运用晶内铁素体来细化晶粒。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

一种易切削齿轮钢，其特征在于：该齿轮钢按重量百分比其成分为：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。

优选的：该齿轮钢按重量百分比其成分为：C  0.16-0.22%、Si 0.23～0.33%、Mn 0.97～1.13% 、 Cr 0.97～1.13%、 Ni≤0.30 % 、Mo≤0.30% %、 Cu≤0.020% 、Al0.020-0.060、 P≤0.0030%、  S 0.012-0.028% ，余量是Fe和不可避免的杂质。 

各元素的作用： 

1) C：在所有元素中,碳提高强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化效果大约为硅的5倍，铬的9倍和锰的18倍,所以为保证齿轮钢具有足够的强度、硬度，钢中必须含有相当高的碳含量。

2) Mn：对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。 

3) Cr：对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。 

4) Al：晶粒细小均匀的奥氏体晶粒对稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力具有重要意义。考虑到 Ti对齿轧钢不利影响，主要是通过添加Al细化晶粒, 以Al 元素来实现细晶控制。 为了更好地细化晶粒，采用精炼喂Al线方式， 合理控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内, 达到晶粒度8级。 

5)S：提高齿轮加工时的易切削能力，实现晶内铁素体冶金，细化晶粒， 

一种易切削齿轮钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序 ，其工艺流程为：

（1）电炉冶炼：要求红包无渣出钢；

（2）LF精炼炉：精炼过程中采用铝脱氧；采用精炼喂Al线方式， 控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内, 达到晶粒度8级。 按照设计成份调整钢的化学成份至目标值(%)：

C 0.19、Si 0.20、Cr1.05、Mn  1.05、Alt 0.030-0.060吹Ar：压力为0.25-0.50MPa，流量为60-120L/Min，时间：≥40Min； 

（3）VD炉真空:真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10-15min，破真空即保持静搅状态；根据样结果按优化目标值进行微调,然后喂入S线，S 0.020；微调其它成份至优化值；搅拌完毕后，保持静搅3min以上喂入Ca-Si线，喂入量:1.5m/t钢,静搅3min以上取样分析，并继续保持静搅，继续微调成份至优化值，微调合格后，吊包上连铸；静搅过程中加入保温剂：0.8~1.2Kg/吨钢。

（4）连铸：得到连铸坯； 

（5）轧钢：予热段≤850℃、加热段 12000－1250℃、均热段1200－1230℃, 总加热时间135～145分钟；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1100-1130℃, 终轧温度≥950℃；轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到20CrMnAlS齿轮钢。

一种易切削齿轮钢的生产工艺流程为： 

原辅料验收→配料→电炉冶炼→LF精炼→ VD脱气→连铸→铸坯坑冷→检验→坯料验收→加热→除鳞→轧制→剪切或锯切→坑冷→矫直→修磨→成品检验→打包标志→称重。

本发明中，考虑到汽车的轻量化、高速度的发展趋势；考虑到齿轮的各种苛刻工作环境、高强度、高寿命、耐疲劳、抗冲击等方面的要求；采用的防止措施有：晶粒细化、晶界强化等。改善晶界强度,可应用于改善冲击强度。消除TiN等氧化物与氮化物, 可改善疲劳特性，真空脱气处理主要是减少钢液中的氧、氢等气体成分的处理。以减少大型的非金属夹杂物。另外，软性夹杂物对疲劳极限的影响小于硬性夹杂物的影响，所以，尝试了使非金属夹杂物无害化的方法，即控制硬质的非金属夹杂物。使之成为软性的夹杂物。应用钙处理是有效的办法。 

本发明的优点是： 

考虑到 Ti对齿轮钢不利影响，本发明通过Al的加入，以Al 元素来实现细晶控制，得到晶粒细小均匀的奥氏体晶粒，能稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力。为了更好地细化晶粒，采用精炼喂Al线方式， 合理控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内, 达到晶粒度8级。同时加入S，可以提高齿轮加工时的易切削能力，实现晶内铁素体冶金，细化晶粒。本发明可代替20CrMnTi适用于齿轮钢中。

具体实施方式：

实施例1

本发明中按C 0.14～0.22%控制，优选为C 0.16～0.20% ,按计算量向钢中加入低磷锰铁和高碳铬铁,钢的强韧性，强化晶界，进而改善齿轮钢的综合力学性能。

具体工艺如下： 

电炉冶炼：要求红包无渣出钢。电炉新砌炉壳前三炉不得用于生产本方案中齿轮钢，尽量避免使用新钢包，在不得己使用新钢包时须适当延长LF精炼及VD真空处理时间。

在100吨电炉冶炼时，因需要走真空，钢包要留有自由空间，出钢量目标为88吨，配料选用优质废钢、铁水、生铁。铁水加生铁量≥总配料量的30%。配碳量≥1.0%,要求电炉冶炼配碳量≥1.0%、脱碳量≥0.80% 。电炉终点控制目标C≥0.08，P≤0.008%,T≥1630℃,定氧:[O]≤700PPm,电炉出钢过程中钢包内每吨钢水渣料及合金加入量：Mn-Fe 1.8Kg /t钢水, 石灰 8Kg/t钢水 ,萤石2Kg/t钢水 ,  LC-CrFe 1.7Kg/t钢水等。 

LF精炼炉： 

1) 精炼过程中采用铝脱氧。依据渣况使用SiC、电石总量0.4 -0.8Kg/t钢水,分3-5批次扩散脱氧，确保白渣时间≥20分钟以上.。

2) 按照设计成份调整钢的化学成份至目标值(%): 

C 0.19 Si 0.20 Cr1.05  Mn  1.05  Alt0.030-0.060)吹Ar：压力为0.25-0.50MPa，流量为60-120L/Min，时间：≥40Min。 

VD炉真空: 

1.真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10-15min，破真空即保持静搅状态;

2. 破真空取棒棒糖样分析全成分。 

3. 根据样结果按优化目标值进行微调,然后喂入S线：  S收得率按75%按0.030%计算喂入。 

也微调其它成份至优化值。搅拌2min完毕后，保持静搅3min以上喂入Ca-Si线(喂入量:1.5m/t钢水),静搅3min以上取成品样后吊包上连铸。 

4)．静搅过程中根据温降加入保温剂：0.8～1.2Kg/吨钢水。 

5)．真空终点出站温度连铸第一炉：1575～1585℃连浇炉：1565～1575℃ 。 

连铸： 

1)．液相线温度：1504℃。

2)．最佳过热度：20-30℃。 

3)．结晶器保护渣：16Mn钢专用渣。 

4)．覆盖剂：双层,  保护套管：Al-C。 

5)．拉速：220mm×260mm： △T﹥30℃最大拉速0.8-0.9m/min           

△T=20～35℃最大拉速1.0-1.1m/min  △T﹤20℃最大拉速1.1-1.2m/min。

6)．电磁搅拌（电流*频率）MEMS ：M-EMS  220A*3HZ   F-EMS  50A*6 

7).  振动参数: 65+65V 。

8)．连铸坯下连铸线后保持良好的避风堆冷。 

9)．无结晶器电磁搅拌或末端电磁搅拌流拉速相应降低0.1m/min。 

10)．水冷工艺按弱冷工艺执行，冷水: 二比水量（l/kg）  0.35     见表1: 

表1

配水制度根据具体情况适当调整。保证铸坯不能产生脱方、缩孔和鼓肚。

11)．严禁水口插入深度<50mm，中包挡墙孔露出及挡墙倒必须换组。 

轧钢： 

 1)．予热段≤850℃  加热段 12000－1250℃  均热段1200－1230℃, 总加热时间135～145（分）。出入钢节奏90～100（秒）

2)．水除鳞压力≥20MPa。

3)．开轧温度≥1100-1130℃, 终轧温度≥950℃。 

4)．轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到易切削20CrMnAlS齿轮钢。 

易切削20CrMnAlS齿轮钢的成分重量百分比见表2：表2中参照例2为20CrMnTi的成分重量百分比。 

1) 化学成份如下表2（wt%）： 

表 2

2)力学性能比较，见表3：

表 3

4) 晶拉度：20CrMnAlS   8级, 20CrMnTi 7级。

5) 组织：热轧态均为F＋P组织。 

6) 低倍见表4： 

表4

	锭型偏析	中心疏松	一般疏松	一般点状偏析	边缘点状偏析
						20CrMnAlS	0.5	0.5	0.5	0	0
20CrMnTi	1.0	1.0	1.0	0	0

7). 夹杂物见表5：

表5：

	A粗	A细	B粗	B细	C粗	C细	D粗	D细
									20CrMnAlS	1	1.0	0.5	0	0	0	0	0
20CrMnTi	0	0.5	0.5	0.5	0	0	1	0

8)末端淬透性(20CrMnAlS与20CrMnTi)比较见表6：

表6：

 

牌号	J1.5	J5	J9	J15	J25
						20CrMnAlS	44	39	26	21	18
20CrMnTi	44	37	24	20	17

由表可以得到：通过Al的加入，以Al 元素来实现细晶控制，得到晶粒细小均匀的奥氏体晶粒，能稳定齿轮钢的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高脆断抗力和裂纹传播抗力。同时加入S，可以提高齿轮加工时的易切削能力，实现晶内铁素体冶金，细化晶粒。本发明可代替20CrMnTi适用于齿轮钢中。

Claims (3)

1.一种易切削齿轮钢的生产工艺，其特征在于：该工艺包括冶炼、连铸和轧制工序 ，其工艺流程为：

1）电炉冶炼：要求红包无渣出钢；

2）LF精炼炉：精炼过程中采用铝脱氧； 按照设计成份调整钢的化学成份至目标值(%):

C 0.19、Si 0.20、Cr1.05、Mn  1.05、Alt 0.030-0.060吹Ar：压力为0.25-0.50MPa，流量为60-120L/Min，时间：≥40Min； 

3）VD炉真空:真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10-15min，破真空即保持静搅状态；根据样结果按优化目标值进行微调,然后喂入S线，S 0.020；微调其它成份至优化值；搅拌完毕后，保持静搅3min以上喂入Ca-Si线，喂入量:1.5m/t钢水,静搅3min以上取样分析，并继续保持静搅，继续微调成份至优化值，微调合格后，吊包上连铸；

4）连铸：得到连铸坯；

5）轧钢：予热段≤850℃、加热段 1200－1250℃、均热段1200－1230℃, 总加热时间135～145分钟；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1100-1130℃, 终轧温度≥950℃；轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到20CrMnAlS齿轮钢。

2.根据权利要求1所述的易切削齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤3）中，静搅过程中加入保温剂：0.8~1.2Kg/吨钢水。

3.根据权利要求1所述的易切削齿轮钢的生产工艺，其特征在于：步骤2）中，采用精炼喂Al线方式， 控制喂线速度和喂线时机，使得酸溶铝含量能够稳定控制在内控范围之内, 达到晶粒度8级。