一种窄淬透性高温细晶粒MnCr齿轮钢及其制备方法与流程

　　本发明涉及汽车变速箱齿轮用齿轮钢，更具体地是指一种窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢及其制备方法。

　　背景技术：

　　：齿轮是机械工业的基础零件。它在工作时长期受到变载荷的冲击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用，工作环境恶劣，因此要求制造齿轮的齿轮钢具有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性。近年来随着汽车工业的发展，特别是小轿车，对齿轮在强度、韧性、耐磨及抗疲劳、低噪音等方面具有比其他机械齿轮更严格的要求。这就对齿轮钢性能质量提出更高的要求。高质量的齿轮钢应具有以下四大质量指标：特定的淬透性及窄的淬透性带宽；高的纯净度；细小均匀的晶粒；良好的表面质量；良好的热加工和切削性能。公开号：cn102560255a，名为″一种高温真空渗碳齿轮用钢″的专利介绍了钢材的化学成分：c：0.10～0.30％，si：0.15～0.25％，mn：0.60～0.90％，p≤0.025，s：0.010～0.020％，cr：0.85～1.25％，al：0.033～0.055％，n：0.0160～0.0300％，ti：0.001～0.009％，[o]≤0.0020％，其余为fe以及不可避免杂质。本发明（是指上述专利)采用微合金化方式，控制齿轮钢高温真空渗碳过程中奥氏体晶粒异常长大，使钢材晶粒度严格控制在7.0-8.0级，保证淬透性j5mm稳定控制在32hrc-42hrc，满足普通齿轮钢的各项性能要求。钢材的淬透性带宽在10hrc，远远大于高等级齿轮钢带宽≤6hrc的要求，宽的淬透性会导致齿轮热处理后变形严重。公开号：cn103361559a，名为″一种nb、ti复合微合金化高温渗碳齿轮钢″，该齿轮钢按重量百分比其成分为：c0.17～0.22％、si0.20～0.35％、mn0.90～1.10％、cr：1.05-1.30％，ti：0.02-0.06％，nb：0.02-0.06％，al0.015～0.035％、p≤0.025％、s0.020～0.035％，余量是fe和不可避免的杂质。本发明控制nb、ti微合金元素含量，提高现行齿轮的渗碳温度；缩短齿轮的渗碳时间，降低齿轮生产成本。虽然nb、ti复合微合金化能保证钢材在1000℃及以上的高温渗碳，但是目前工业化高温渗碳的温度只有960℃，另外添加nb增加了冶炼成本，并且含ti、nb钢存在高温脆性区，轧制过程中由于ti、nb元素在晶界的析出导致晶界薄弱发生钢坯断裂。公开号：cn101306435a，名为″一种齿轮钢的生产方法″的专利介绍了一种齿轮钢及其生产方法，其组成按质量百分数为：c：0.10～0.35％、si：0.15～0.45％、mn：0.60～1.50％、cr：0.80-1.50％、p：≤0.030％、s：≤0.045％、ti：0.03-0.12％；al：0.01-0.1％；ni：0-0.30％、mo：0-0.2％、cu：0-0.20％，n：0.004-0.015％，铁余量。采用的生产工艺流程为：转炉冶炼-钢包精炼或者真空脱气炉精炼-连铸-连轧。其不足之处在于，该齿轮钢能承受的渗碳温度为930℃，对于在960～980℃的高温下渗碳会导致钢材晶粒的过分粗大，形成混晶，使材料变形严重，工件尺寸超标。上述现有技术的细晶粒齿轮钢的生产方法均不利于同时满足窄的淬透性带宽、高的表面质量以及较高渗碳温度的要求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢及其制备方法，能够保证钢材的淬透性带宽窄、钢材轧制表面质量好、晶粒细小。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。一方面，一种窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢，按重量百分比计，包含：c：0.19％～0.21％、mn：1.25％～1.35％、si：0.20～0.30％、cr：1.20％～1.30％、p：≤0.020％、s：0.010％～0.025％，n：0.013％～0.02％、al：0.034～0.050％、[o]≤0.0015％、[h]≤0.0002％，余量为铁和不可避免的杂质元素。另一方面，一种窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢的制备方法，包括以下步骤：s1：按照所述齿轮钢的组分进行配料，采用电炉冶炼及炉外精炼，得到钢水；s2：将所述钢水进行真空脱气后，进行连铸，得到连铸钢坯；s3：将连铸钢坯采用1300初轧机开坯成210方方坯；s4：将所述方坯进行加热轧制，得到所述齿轮钢。步骤s1的具体操作为：采用电炉冶炼，氧化期流渣去p，拉渣干净，出渣毕加sial合金、石灰，化渣均匀；控制终点[p]≤0.008％，出钢温度为1640～1680℃；炉外精炼时造碱性渣，分批补加石灰和碳化硅，使渣色变白，同时控制氩气压力，以钢水不翻出渣面为准；控制钢水氧含量≤0.0015％。步骤s2的具体操作为：对钢水进行真空脱气处理，在小于66.7pa真空度以下处理时间不低于10min，控制底吹氩弱搅拌时间不低于10分钟，控制吊包温度不低于1557℃，以控制钢水中h含量≤0.0002％。步骤s3的具体操作为：对连铸坯进行加热，控制连铸坯在高温均热段的温度为1200～1230℃，时间为100～150min，总加热时间不低于450min。步骤s4的具体操作为：对初轧坯进行加热，控制加热温度为1190～1240℃，总加热时间不低于120min，终轧温度大于950℃。采用本发明的低硅高硫的窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢及其制备方法，具有如下有益效果：1、成分优化设计，采用本发明钢制成的齿轮末端淬透性带宽窄，加工成齿轮热处理后变形小，且同时具有良好的疲劳性能及稳定的力学性能。2、各制备工序严格按照目标成分进行控制，确保钢的成分精准化。3、对连铸坯进行加热，控制连铸坯在高温均热段的温度为1200～1230℃，时间为100～150min，总加热时间不低于450min，使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长；冷却后对轧坯表面进行检查，有缺陷的地方予以清除；提高钢材的成分均匀性和表面质量.5、对初轧坯进行加热，控制加热温度为1190～1240℃，总加热时间不低于120min，终轧温度大于950℃，加热温度为1190℃以上，aln的固溶量比较高，且析出的孕育期比较长，不容易产生大量的应变诱导析出；其次在当终轧温度大于950℃，终轧过程中形变产生的位错也比较容易消除。因此在后续的冷却过程中，析出相的形核点较少，不容易在奥氏体中析出。6、通过冶炼、轧制钢坯加热工艺、定尺工艺的综合控制可实现生产性能稳定、表面质量良好的汽车齿轮用钢。具体实施方式本发明的窄淬透性高温细晶粒mncr齿轮钢，按重量百分比，包含如下成分：c：0.19％～0.21％、mn：1.25％～1.35％、si：0.20～0.30％、cr：1.20％～1.30％、p：≤0.020％、s：0.010％～0.025％，n：0.013％～0.02％、al：0.034～0.050％、[o]≤0.0015％、[h]≤0.0002％，余量为铁和不可避免的杂质元素。根据产品具体性能要求，各元素内控范围为，c：目标值±0.01％，mn合金元素：目标值±0.04％，残余有害元素尽可能低。该钢种的成分设计原理如下：利用seep1664的淬透性计算公式，计算获得满足j5和j9淬透性带宽不大于4hrc的齿轮钢中影响淬透性主要元素的成分上下限，依据计算c、si、mn、cr元素的含量需控制在如下范围：c：0.19～0.21％，si：0.20～0.30％，mn：1.25-1.35％，cr：1.20～1.30％。当运动的晶界遇到析出相质点时，受到质点的钉扎作用，将有效阻止奥氏体晶粒长大。gladman公式表明，高温渗碳时晶粒粗化与否取决于析出相的尺寸和体积分数。根据试验结果，al元素在0.034％～0.050％，n元素在0.013％～0.02％，同时保证al/n比在2以上时，析出的aln粒子数量最多。当al含量大于0.050％，容易形成水口结瘤，影响连铸可浇性。o：气体氧含量是钢中的有害元素，随着氧含量的增加，钢材的塑性特别是韧性显著降低。控制o含量≤0.0015％，使钢具有相当高的纯净度，提高材料的韧性和疲劳性能。同时在技术条件允许情况下，碳元素与各元素之间达到理想的最佳配比含量，并且保证成分的稳定性和均匀性，从而为材料在后续加工生产的批量稳定生产奠定了基础。该窄淬透性细晶粒齿轮钢的生产方法，具体包括如下步骤：s1：按照齿轮钢的元素组分计量比进行配料，采用电炉冶炼及炉外精炼，得到钢水；s2：将所述钢水进行真空脱气后，进行连铸，得到连铸钢坯；s3：将所述连铸钢坯采用1300初轧机开坯成210方方坯；s4：将所述210方初轧坯进行加热轧制，得到所述齿轮钢。步骤s1的具体操作为：采用电炉冶炼，氧化期流渣去p，拉渣干净，出渣毕加sial合金、石灰，化渣均匀；终点[p]控制为≤0.008％，出钢温度控制为1640～1680℃，以保证钢水初始氧化量低，为后续脱氧创造条件；炉外精炼时造碱性渣，分批补加石灰和碳化硅，确保炉渣流动性良好，渣色变白，同时控制氩气压力，以钢水不翻出渣面为准；控制钢水氧含量≤0.0015％。步骤s2的具体操作为：对钢水进行真空脱气处理，在小于66.7pa真空度以下，处理时间不低于10min，保证底吹氩弱搅拌时间不低于10分钟；吊包温度不低于1557℃；可保证钢水中h含量在较低的范围(≤0.0002％)。步骤s3的具体操作为：对连铸坯进行加热，一般包括加热一段、加热二段及高温均热段，加热一段、加热二段是对连铸坯进行快速加热，逐渐升到较高温度，而高温均热段为关键控制区域，本发明通过控制连铸坯在高温均热段的温度为1200～1230℃，时间为100～150min，总加热时间不低于450min，使钢坯均匀热透又不至于高温段时间过长；有利于成分均匀化，减小淬透性的波动。步骤s4的具体操作为：对初轧坯进行加热，控制加热温度为1190～1240℃，总加热时间不低于120min，终轧温度大于950℃，使aln在加热炉中充分回溶到钢材基体中，在后续的轧制和热处理过程中析出纳米级的析出相。具体实施例如下：表1化学成分(wt，％)元素csimnpscralnoh实施例10.190.281.280.0100.0121.250.0390.0140.00130.0001实施例20.200.261.260.0120.0141.270.0380.0190.00120.0001实施例30.210.231.240.0090.0151.230.0340.0170.00100.0002本发明的钢种的化学成分范围窄，氧含量较低，纯净度高。表2低倍组织性能本发明的钢种的低倍组织级别较佳，达到了gb/t3077-2015标准的特级优质合金结构钢的水平。表3晶粒度本发明的钢种在930℃保温4小时晶粒度为8级，晶粒细小均匀，达到了gb/t5216-2014标准的要求。另外，本发明的钢种在960℃和980℃保温4小时后，晶粒度仍然保持在7级，所以本发明的钢种可以在960℃进行高温渗碳，和原来的930℃渗碳相比，可以比原来的渗碳时间缩短一半。表4末端淬透性本发明钢种经过925℃保温1小时正火，925℃保温30分钟端淬后，淬透性带宽j5为42-45，j9为35-38，带宽≤4hrc，淬透性范围窄，减小了齿轮热处理的变形，达到国际领先水平。表5力学性能本发明钢种淬回火的抗拉强度超过标准范围的上限，且不同炉号的力学性能差异小，均匀性较佳。附不同al和n含量对应的晶粒度试验结果本

　　技术领域：