一种重型卡车变速器齿轮用21MnCrMoS钢及其制造方法与流程

本发明属于冶金
技术领域：
，尤其是合金钢类，具体涉及采用连铸-连轧生产的21mncrmos齿轮钢。
背景技术：
：齿轮为重要的传动零件，传递动力，在传动过程中齿根要受到反复的弯曲、接触应力，易产生弯曲疲劳断裂、磨损、划痕擦伤、齿形剥落变形等失效现象。重型卡车因载重量大，变速器齿轮需要承受较大扭矩，所以重卡变速器齿轮常选用sae8620h、scm420h等具有良好淬透性，能承受较大冲击载荷、高的弯曲疲劳应力的钢铁材料。而这些钢材的合金和制造成本非常高，产品市场竞争力不强。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种满足重载卡车变速器用高性能、低成本的齿轮钢新材料。与重型卡车变带器齿轮普遍采用的sae标准中的sae8620h、jis标准中的scm420h钢相比，本发明的21mncrmos钢取消了贵重合金ni的添加、降低cr、mo含量，在降低成本的同时，通过改进冶炼方法，使代表强度指标的淬透性仍能满足用于重型卡车变速器齿轮的要求。区别于现有技术，本发明齿轮钢热轧材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，具有的突出性能即钢的末端淬透性满足：j5=38-43hrc、j8=30-35hrc、j13=22-28hrc。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种重型卡车变速器齿轮用21mncrmos钢，化学成分按质量百分比计为，c：0.17～0.25%，si：0.10～0.35%，mn：0.95～1.35%，cr：0.25～0.65%，s：0.020-0.050%，p：≤0.025%，mo：0.08～0.15%，ni：≤0.10%，cu：≤0.20%，al：0.010～0.050%，ca：≤0.0005%，余量为fe及不可避免的杂质元素。热轧钢材的金相组织为均匀的铁素体与珠光体，钢的末端淬透性满足：j5=38～43hrc、j8=30～35hrc、j13=22～28hrc。本发明齿轮钢化学成分各元素对应的主要作用和设计依据是：c是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素。在所有元素中，碳提高钢强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化大约为铬的9倍和锰的18倍，所以为保证齿轮渗碳及淬火回火后心部有良好的的强韧性，钢中需有合适的碳含量，本发明碳含量范围确定为0.17～0.25%，属于表面渗碳钢。si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性，同时si在钢渗碳时会造成渗层内氧化并影响残余奥氏体量，因此si含量的范围确定为0.10～0.35%。mn对钢起固溶强化作用，并强烈提高钢的淬透性，本成分区别于常规crmo或crnimo渗碳钢中的mn含量控制范围，利用mn的特点确定为0.95～1.35%。cr对钢起固溶强化作用，提高钢的淬透性。另外cr降低c的活度，能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度，但过高的cr会明显降低淬火回火钢材的韧性，综上考虑，本发明将cr含量的范围确定为0.10～0.65%。mo是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性，细化晶粒，提高韧性，改善碳化物不均匀性，其碳化物稳定，高温也很难向固溶体转移，提高钢的热强性。对热处理的合金结构钢，能够降低钢的回火脆性，提高冲击韧性。本发明将mo含量的范围确定为0.08～0.15%。s的加入可以提高钢的切削性能，但会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，因此确定s含量范围为0.020～0.050%。al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，al与n形成弥散细小的氮化铝颗粒可以细化晶粒，但al含量大，钢水熔炼过程中易形成al2o3等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。本发明al含量的范围确定为0.010～0.050%。ca易与钢中s生成cas、cao，与钢中al2o3或mgo结合生成不变形的夹杂物，对齿轮的疲劳寿命产生不利影响，因此控制ca≤0.0005%。本发明齿轮钢通区别于常规用于重卡变速器齿轮用crmo或crnimo渗碳钢中cr、mo含量较高且crnimo钢中含有贵重元素ni，通过取消贵重合金元素ni，降低cr和mo元素的含量，充分利用mn元素能强烈提高淬透性的作用的技术手段，其含量由通常的0.50～0.80%提高至0.95～1.35%，结合cr、mo对钢材淬透性不同深度的的影响效果，优化设计了满足重卡变速器用齿轮钢的淬透性要求，具有较高的市场的竞争力和推广价值。本发明与现有技术相比，合金元素简单，易于控制，成本低，mn元素可以在精炼后期通过喂线的方式精确补加，保证了淬透性的稳定。再次通过控制钢中细化晶粒的质点元素的含量al，阻止渗碳过程中奥氏体晶粒的长大，提高了奥氏体晶粒的粗化温度，保证了重型卡车变速器齿轮长时间的高温渗碳处理后的晶粒细化。本发明与现有生产sae8620h、scm420h的工艺相比，在vd脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中al/n比，不但细化了晶粒，同时消除了因晶粒度的波动对淬透性的影响。上述重型卡车变速器齿轮用21mncrmos钢的制造方法，工艺流程为按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→lf炉精炼→vd炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤检测-入库，主要工序的说明如下（1）初炼：按权利要求1所述的配比备料，将原料装入初炼炉中，入炉原料中经预处理的铁水占20～60%，其余为废钢。通电并辅以吹氧助熔，当熔炼终点c的含量在0.02～0.10%，控制钢水温度在1650～1680℃，采用ebt滑板机构档渣出钢，出钢过程采用强脱氧并部分合金化，终点出钢碳不小于0.05%，防止钢水氧化。（2）lf精炼：将初炼钢水包用行车吊至lf精炼炉，接通底吹氩装置，送电进行再加热，过程中加入造渣材料及扩散脱氧剂，造白渣，控制炉渣碱度在2.0～2.5以更好的保证钢中的[s]控制在0.025～0.050%，精炼时间大于30分钟；lf精炼过程中搅拌强度以不裸露钢水为宜，当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至vd炉处理。优选地，lf炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入c粉、fesi粉、sic粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂al线的方法加强钢液强制脱氧。（3）vd脱气：接通ar气管，并盖上真空盖，抽真空，保持钢水在高真空度下的脱气时间不少于10分钟，在vd脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中al/n比，以及对mn元素进行精确补加。（4）连铸：将vd脱气后的钢水包吊至连铸大包回转台，浇钢后全程保护浇注，控制中间包钢水过热度15～30℃，拉速控制在0.5～0.85m/min以改善内部质量，采用恒拉速浇注、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下工艺措施，得到合格的连铸坯。（5）连铸坯500℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上，防止铸坯开裂，对缓冷后的连铸坯抛丸处理，提高其表面质量，减少铸坯轧制圆钢时表面原始缺陷的产生。（6）轧制：将连铸坯重新加热至1120～1280℃并保温3～6小时，轧制前进行长时间高温扩散，高温扩散温度在1150℃以上，以改善钢材组织。铸坯经高压水除鳞后采用连轧机组轧制，开轧温度1000～1120℃，终轧温度860～980℃，轧后及时收集。钢材规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上。附图说明图1为本申请实施例1的齿轮钢棒材的金相组织图；图2为本申请实施例2的齿轮钢棒材的金相组织图。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。1.21mncrmos齿轮钢棒材的生产制造方法，其特征在于制造规格为φ50mm-φ120mm的生产工艺路线为：按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→lf炉精炼→vd炉真空脱气→连铸300×340mm连铸坯→铸坯缓冷→铸坯抛丸→连续式加热炉加热→高压水除鳞→连轧→棒材缓冷→超声波探伤+表面探伤等检测-入库。其中包括炼钢工艺、轧制工艺。所述炼钢工艺：1)入炉原料中经预处理的铁水占20～60%，其余为废钢；2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：对电炉进行终点出钢碳控制，终点出钢碳不小于0.05%，防止钢水氧化；采用偏心炉底和留钢出钢，防止下氧化渣；3)lf炉精炼：lf炉送电后视炉内渣况补加部分石灰、萤石造渣，还原过程中渣面加入c粉、fesi粉、sic粉或铝粉进行扩散脱氧，并用喂al线的方法加强钢液强制脱氧。lf精炼过程中吹氩搅拌强度与各操作目的相关，但搅拌强度以不裸露钢水为宜。当成分全部进入规格要求、温度合适，吊包至vd炉处理。4)vd真空脱气：高真空度（133pa）下保持时间大于10分钟；高真空度下观察炉内钢水沸腾情况适当调整吹氩压力和流量，破空后取样分析，根据分析结果调整成分进入标准范围。在vd脱气处理后通过喂入氮化锰线精确控制钢中al/n比，细化晶粒。5)连铸全过程保护浇铸，并采用结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下技术。连铸钢水过热度目标控制在15～30℃，拉速控制在0.5～0.85m/min,改善内部质量。6)连铸坯500℃以上高温下线，入缓冷坑保温24小时以上，防止铸坯开裂，对缓冷后的连铸坯抛丸处理。所述轧制工艺：1)连铸坯在低氧化性气氛的加热炉内加热至1120～1280℃，保温4～6小时，出炉后铸坯经高压水除鳞处理高温去掉氧化铁皮；2)开轧温度1000～1120℃，终轧温度860～980℃。3)钢材冷却工艺：钢材规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上。2.根据权利要求1所述的21nicrmos齿轮钢的制造方法，实施例1其特征在于钢材规格φ50mm，轧制比51.9。1)电炉装炉量115吨，其中铁水装入量52吨，废钢63吨；电炉冶炼过程中，吹氧并造泡沫渣，出钢温度1662℃，终点碳含量0.08%；2)lf炉到位送电，补加石灰100kg、萤石50kg，炉渣化好后渣面分批加入sic粉60kg，喂al线400m，保持白渣时间25分钟。调整成分进入范围，lf炉出钢温度1660℃。3)vd在高真空度（133pa）下时间16分钟，破空后软吹氩20分钟，吊包温度1535℃。4)连铸全过程保护浇铸，结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下参数按ⅱ类钢标准。中包温度/拉速：1530℃/0.55m/min。5)连铸坯560℃入缓冷坑保温28小时。6)熔炼化学成分（w%），见表1。7)连铸坯加热温度1190℃，加热总时间5.5小时；8)开轧温度1052℃，终轧温度945℃。轧制后钢材堆冷。3.根据权利要求1所述的21nicrmos齿轮钢的制造方法，实施例2其特征在于钢材规格φ120mm，轧制比9.0。1)电炉装炉量113吨，其中铁水装入量53吨，废钢60吨；电炉冶炼过程中，吹氧并造泡沫渣，出钢温度1670℃，终点碳含量0.10%；2)lf炉到位送电，补加石灰100kg、萤石50kg，炉渣化好后渣面分批加入sic粉60kg，喂al线400m，保持白渣时间28分钟。调整成分进入范围，lf炉出钢温度1654℃。3)vd在高真空度（133pa）下时间14分钟，破空后软吹氩26分钟，吊包温度1530℃。4)连铸全过程保护浇铸，结晶器、二冷段电磁搅拌及轻压下参数按ⅱ类钢标准。中包温度/拉速：1528℃/0.55m/min。5)连铸坯530℃入缓冷坑保温30小时。6)熔炼化学成分（w%），见表1。7)连铸坯加热温度1210℃，加热总时间5.4小时；8)开轧温度1070℃，终轧温度962℃。轧制后钢材入坑缓冷28小时。4.本发明实施例1、实施例2、参照例3sae8620h、参照例4scm420h指标对比。1)化学成分如表1（wt%）:表1项目csimnpscrnimocual实施例121mncrmos0.200.251.250.0100.0250.520.040.130.040.032实施例221mncrmos0.230.271.180.0120.0270.600.030.120.040.035参照例3sae8620h0.200.250.820.0120.0240.580.550.220.030.030参照例4scm420h0.210.240.820.0110.0051.150.030.210.050.0282)晶粒度如表2：表23)末端淬透性如表3：表3图1、2分别显示了实施例1和实施例2热轧材的微观组织。从图1、2可知，该齿轮钢的热轧材微观组织为铁素体+珠光体。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。当前第1页12