專利名稱：一種易切削齒輪鋼及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，涉及一種齒輪鋼，具體地說是一種易切削齒輪鋼及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
我國齒輪用鋼，自二十世紀(jì)五十年代首批汽車生產(chǎn)，引用了前蘇聯(lián)I’ OCT標(biāo)準(zhǔn)中的牌號和性能指標(biāo)，用量最大的是18CrMnTi鋼，二十世紀(jì)八十年代改為20CrMnTi，該鋼號一直沿用至今。是目前國內(nèi)用于制造各種工程機(jī)械、汽車、農(nóng)用車等傳動齒輪、齒輪材料中使用量最大的一個(gè)齒輪鋼種，這種材質(zhì)由于符合我國的資源，具有成本低、工藝性能好、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)且可以滿足國內(nèi)大多數(shù)齒輪材質(zhì)的要求。因此這種材質(zhì)仍占據(jù)著中國汽車齒輪鋼材制造用量的50%左右，由于鈦鋼具有晶粒均勻細(xì)小，晶粒長大傾向小，熱處理工藝成熟穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且我國鈦資源豐富，所以在我國一直被廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械等產(chǎn)品中。但隨著我國五十年來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各種車型的引進(jìn)，國外CrMo、CrNiMo 等鋼同時(shí)被引進(jìn)和試制。我國的齒輪鋼由單一的CrMnTi鋼發(fā)展到CrMo、CrNiMo、MnCrB、 CrNiMn等多個(gè)品種的齒輪鋼，逐漸弱化了 Cr一Mn — Ti系齒輪鋼的主導(dǎo)地位。在車輛齒輪中20(^^1111齒輪鋼所占比例已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于34(%。已形成了適用不同車型、不同部位的多個(gè)系列的齒輪鋼。齒輪鋼的總體發(fā)展方向?yàn)楦咝阅堋⒌统杀?、易加工、長壽命和多品種化。開發(fā)節(jié)省合金元素的鋼種。如德國ZF公司的ZF6和ZF7是Mn — Cr一B系齒輪鋼，它具有晶粒細(xì)小、 淬透性帶窄、滲碳穩(wěn)定性好、熱處理變形穩(wěn)定等特點(diǎn)，滲碳處理后彎沖值高。由于制造齒輪時(shí)需要進(jìn)行大量的切削加工，所以開發(fā)易切削齒輪鋼是齒輪鋼技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展方向。當(dāng)前我國汽車用齒輪年用鋼252萬t，該鋼種是特鋼廠優(yōu)特鋼生產(chǎn)的主導(dǎo)品種。眾所周知，齒輪在工作過程中要承受交變載荷、沖擊載荷和磨損，對鋼的性能要求高、質(zhì)量要求嚴(yán)，因此，從鋼種使用工藝性特點(diǎn)和可加工性要求兩方面出發(fā)，不斷提高20CrMnTi鋼的質(zhì)量控制能力，對提高特鋼廠20CrMnTi鋼質(zhì)量水平、增加市場占有率，以及增強(qiáng)企業(yè)的核心競爭力，有著十分重要的意義。20CrMnTi鋼基體組織為鐵素體+珠光體組織，但20CrMnTi 鋼在成分設(shè)計(jì)上加進(jìn)了 Ti，不可避免地在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生或大或小的TiN夾雜物，Ti是齒輪鋼中的重要元素，但是Ti在鋼中易形成顆粒大、帶尖棱角的TiN，是疲勞裂紋源，其危害比氧化物夾雜還嚴(yán)重。對于20CrMnTi的發(fā)展前途，早在“六五”期間就已有議論，主要是TiN 不變形夾雜物比基體硬，影響加工精度，在使用時(shí)會成為疲勞源而影響齒輪的疲勞壽命。 因此，主要通過兩種措施減少TiN形成機(jī)會。一是盡量降低Ti含量，并通過精煉喂Ti線工藝替代原來直接加塊狀合金，提高Ti收得率，把Ti成分控制在很窄范圍內(nèi)。二是保證連鑄鋼液脫氧良好，連鑄過程采用全過程保護(hù)澆注，盡量避免與大氣接觸以減少鋼液吸氮。汽車工業(yè)近來面臨的一個(gè)迫切問題是汽車輕量化，為此必須提高汽車齒輪鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力和各項(xiàng)綜合能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中20CrMnTi存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種易切削齒輪鋼及其生產(chǎn)工藝。本發(fā)明采用Cr-Mn-Al-S系齒輪鋼代替原來的Cr一Mn — Ti系齒輪鋼， 20CrMnAlS齒輪鋼與20CrMnTi齒輪鋼相比有較近碳含量、鉻含量、錳含量，加入A1、S元素， 充分運(yùn)用晶內(nèi)鐵素體來細(xì)化晶粒。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
一種易切削齒輪鋼，其特征在于該齒輪鋼按重量百分比其成分為c O. 14 O. 22%、 Si O. 20 O. 35%、Mn O. 95 I. 15%、Cr O. 95 I. 15% ,Al O. 020-0. 060、P 彡 O. 035%、 S O. 012-0. 030%，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選的該齒輪鋼按重量百分比其成分為C O. 16-0. 22%、Si O. 23 O. 33%、 Mn O. 97 I. 13%、Cr O. 97 I. 13%、Ni ( O. 30 %、Mo 彡 O. 30% %、Cu ( O. 020%、 A10. 020-0. 060、P 彡 O. 0030%、S O. 012-0. 028%，余量是 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
各元素的作用
I) C :在所有元素中，碳提高強(qiáng)度的能力最大，碳對淬火回火鋼的強(qiáng)化效果大約為硅的5倍，鉻的9倍和錳的18倍，所以為保證齒輪鋼具有足夠的強(qiáng)度、硬度，鋼中必須含有相
當(dāng)高的碳含量。2) Mn:對鋼起強(qiáng)化作用，提高鋼的淬透性能。3) Cr :對鋼起強(qiáng)化作用，提高鋼的淬透性能。4) Al :晶粒細(xì)小均勻的奧氏體晶粒對穩(wěn)定齒輪鋼的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形，提高脆斷抗力和裂紋傳播抗力具有重要意義。考慮到Ti對齒軋鋼不利影響，主要是通過添加Al細(xì)化晶粒，以Al元素來實(shí)現(xiàn)細(xì)晶控制。為了更好地細(xì)化晶粒，采用精煉喂Al線方式，合理控制喂線速度和喂線時(shí)機(jī)，使得酸溶鋁含量能夠穩(wěn)定控制在內(nèi)控范圍之內(nèi)，達(dá)到晶粒度8級。5) S :提聞齒輪加工時(shí)的易切削能力，實(shí)現(xiàn)晶內(nèi)鐵素體冶金，細(xì)化晶粒，
一種易切削齒輪鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于該工藝包括冶煉、連鑄和軋制工序，其工藝流程為
Cl)電爐冶煉要求紅包無渣出鋼；
(2)LF精煉爐精煉過程中采用鋁脫氧；采用精煉喂Al線方式，控制喂線速度和喂線時(shí)機(jī)，使得酸溶鋁含量能夠穩(wěn)定控制在內(nèi)控范圍之內(nèi)，達(dá)到晶粒度8級。按照設(shè)計(jì)成份調(diào)整鋼的化學(xué)成份至目標(biāo)值(%)
C O. 19、Si O. 20、Crl. 05、Mn I. 05、Alt O. 030-0. 060 吹 Ar :壓力為 O. 25-0. 50MPa, 流量為 60-120L/Min,時(shí)間彡 40Min ；
(3)VD爐真空真空度< I. O毫巴下保持，保持時(shí)間10-15min，破真空即保持靜攪狀態(tài)；根據(jù)樣結(jié)果按優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行微調(diào)，然后喂入S線，S O. 020 ;微調(diào)其它成份至優(yōu)化值； 攪拌完畢后，保持靜攪3min以上喂入Ca-Si線，喂入量I. 5m/t鋼，靜攪3min以上取樣分析，并繼續(xù)保持靜攪，繼續(xù)微調(diào)成份至優(yōu)化值，微調(diào)合格后，吊包上連鑄；靜攪過程中加入保溫劑0. 8 L2Kg/噸鋼。(4)連鑄得到連鑄坯；
(5)軋鋼:予熱段< 850°C、加熱段12000 — 1250°C、均熱段1200 — 1230°C，總加熱時(shí)間135 145分鐘；水除鱗壓力≥20MPa ;開軋溫度≥1100-1130°C，終軋溫度≥950°C ； 軋后軋材入干燥坑緩冷，入坑溫度≥500°C，保溫時(shí)間≥24小時(shí)，出坑溫度< 200°C ;得到 20CrMnAlS 齒輪鋼。一種易切削齒輪鋼的生產(chǎn)工藝流程為
原輔料驗(yàn)收一配料一電爐冶煉一LF精煉一VD脫氣一連鑄一鑄坯坑冷一檢驗(yàn)一坯料驗(yàn)收一加熱一除鱗一軋制一剪切或鋸切一坑冷一矯直一修磨一成品檢驗(yàn)一打包標(biāo)志一稱重。本發(fā)明中，考慮到汽車的輕量化、高速度的發(fā)展趨勢；考慮到齒輪的各種苛刻工作環(huán)境、高強(qiáng)度、高壽命、耐疲勞、抗沖擊等方面的要求；采用的防止措施有晶粒細(xì)化、晶界強(qiáng)化等。改善晶界強(qiáng)度，可應(yīng)用于改善沖擊強(qiáng)度。消除TiN等氧化物與氮化物，可改善疲勞特性，真空脫氣處理主要是減少鋼液中的氧、氫等氣體成分的處理。以減少大型的非金屬夾雜物。另外，軟性夾雜物對疲勞極限的影響小于硬性夾雜物的影響，所以，嘗試了使非金屬夾雜物無害化的方法，即控制硬質(zhì)的非金屬夾雜物。使之成為軟性的夾雜物。應(yīng)用鈣處理是有效的辦法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
考慮到Ti對齒輪鋼不利影響，本發(fā)明通過Al的加入，以Al元素來實(shí)現(xiàn)細(xì)晶控制，得到晶粒細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，能穩(wěn)定齒輪鋼的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形，提高脆斷抗力和裂紋傳播抗力。為了更好地細(xì)化晶粒，采用精煉喂Al線方式，合理控制喂線速度和喂線時(shí)機(jī)，使得酸溶鋁含量能夠穩(wěn)定控制在內(nèi)控范圍之內(nèi)，達(dá)到晶粒度8級。同時(shí)加入S，可以提高齒輪加工時(shí)的易切削能力，實(shí)現(xiàn)晶內(nèi)鐵素體冶金，細(xì)化晶粒。本發(fā)明可代替 20CrMnTi適用于齒輪鋼中。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例I
本發(fā)明中按C O. 14 O. 22%控制，優(yōu)選為C O. 16 O. 20%，按計(jì)算量向鋼中加入低磷錳鐵和高碳鉻鐵，鋼的強(qiáng)韌性，強(qiáng)化晶界，進(jìn)而改善齒輪鋼的綜合力學(xué)性能。具體工藝如下
電爐冶煉要求紅包無渣出鋼。電爐新砌爐殼前三爐不得用于生產(chǎn)本方案中齒輪鋼，盡量避免使用新鋼包，在不得己使用新鋼包時(shí)須適當(dāng)延長LF精煉及VD真空處理時(shí)間。在100噸電爐冶煉時(shí)，因需要走真空，鋼包要留有自由空間，出鋼量目標(biāo)為88噸，配料選用優(yōu)質(zhì)廢鋼、鐵水、生鐵。鐵水加生鐵量 > 總配料量的30%。配碳量≥I. 0%,要求電爐冶煉配碳量≥I. 0%、脫碳量≥O. 80%。電爐終點(diǎn)控制目標(biāo)≥O. 08， P≤O. 008%, T≤16300C，定氧[O] ( 700PPm,電爐出鋼過程中鋼包內(nèi)每噸鋼水渣料及合金加入量Mn-Fe I. 8Kg /t鋼水，石灰8Kg/t鋼水，螢石2Kg/t鋼水，LC-CrFe I. 7Kg/ t鋼水等。LF精煉爐
I)精煉過程中采用鋁脫氧。依據(jù)渣況使用Sic、電石總量O. 4 -0.8Kg/t鋼水，分3-5 批次擴(kuò)散脫氧，確保白渣時(shí)間> 20分鐘以上.。2)按照設(shè)計(jì)成份調(diào)整鋼的化學(xué)成份至目標(biāo)值(%):
C O. 19 Si O. 20 Crl. 05 Mn I. 05 AltO. 030-0. 060)吹 Ar :壓力為 O. 25-0. 50MPa，流量為 60-120L/Min，時(shí)間彡 40Min。VD爐真空
1.真空度<I. O毫巴下保持，保持時(shí)間10-15min，破真空即保持靜攪狀態(tài)；
2.破真空取棒棒糖樣分析全成分。

3.根據(jù)樣結(jié)果按優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行微調(diào)，然后喂入S線S收得率按75%按
O.030%計(jì)算喂入。也微調(diào)其它成份至優(yōu)化值。攪拌2min完畢后，保持靜攪3min以上喂入Ca-Si線 (喂入量1.5m/t鋼水)，靜攪3min以上取成品樣后吊包上連鑄。4).靜攪過程中根據(jù)溫降加入保溫劑0. 8 I. 2Kg/噸鋼水。5).真空終點(diǎn)出站溫度連鑄第一爐1575 1585°C連澆爐1565 1575°C。連鑄
1).液相線溫度1504°C。2).最佳過熱度20-30°C。3).結(jié)晶器保護(hù)渣16Mn鋼專用渣。4).覆蓋劑雙層，保護(hù)套管A1-C。5).拉速220mm X 260mm : ΛΤ > 30°C 最大拉速 O. 8-0. 9m/min
Δ T=20 35°C最大拉速 I. 0-1. lm/min Δ T < 20°C最大拉速 I. 1-1. 2m/min。6).電磁攪拌(電流 * 頻率)MEMS M-EMS 220A*3HZ F-EMS 50A*6
7). 振動參數(shù)65+65V。8).連鑄坯下連鑄線后保持良好的避風(fēng)堆冷。9).無結(jié)晶器電磁攪拌或末端電磁攪拌流拉速相應(yīng)降低O. lm/min。10).水冷工藝按弱冷工藝執(zhí)行，冷水二比水量(1/kg) O. 35 見表I:
表I
__水冷參數(shù)( )_
^^ m I m4
33252220
配水制度根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。保證鑄坯不能產(chǎn)生脫方、縮孔和鼓肚。11).嚴(yán)禁水口插入深度<50mm，中包擋墻孔露出及擋墻倒必須換組。軋鋼
I).予熱段< 850°C加熱段12000 - 12500C均熱段1200 — 1230°C，總加熱時(shí)間135 145 (分)。出入鋼節(jié)奏90 100 (秒)
2).水除鱗壓力彡20MPa。3).開軋溫度彡1100-1130°C，終軋溫度彡950°C。4).軋后軋材入坑緩冷，緩冷坑必須干燥，入坑溫度彡5000C，保溫時(shí)間彡24小時(shí)， 出坑溫度彡2000C ;得到易切削20CrMnAlS齒輪鋼。易切削20CrMnAlS齒輪鋼的成分重量百分比見表2 :表2中參照例2為20CrMnTi
的成分重量百分比。I)化學(xué)成份如下表2 (wt%)
權(quán)利要求
1.一種易切削齒輪鋼，其特征在于該齒輪鋼按重量百分比其成分為c 0.14 .0.22%、Si 0. 20 0. 35%、Mn 0. 95 I. 15%、Cr 0. 95 I. 15%、Al 0. 020-0. 060、P^O. 035%、S 0. 012-0. 030%，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的易切削齒輪鋼，其特征在于該齒輪鋼按重量百分比其成分為C 0. 16-0. 22%、Si 0. 23 0. 33%、Mn 0. 97 I. 13%、Cr 0. 97 I. 13%、Ni ( 0. 30%、Mo 彡 0. 30% %、Cu ( 0. 020% ,A10. 020-0. 060、P 彡 0. 0030%、S 0. 012-0. 028%，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.—種權(quán)利要求I所述的易切削齒輪鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于該工藝包括冶煉、連鑄和軋制工序，其工藝流程為 .1)電爐冶煉要求紅包無渣出鋼； . 2)LF精煉爐精煉過程中采用鋁脫氧；按照設(shè)計(jì)成份調(diào)整鋼的化學(xué)成份至目標(biāo)值(%)C 0. 19、Si 0. 20、Crl. 05、Mn I. 05、Alt 0. 030-0. 060 吹 Ar :壓力為 0. 25-0. 50MPa,流量為 60-120L/Min,時(shí)間彡 40Min ； .3)VD爐真空真空度<I. 0毫巴下保持，保持時(shí)間10-15min，破真空即保持靜攪狀態(tài)；根據(jù)樣結(jié)果按優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行微調(diào)，然后喂入S線，S 0. 020 ;微調(diào)其它成份至優(yōu)化值；攪拌完畢后，保持靜攪3min以上喂入Ca-Si線，喂入量I. 5m/t鋼水，靜攪3min以上取樣分析，并繼續(xù)保持靜攪，繼續(xù)微調(diào)成份至優(yōu)化值，微調(diào)合格后，吊包上連鑄； .4)連鑄得到連鑄坯； .5)軋鋼:予熱段<850°C、加熱段12000 — 1250°C、均熱段1200 — 1230°C，總加熱時(shí)間135 145分鐘；水除鱗壓力彡20MPa ;開軋溫度彡1100-1130°C，終軋溫度彡950°C ；軋后軋材入干燥坑緩冷，入坑溫度彡500°C，保溫時(shí)間彡24小時(shí)，出坑溫度< 200°C ;得到.20CrMnAlS 齒輪鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的易切削齒輪鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于步驟3)中，靜攪過程中加入保溫劑0. 8^1. 2Kg/噸鋼水。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的易切削齒輪鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于步驟2)中，采用精煉喂Al線方式，控制喂線速度和喂線時(shí)機(jī)，使得酸溶鋁含量能夠穩(wěn)定控制在內(nèi)控范圍之內(nèi)，達(dá)到晶粒度8級。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種易切削齒輪鋼及其生產(chǎn)工藝，該齒輪鋼按重量百分比其成分為C0.14～0.22%、Si0.20～0.35%、Mn0.95～1.15%、Cr0.95～1.15%、Al0.020-0.060、P≤0.035%、S0.012-0.030%，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。該工藝包括冶煉、連鑄和軋制工序。本發(fā)明采用Cr-Mn-Al-S系齒輪鋼代替原來的Cr—Mn—Ti系齒輪鋼，加入Al、S、元素，充分運(yùn)用晶內(nèi)鐵素體來細(xì)化晶粒。能穩(wěn)定齒輪鋼的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形，提高脆斷抗力和裂紋傳播抗力，提高齒輪加工時(shí)的易切削能力。本發(fā)明可代替20CrMnTi適用于齒輪鋼中。
文檔編號C22C38/20GK102703817SQ20121021988
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉憲民, 王時(shí)林 申請人:中天鋼鐵集團(tuán)有限公司