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CN115044835A - 一种齿轮箱锻件用合金钢及其锻件的制造方法和应用 - Google Patents

一种齿轮箱锻件用合金钢及其锻件的制造方法和应用 Download PDF

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CN115044835A CN202210912381.5A CN202210912381A CN115044835A CN 115044835 A CN115044835 A CN 115044835A CN 202210912381 A CN202210912381 A CN 202210912381A CN 115044835 A CN115044835 A CN 115044835A
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Abstract

本发明公开了一种齿轮箱锻件用合金钢，其特征在于，包括以下质量百分含量的元素组分：C：0.15～0.21％；Si：0.17～0.35％；Mn：0.60～0.90％；P：0～0.015％；S：0～0.005％；Al：0.020～0.040％；Nb：0.015～0.05％；V：0～0.15％；Ti：0～0.080％；N：0.0075～0.0125％；余量为Fe；Al/N＝2～5；As+Sn+Pb+Sb+Bi＝0～0.035％。本发明还公开了一种采用齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法和应用。本发明的锻件具有优异的塑韧匹配性和高晶粒度稳定性，满足高发电量的风电变速箱齿轮性能要求。

Description

一种齿轮箱锻件用合金钢及其锻件的制造方法和应用
技术领域
本发明涉及一种齿轮箱锻件用合金钢及其锻件的制造方法和应用，尤其涉及一种海上风电变速箱齿轮锻件用合金钢及其锻件的制造方法和应用，属于高性能金属材料加工技术领域。
背景技术
海上风电作为一种清洁能源，凭借其距离用电负荷近、发电稳定、不占用陆地土地资源等优势，在中国发展迅速。近年来，海上风电并网装机容量及新增并网装机持续增长。国内海上风电市场的迅速扩容，强劲推动了本土产业链的扩展和升级，2021年海上风电累计装机2639万千瓦，新增装机1690万千瓦。
目前，海上风电齿轮箱有4个或8个行星轮，一级传动有4个，二级传动有8个，其机组动力增速的核心部件均采用18CrNiMo7-6材料，这种材料的锻件所制备出的齿轮具有高抗弯强度、接触疲劳强度，还具有高的强度和耐磨性，心部具有高的硬度和韧性，综合机械性能较高等优点。然而，随着海上风力发电量的不断攀升，为确保风电齿轮产品的高效性、安全性运行，对齿轮材料质量的技术指标也在不断提高，尤其是要求大型齿轮锻件芯部具有更好的塑韧匹配性，同时还要求具备高晶粒度稳定性。因此，传统的18CrNiMo7-6及其锻件 (其力学性能一般为：抗拉强度≥1080Rm/MPa；屈服强度≥850Rp0.2/MPa；伸长率A≥11％；断面收缩率Z≥35％；室温冲击韧性≥40J；晶粒度≥3级)在海上风电变速箱齿轮应用中已难以满足日益增长的要求。综上所述，本领域技术人员亟需在18CrNiMo7-6基础上开发具有防止渗碳淬火变形、良好的切削能力以及高晶粒度稳定性的材料，用以满足高发电量(大型高载)的风电变速箱齿轮性能要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种齿轮箱锻件用合金钢，该合金钢通过设计特定的Ti、Al和Nb元素配比，获得的合金钢可以满足高发电量的海上风电变速箱齿轮性能要求。
同时，本发明提供一种采用齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法，该法获得的锻件具有优异的塑韧匹配性和高晶粒度稳定性。
同时，本发明提供一种采用齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种齿轮箱锻件用合金钢，包括以下质量百分含量的元素组分：C： 0.15～0.21％；Si：0.17～0.35％；Mn：0.60～0.90％；P：0～0.015％；S：0～0.005％； Cr：1.55～1.80％；Ni：1.50～1.70％；Mo：0.25～0.35％；Cu：0～0.20％；Al： 0.020～0.040％；Nb：0.015～0.05％；V：0～0.15％；Ti：0～0.080％；N： 0.0075～0.0125％；Ca：0～10ppm；Sn：0～100ppm；Pb：0～100ppm；Bi：0～100ppm； Sb：0～30ppm；As：0～150ppm；H：0～1.5ppm；O：0～15ppm，余量为Fe；Al/N＝ (2.67～3.2)：1；As+Sn+Pb+Sb+Bi＝0～480ppm。
包含上述的一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件。
一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1.锻前准备：以上述齿轮箱锻件用合金钢为坯料，进炉加热至1250℃保温3～5小时，以备锻造；
S2.锻造加工：以自由锻进行锻造，得到锻造坯，锻造始锻温度为 1220～1240℃，终锻温度为750～830℃，锻造比7～9.5：1，锻造加工过程分三个阶段；
第一阶段为锻造温度≥1000℃，此阶段锻造比9～9.5：1；
第二阶段为1000℃＞锻造温度≥880℃，此阶段锻造比8～9：1；
第三阶段为880℃＞锻造温度≥750℃，此阶段轻打快锻，锻造比7～8：1；
S3.热处理：将锻造加工后的锻件进行正火+回火两步热处理；
正火：正火以130～160℃/h速率升温至730～750℃保温2.2～2.8h，然后再以150～170℃/h速率升温至930～970℃保温3.1～4.4h，然后空冷至100～260℃；
回火以120～170℃/h速率升温至650～700℃保温4～6h后空冷至室温；
最终获得的锻件中弥散分布有球状有序正交结构的Ti2AlNb相。
轻打快锻的工艺为：轻打的力度28～32MPa；快锻的速度100～120mm/s；快锻的时间15～25min。
第一阶段形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相。
第二阶段，层片状密排六方结构Ti2AlNb相的片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，形成密排六方结构Ti2AlNb相。
第三阶段密排六方结构Ti2AlNb相晶格畸变，其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构Ti2AlNb相向球状有序正交结构的Ti2AlNb相的相变。
球状有序正交结构的Ti2AlNb相的粒径为5～15nm。
最终获得的锻件抗拉强度≥1100Rm/MPa；屈服强度≥905Rp0.2/MPa；伸长率A≥13％；断面收缩率Z≥40％；室温冲击韧性≥50J；晶粒度≥5级。
采用一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用，海上风电设备包括海上风电齿轮箱齿轮。
本发明具有以下有益效果：
1.优异的塑韧匹配性：本发明的一种海上风电变速箱齿轮锻件用合金钢的微观组织中弥散分布球状有序正交结构的Ti2AlNb(这个相热力学较为不稳定，无法直接获得)，该相具有优异的塑韧性，其弥散分布于锻件组织中，能够显著提升锻件材料的塑韧性。
2.高晶粒度稳定性：有序正交结构的Ti2AlNb相具有非常稳定的高温性能，其弥散分布于基体中，在热加工和热处理过程中对于晶粒均具有非常稳定的钉扎作用，细化晶粒效果显著且稳定，显著提高晶粒度稳定性。
3.本发明在锻造初期(即第一阶段)，由于高温和大应变所引起的高压双重作用下，元素扩散加剧，向晶界处偏聚明显，具备了Ti2AlNb中间相的形成条件，先形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相(先形成的是密排六方结构，因为该相热力学上更加稳定，但这个相滑移系少，脆性大)；锻造中期(即第二阶段)，密排六方结构Ti2AlNb相由于脆性较大，被锻造过程使层片状原始组织破碎，且随着变形量增加，由于驱动力的增大，片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中；锻造后期(即第三阶段)，锻造变形过程中，造成密排六方结构Ti2AlNb相晶格发生畸变，进而促使其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构Ti2AlNb相向有序正交结构的Ti2AlNb相的相变，形成最终产品微观组织结构。
4.本发明最终获得的锻件抗拉强度≥1100Rm/MPa；屈服强度≥ 905Rp0.2/MPa；伸长率A≥13％；断面收缩率Z≥40％；室温冲击韧性≥50J；晶粒度≥5级。
附图说明
图1为本发明实施例1的X-射线衍射图；
图2为本发明中层片状密排六方结构Ti2AlNb相的微观组织图；
图3为本发明中密排六方结构Ti2AlNb相的微观组织图；
图4为本发明中球状有序正交结构的Ti2AlNb相的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种齿轮箱锻件用合金钢，包括以下质量百分含量的元素组分：C：0.15％； Si：0.17％；Mn：0.60％；P：0.005％；S：0.001％；Cr：1.55％；Ni：1.50％； Mo：0.25％；Cu：0.01％；Al：0.020％；Nb：0.015％；V：0.01％；Ti：0.005％； N：0.0075％；Ca：1ppm；Sn：1ppm；Pb：1ppm；Bi：1ppm；Sb：1ppm；As： 1ppm；H：0.1ppm；O：1ppm，余量为Fe；Al/N＝2.67；As+Sn+Pb+Sb+Bi＝5ppm。
包含上述的一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件。
一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1.锻前准备：以上述齿轮箱锻件用合金钢为坯料，进炉加热至1250℃保温3小时，以备锻造；
S2.锻造加工：以自由锻进行锻造，得到锻造坯，锻造始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，锻造比7：1，锻造加工过程分三个阶段；
第一阶段为锻造温度1220℃，此阶段锻造比9：1，第一阶段形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相；
第二阶段为880℃，此阶段锻造比8：1，第二阶段，层片状密排六方结构 Ti2AlNb相的片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，形成密排六方结构Ti2AlNb相；
第三阶段为750℃，此阶段轻打快锻，锻造比7：1，轻打快锻的工艺为：轻打的力度28MPa；快锻的速度100mm/s；快锻的时间15min，第三阶段密排六方结构Ti2AlNb相晶格畸变，其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构 Ti2AlNb相向球状有序正交结构的Ti2AlNb相的相变；
S3.热处理：将锻造加工后的锻件进行正火+回火两步热处理；
正火：正火以130℃/h速率升温至730℃保温2.2h，然后再以150℃/h速率升温至930℃保温3.1h，然后空冷至100℃；
回火以120℃/h速率升温至650℃保温4h后空冷至室温；
最终获得的锻件中弥散分布有球状有序正交结构的Ti2AlNb相。球状有序正交结构的Ti2AlNb相的粒径为5～15nm。
采用一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用，海上风电设备包括海上风电齿轮箱齿轮。
从图1中可以看出，锻造中期(即第二阶段)获得了密排六方结构Ti2AlNb 相，锻造结束后获得了有序正交结构的Ti2AlNb相。
如图2所示，图2中深色一条一条的为层片状密排六方结构Ti2AlNb相。
如图3所示，图2中的层片结构在第二阶段的锻造过程中发生组织破碎，且随着变形量增加，由于驱动力的增大，片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，获得密排六方结构Ti2AlNb相。
如图4所示，锻造后期，锻造变形过程中，造成密排六方结构Ti2AlNb相晶格发生畸变，进而促使其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构Ti2AlNb 相向有序正交结构的Ti2AlNb相的相变。
如图4所示，从图中可以看出，弥散分布的黑色球状组织为有序正交结构 Ti2AlNb相，粒径为5～15nm。
实施例2
一种齿轮箱锻件用合金钢，包括以下质量百分含量的元素组分：C：0.18％； Si：0.25％；Mn：0.75％；P：0.01％；S：0.002％；Cr：1.70％；Ni：1.60％； Mo：0.30％；Cu：0.10％；Al：0.030％；Nb：0.03％；V：0.10％；Ti：0.040％； N：0.01％；Ca：5ppm；Sn：50ppm；Pb：80ppm；Bi：50ppm；Sb：20ppm； As：100ppm；H：1ppm；O：10ppm，余量为Fe；Al/N＝3； As+Sn+Pb+Sb+Bi＝300ppm。
包含上述的一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件。
一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1.锻前准备：以上述齿轮箱锻件用合金钢为坯料，进炉加热至1250℃保温4小时，以备锻造；
S2.锻造加工：分三个阶段；
第一阶段为锻造温度1000℃，此阶段锻造比9：1，第一阶段形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相；
第二阶段为950℃，此阶段锻造比8.5：1，第二阶段，层片状密排六方结构Ti2AlNb相的片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，形成密排六方结构Ti2AlNb相；
第三阶段为870℃，此阶段轻打快锻，锻造比7.5：1，轻打快锻的工艺为：轻打的力度30MPa；快锻的速度110mm/s；快锻的时间20min；第三阶段密排六方结构Ti2AlNb相晶格畸变，其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构 Ti2AlNb相向球状有序正交结构的Ti2AlNb相的相变；
S3.热处理：将锻造加工后的锻件进行正火+回火两步热处理；
正火：正火以150℃/h速率升温至740℃保温2.5h，然后再以160℃/h速率升温至950℃保温3.8h，然后空冷至200℃；
回火以150℃/h速率升温至680℃保温5h后空冷至室温；
最终获得的锻件中弥散分布有球状有序正交结构的Ti2AlNb相。球状有序正交结构的Ti2AlNb相的粒径为5～15nm。
采用一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用，海上风电设备包括海上风电齿轮箱齿轮。
实施例3
一种齿轮箱锻件用合金钢，包括以下质量百分含量的元素组分：C：0.21％； Si：0.35％；Mn：0.90％；P：0.015％；S：0.005％；Cr：1.80％；Ni：1.70％； Mo：0.35％；Cu：0.20％；Al：0.040％；Nb：0.05％；V：0.15％；Ti：0.080％； N：0.0125％；Ca：10ppm；Sn：100ppm；Pb：100ppm；Bi：100ppm；Sb：30ppm； As：150ppm；H：1.5ppm；O：15ppm，余量为Fe；Al/N＝3.2；As+Sn+Pb+Sb+Bi＝480 ppm。
包含上述的一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件。
一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法，包括以下步骤：
S1.锻前准备：以上述齿轮箱锻件用合金钢为坯料，进炉加热至1250℃保温5小时，以备锻造；
S2.锻造加工：以自由锻进行锻造，得到锻造坯，锻造始锻温度为1240℃，终锻温度为830℃，锻造加工过程分三个阶段；
第一阶段为锻造温度1240℃，此阶段锻造比9.5：1，第一阶段形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相；
第二阶段为880℃，此阶段锻造比9：1，第二阶段，层片状密排六方结构 Ti2AlNb相的片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，形成密排六方结构Ti2AlNb相；
第三阶段为830℃，此阶段轻打快锻，锻造比8：1，轻打快锻的工艺为：轻打的力度32MPa；快锻的速度120mm/s；快锻的时间25min，第三阶段密排六方结构Ti2AlNb相晶格畸变，其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构 Ti2AlNb相向球状有序正交结构的Ti2AlNb相的相变；
S3.热处理：将锻造加工后的锻件进行正火+回火两步热处理；
正火：正火以160℃/h速率升温至750℃保温2.8h，然后再以170℃/h速率升温至970℃保温4.4h，然后空冷至260℃；
回火以170℃/h速率升温至700℃保温6h后空冷至室温；
最终获得的锻件中弥散分布有球状有序正交结构的Ti2AlNb相。球状有序正交结构的Ti2AlNb相的粒径为5～15nm。
采用一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用，海上风电设备包括海上风电齿轮箱齿轮。
对比例1
商用18CrNiMo7-6合金。
下表1为本发明实施例1～3与对比例1的性能指标对比表。
表1主要性能指标对比表
指标项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
抗拉强度Rm/MPa 1298 1307 1295 1080
屈服强度Rp<sub>0.2</sub>/MPa 997 1023 986 850
伸长率A％ 15 14 16 11
断面收缩率Z％ 46 44 48 35
室温冲击韧性J 69 73 67 40
晶粒度 6 7 6 4
晶粒度稳定性：检测方法按照DIN EN ISO 643-2013规定执行，试样处理温度950℃，保温8h，90％的检测区域奥氏体平均晶粒度大小评估。
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种齿轮箱锻件用合金钢，其特征在于，包括以下质量百分含量的元素组分：C：0.15～0.21％；Si：0.17～0.35％；Mn：0.60～0.90％；P：0～0.015％；S：0～0.005％；Cr：1.55～1.80％；Ni：1.50～1.70％；Mo：0.25～0.35％；Cu：0～0.20％；Al：0.020～0.040％；Nb：0.015～0.05％；V：0～0.15％；Ti：0～0.080％；N：0.0075～0.0125％；Ca：0～10ppm；Sn：0～100ppm；Pb：0～100ppm；Bi：0～100ppm；Sb：0～30ppm；As：0～150ppm；H：0～1.5ppm；O：0～15ppm，余量为Fe；Al/N＝(2.67～3.2)：1；As+Sn+Pb+Sb+Bi＝0～480ppm。
2.包含权利要求1所述的一种齿轮箱锻件用合金钢的锻件。
3.根据权利要求2所述的锻件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.锻前准备：以上述齿轮箱锻件用合金钢为坯料，进炉加热至1250℃保温3～5小时，以备锻造；
S2.锻造加工：分三个阶段；
第一阶段为锻造温度≥1000℃，此阶段锻造比9～9.5：1；
第二阶段为1000℃＞锻造温度≥880℃，此阶段锻造比8～9：1；
第三阶段为880℃＞锻造温度≥750℃，此阶段轻打快锻，锻造比7～8：1；
S3.热处理：将锻造加工后的锻件进行正火+回火两步热处理；
正火：正火以130～160℃/h速率升温至730～750℃保温2.2～2.8h，然后再以150～170℃/h速率升温至930～970℃保温3.1～4.4h，然后空冷至100～260℃；
回火以120～170℃/h速率升温至650～700℃保温4～6h后空冷至室温；
最终获得的锻件中弥散分布有球状有序正交结构的Ti2AlNb相。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，轻打快锻的工艺为：轻打的力度28～32MPa；快锻的速度100～120mm/s；快锻的时间15～25min。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，第一阶段形成层片状密排六方结构Ti2AlNb相。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，第二阶段，层片状密排六方结构Ti2AlNb相的片层组织破碎明显，形成更多的球形并弥散分布于基体中，形成密排六方结构Ti2AlNb相。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，第三阶段密排六方结构Ti2AlNb相晶格畸变，其晶格发生原子有序化，发生密排六方结构Ti2AlNb相向球状有序正交结构的Ti2AlNb相的相变。
8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，球状有序正交结构的Ti2AlNb相的粒径为5～15nm。
9.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，最终获得的锻件抗拉强度≥1100Rm/MPa；屈服强度≥905Rp0.2/MPa；伸长率A≥13％；断面收缩率Z≥40％；室温冲击韧性≥50J；晶粒度≥5级。
10.根据权利要求3～9任意一项所述的制造方法获得的锻件在海上风电设备中的应用，其特征在于，海上风电设备包括海上风电齿轮箱齿轮。
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