一种适于冷锻加工的低硅中碳齿轮钢及其制造方法

摘要

本发明涉及一种适于冷锻加工的低硅中碳齿轮钢及其制造方法，钢的元素成分按质量百分比计为C:0.35～0.45％，Si：≤0.08％，Mn：0.30～0.60％，Cr：0.20～0.50％，P：≤0.020％，S：0.010～0.040％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.05％，Mo：≤0.05％，Al：≤0.050％，N：≥0.005％，B：0.0005～0.0035％，Ti:≤0.010％，[O]：≤0.0020％，(Cu+Ni+Mo)：≤0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。成型规格为φ45mm～φ90mm的圆钢，尺寸精度≤±0.15mm。按照GB/T 4162‑2008对圆钢内部超声波探伤满足A级的要求。圆钢截面上外层为部分脱碳层，部分脱碳层的深度≤圆钢公称直径的0.5％d，心部为基体组织，基体组织为铁素体+球化珠光体，球化率达到90％以上。

说明书

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种齿轮钢及其制造方法。

背景技术

冷锻工艺是一种精密塑性成形技术，相比传统的热锻工艺，冷锻工艺具有生产效率高、尺寸精度好、原材料利用率高与生产成本较低等诸多优势，并且冷锻工艺特别适合大批量制造异形零部件。

冷锻工艺对原材料有着严格的要求，普通的热锻用钢材难以满足冷锻工艺对钢材的要求。冷锻用钢相比热锻用钢必须拥有更高的尺寸精度，更浅的脱碳层深度，并且需要控制球化退火后的钢材硬度与组织球化率。基于冷锻工艺快速发展的现状，开发能够直接用于冷锻加工的中碳齿轮钢是齿轮钢技术领域人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于冷锻加工的低硅中碳齿轮钢及其制造方法，通过对钢材的元素成分设计，尺寸精度、脱碳层深度以及球化硬度与组织球化率的控制，获得一种具有优异冷锻性能的中碳齿轮钢，该材料能够用于零部件的冷锻加工成型。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种适于冷锻加工的低硅中碳齿轮钢，所述钢的元素成分按质量百分比计为C:0.35～0.45％，Si：≤0.08％，Mn：0.30～0.60％，Cr：0.20～0.50％，P：≤0.020％，S：0.010～0.040％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.05％，Mo：≤0.05％，Al：≤0.050％，N：≥0.005％，B：0.0005～0.0035％，Ti:≤0.010％，[O]：≤0.0020％，(Cu+Ni+Mo)：≤0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

进一步地，钢的元素成分中Al：0.010％～0.045％，N：0.0050％～0.0180％。

本发明各化学元素对应的主要作用和设计依据是：

C：是确保钢材强度的最基础元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，但过高的C含量对钢的冷锻性能不利,钢中需要合适的C含量,本发明控制其含量为0.35～0.45％。

Si：在钢中的有一定的脱氧作用，并可以溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度，但是Si元素在材料冷加工变形时会引起材料的冷作硬化，因此Si含量的范围确定为≤0.08％，可视为残余元素。

Mn：可以有效地提高钢材淬透性。锰和铁形成的固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰还可以与钢中的硫形成高熔点(1600℃)的MnS，一定程度上消除了钢中硫元素的危害。因此，本发明Mn含量控制为0.30～0.60％。

Cr:在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可对钢起固溶强化作用，提高钢的淬透性。但是过高的Cr会造成变形强化引起的冷锻开裂。综上考虑，本发明将Cr含量的范围确定为Cr：0.20～0.50％。

P:作为残余元素在钢中存在，磷元素容易在晶间偏聚，致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。此外过高的磷含量会增加钢的回火脆性。因此，本发明中磷是有害元素，应严加控制。本发明将P含量的范围确定为P：≤0.020％。

S：在钢中加入一定含量的S，可以有效的提升钢的切削性能，S与Mn形成的硫化物分布在钢中，降低了切削抗力，割断了基体的连续性而使钢材切削易断，MnS的润滑作用降低了刀具的损耗，降低了用户的加工成本。本发明专利的S含量范围为0.010～0.040％。

Al:作为强烈脱氧剂加进钢中，主要起到脱氧的作用。但是钢中铝含量较高时，会降低钢材的高温强度与韧性，并且过高的铝不利于钢水的正常浇注。本发明专利的Al含量范围为≤0.050％，Al的优选控制范围为0.010％-0.045％。

N:可以与Al相结合形成AlN颗粒,AlN质点可以起到钉扎晶界的作用，阻止钢中晶粒在高温状态下不断长大，从而起到细化奥氏体晶粒度的作用。本发明专利的N含量范围为≥0.005％，N的优选控制范围为0.0050％-0.0180％。

Cu、Ni、Mo：均可以提高钢的淬透性与强度，但是过多Cu、Ni、Mo会降低钢材的冷锻性能，在本发明钢种中Cu、Ni、Mo均是以残余元素的形式存在。本发明专利的Cu含量的范围为≤0.10％，Ni含量范围为≤0.05％，Mo含量范围为≤0.05％，并且(Cu+Ni+Mo)含量范围为≤0.15％。

B：在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，只需要添加微量的B就可以显著提高钢材的淬透性，从而节约其他价格较高的贵金属。本发明B含量的范围为0.0005～0.0035％。

Ti:在本发明钢种中Ti是以残余元素的形式存在,Ti可以与N相结合形成TiN颗粒,在钢中属于硬脆的夹杂物，硬度高且不易变形，呈多边形特征且棱角锋利，冷锻过程中易形成微小的裂纹源，最终影响材料的疲劳寿命。本发明Ti含量的范围为≤0.010％。

O:在钢中主要以Al

上述钢的成型规格为φ45mm～φ90mm的圆钢，尺寸精度≤±0.15mm。圆钢表面裂纹深度≤0.10mm，按照GB/T 4162-2008对圆钢内部超声波探伤满足A级的要求。

圆钢成品截面上，球化率达到90％以上，外层为部分脱碳层，心部为基体组织，其中部分脱碳层的深度≤圆钢公称直径的0.5％d，所述基体组织为铁素体+球化珠光体，基体组织的碳含量和圆钢的设计碳含量一致；所述部分脱碳层的碳含量大于零并且小于基体组织的碳含量。

本发明的另一目的是要提供上述齿轮钢的制造方法，包括如下步骤：

(1)钢水冶炼：包括初炼、精炼和真空脱气，原料中无需特别准备Si合金，Si按照残余元素存在于钢水中，且一般将其含量控制在0.08％以下；精炼过程中向钢水中加入铝块，铝块沉入钢水实现沉淀脱氧，同时在精炼过程中继续加入锰铁与铬铁合金，以便调整锰和铬的含量一般达到脱氧的目的；精炼结束后采用VD炉和或RH炉对钢水真空脱气；

(2)连铸：采用连铸工艺将步骤(1)的钢水浇铸成钢坯，浇铸过程采用全流程保护浇注即连铸过程将钢水与空气隔绝防止钢水发生二次氧化；

(3)高温均质化：将连铸坯送入步进式加热炉加热，加热温度1100-1200℃，在该温度区间下保温3小时以上，控制燃气的空煤比在1.01-1.07以减小残氧量，降低加热过程中连铸坯表面的脱碳层深度；

(4)热轧：设置开轧温度为1050-1150℃，终轧温度温度为820-930℃，轧制变形全过程都在奥氏体再结晶温度区域进行，并且轧制过程每道次的变形量控制在10％-20％，终轧结束后使用保温罩对钢材进行缓冷，钢材缓冷过程中的温降速度控制在20℃/min-50℃/min，最终得到均匀且细小的铁素体与珠光体片层组织，珠光体片层组织占比为50％-70％；

(5)退火：在有保护气氛的加热炉内进行退火(防止圆钢表面及近表面脱碳加剧)，将钢材加热到AC1(本申请AC1相变温度大约为740℃)以上20-50℃温度区间，并保温4-7小时，促使钢中60-80％的片状珠光体率先奥氏体化，之后钢材炉冷至AC1以下50-80℃温度区间，并保温8-12小时，最后出炉空冷，促使剩余部分(指均匀分布在钢材中的小部分珠光体，这部分珠光体断片在AC1以下50-80℃温度区间保温8-12小时可以转变为球状的碳化物。)的未完全奥氏体化的珠光体片层转变为球状碳化物，最终球状的碳化物均匀分布在铁素体基体上，退火后圆钢截面上由外向内依次为全脱碳层、部分脱碳层和基体组织；

(6)扒皮：退火后的圆钢通过扒皮的方式去除表面全脱碳层即铁素体层与部分表面裂纹缺陷，圆钢扒皮深度控制在0.15-0.20mm，圆钢扒皮后确保无全脱碳层，且部分脱碳层深度≤圆钢公称直径的0.5％d。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本申请元素成分中硅不刻意添加，视为残余元素，其含量控制在0.08％以下，目的是抑制冷锻加工变形时引起材料的冷作硬化的趋势。硅对钢水脱氧的作用由此也被弱化了，在精炼时采用铝块沉淀脱氧，并通过添加锰铁与铬铁合金辅助脱氧，以达到对钢水较强的脱氧效果。

连铸坯在热轧的再加热工序中，为了降低加热过程中连铸坯表面的脱碳层深度，对采用有保护气氛的加热炉，比如氮气保护，并且对加热炉的空煤比即空气和煤气的比例进行严格限定，避免富氧燃烧，降低加热炉内的残氧量，也有助于降低脱碳层深度。

本申请的轧制采用全过程奥氏体再结晶区轧制(单相区轧制)，轧后加罩缓冷，最后获得铁素体和珠光体片层组织，其中珠光体片层组织占比为50％-70％；在此金相组织的前提下，针对圆钢截面上的加热规律，进一步设计退火工艺，以尽可能的降低表面全脱碳层，而尽可能多得获得均匀分布在铁素体上的球状碳化物组织。最后经过扒皮去掉圆钢表面的全脱碳层组织和缺陷，最终圆钢产品的组织为由表及里都是球状碳化物+铁素体，其中外层为部分脱碳层组织，心部为碳含量与产品碳含量设计值一致的基体组织。

附图说明

图1为本发明实施例1轧制圆钢的外形尺寸分布图；

图2为本发明实施例2轧制圆钢的外形尺寸分布图；

图3为本发明实施例1圆钢球化退火显微组织；

图4为本发明实施例2圆钢球化退火显微组织。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中的实施例1

熔炼采用电炉+精炼炉+VD炉冶炼100吨下述所示化学成分组成的钢，并使用连铸工艺铸造，制作截面尺寸300mm×340mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分为C:0.40％，Si：0.06％，Mn：0.53％，Cr：0.36％，P：0.010％，S：0.020％，Al：0.020％，N：0.007％，Cu：0.02％，Ni：0.01％，Mo：0.02％，B：0.0015％，Ti：0.004％，[O]:0.0012％，(Cu+Ni+Mo):0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

精炼炉精炼过程中采用铝块沉淀脱氧，喂入锰铁和铬铁辅助脱氧，连铸过程采用全过程保护浇注，隔绝空气防止二次氧化。

将连铸坯需加热至1130℃，坯料保温4小时后出加热炉，加热煤气的空煤比在1.01-1.07区间内，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为1060℃，终轧温度为910℃，终轧结束后使用保温罩对钢材进行缓冷得到均匀的铁素体与珠光体片层；精轧机组采用高精度三辊轧机轧制，轧制成型的φ45.2mm圆钢下线后外形尺寸精度为-0.071mm～+0.097mm(具体外形尺寸统计见图1)。

轧制圆钢采用带氮气保护的连续退火炉进行球化退火，球化退火工艺为770℃保温4小时，炉冷至680℃保温8小时后空冷。成品金相组织为球状碳化物+铁素体，其组织球化率为95％，球化退火后钢材硬度为152HBW。

球化退火后的圆钢使用扒皮机进行一道扒皮处理，扒皮深度为0.20mm，扒皮后的圆钢公称直径为φ45mm。经检测，圆钢扒皮后表面无全脱碳层，部分脱碳层深度为0.195mm。扒皮后圆钢内部探伤采用超声波A级(GB/T 4162-2008)检验；表面探伤精度设置为0.10mm。

实施例2

熔炼采用电炉+精炼炉+VD炉冶炼100吨下述所示化学成分组成的钢，并使用连续铸造，制作截面尺寸300mm×340mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计包括：C:0.41％，Si：0.05％，Mn：0.52％，Cr：0.37％，P：0.011％，S：0.017％，Al：0.019％，N：0.008％，Cu：0.02％，Ni：0.02％，Mo：0.01％，B：0.0016％，Ti：0.004％，[O]：0.0010％，(Cu+Ni+Mo)：0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

将连铸坯需加热至1140℃，坯料保温4小时后出加热炉，加热煤气的空煤比在1.01-1.07区间内，高压水除鳞后进行轧制：开轧温度为1050℃，终轧温度为920℃，终轧结束后使用保温罩对钢材进行缓冷得到均匀的铁素体与珠光体片层；精轧机组采用高精度三辊轧机轧制。轧制成型的φ90.2mm圆钢下线后外形尺寸精度为-0.108mm～+0.145mm(具体外形尺寸统计见图2)。

轧制圆钢采用带氮气保护的连续退火炉进行球化退火，球化退火工艺为770℃保温4小时，炉冷至680℃保温8小时后空冷。成品金相组织为球状碳化物+铁素体，其组织球化率为95％，球化退火后钢材硬度为151HBW。

球化退火后的圆钢使用扒皮机进行一道扒皮处理，扒皮深度为0.20mm，扒皮后的圆钢公称直径为φ90mm。经检测，圆钢扒皮后表面无全脱碳层，部分脱碳层深度为0.396mm。扒皮后的圆钢内部探伤采用超声波A级(GB/T 4162-2008)检验；表面探伤精度设置为0.10mm。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。