一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法与流程

一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法
1.技术领域：本发明涉及钢铁行业中的齿轮钢，具体涉及一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法。
2.

背景技术：
齿轮是轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件，广泛应用于机械传动及机械领域。齿轮经过上千年的发展，材质从青铜、铸铁，一直到现代的钢、合金。齿轮主要的失效形式是齿面磨损和胶合，为此多采用表面渗碳钢进行齿轮的制造，提高齿面的硬度和耐磨性。
3.欧标en 10084《渗碳钢》标准中规定20mncr5的c：0.17%-0.22%，si≤0.40%，mn：1.10%-1.40%，p≤0.025%，s：0.020%-0.040%，cr：1.00%-1.30%。目前欧美国家多使用20mncr5材质制造汽车变速箱齿轮和齿轮轴，尤其是德系汽车。随着汽车产业的发展，国内汽车厂也在推广使用20mncr5材质的齿轮和齿轮轴。齿轮的成型工艺分为热锻和冷挤压。一般热锻齿轮表面易氧化，且由于齿轮结构复杂，尺寸精度难以保证，表面氧化脱碳也影响其耐磨性。而冷挤压是一种无切削、少切削的零件加工工艺，可以提高金属的变形能力；改善材料的组织，提高零件的强度和刚性；提高表面质量和尺寸精度；节约原材料；适用性广，可以用于结构复杂的空心和实心件；生产灵活性大，生产效率高；节约能源。对于结构复杂的空心齿轮轴一般很难采用热锻工艺制造，且由于空心齿轮轴结构复杂，采用传统的20mncr5齿轮材料，挤压成型易开裂，淬火易开裂，已经不能满足使用要求，因此急需一种适用于冷挤压工艺具有适宜淬透性的齿轮轴用钢。
4.

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对现有20mncr5钢产品及其生产工艺存在的问题，提供一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法。降低材料的淬透性，提高其可加工性，最终达到冷挤压的要求。
5.本发明解决上述问题通过以下技术方案实现：一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法，化学成分质量百分比为：c：0.19%-0.21%，si：0.15%-0.25%，mn：1.11%-1.20%，p≤0.015%，s：0.015%-0.025%，cr：1.03%-1.10%，al：0.035%-0.050%，cu≤0.20%，ti≤0.010%，v：0.01%~0.03%，nb≤0.010%，sn≤0.010%，b≤0.0010%，[h]≤2.0ppm，[n]：110ppm-140ppm，余量为fe。
[0006]
本发明进一步改进方案是，化学成分质量百分比为：c：0.20%，si：0.15%，mn：1.20%，p：0.010%，s：0.015%，cr：1.10%，al：0.045%，cu：0.03%，ti：0.001%，v：0.02%，nb：0.002%，sn：0.001%，b：0.0003%，[h]：1.2ppm，[n]：134ppm，余量为fe。
[0007]
本发明可从材质上将齿轮钢的淬透性降低，提高其可加工性，采用冷加工代替热锻、温锻，不仅尺寸精度高、刚度大、组织致密，还可以提高齿轮轴的表面质量，提高生产效率，降低能耗，减少材料损耗，较少环境污染。通过本发明的制备方法，生产的冷挤压齿轮轴用钢性能更稳定，使用寿命更高。
[0008]
下面具体说明本发明冷挤压齿轮轴用钢化学成分的限定理由：
c：能有效提高钢的强度和淬透性，但为c含量越高碳化物的偏析会越明显，c成分的波动会显著影响钢的淬透性，为稳定淬透性，防止淬火开裂，本发明在20mncr5的基础上将c含量控制在0.19%-0.21%之间；si：是一种弱脱氧剂，能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度；在本发明中，si作为一种脱氧剂存在，提高钢的刚性，且对淬透性起到一定的稳定作用，因此本发明添加0.15%-0.25%的si；mn：能够提高钢的硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性。mn还有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性。为稳定控制淬透性，防止齿轮轴淬火开裂，本发明相对于20mncr5钢mn含量控制在标准下限，在1.11%-1.20%之间；cr：能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性。为控制淬透性，防止淬火开裂，本发明相对于20mncr5钢cr含量控制在标准下限，在1.03%-1.10%之间；al：在钢中主要作为脱氧剂使用，一般al含量控制在0.015%就可以起到充分的脱氧作用。本发明添加了0.035%-0.050%的al，不仅起到脱氧的作用，还起到均匀细化晶粒的作用，稳定钢的淬透性，起到提高耐磨性的作用。
[0009]
cu：能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性，但是cu含量超过0.20%会导致淬火加热时在晶界析出，造成网状开裂，所以本发明中cu含量控制在≤0.20%；ti：在钢中一般起到细化晶粒的作用，但是本发明钢种添加了n元素，ti易与钢种的n形成氮化钛夹杂物，氮化钛是一种带有棱角的脆性夹杂物，对齿轮轴的疲劳寿命有严重的影响，所以本发明将ti含量限定为≤0.010%。
[0010]
v：是一种细化晶粒元素，可以提高钢的强韧性和耐磨性，还可以阻止奥氏体晶粒的粗化，为提高齿轮轴的疲劳寿命，稳定淬透性，本发明添加了0.01%~0.03%的v。
[0011]
nb：在钢中主要起细晶强化和弥散强化作用，能细化钢的晶粒，提高钢的强韧性，当nb含量超过0.010%就会显著影响钢的性能稳定性，为确保钢性能的稳定性，本发明将nb元素限定在≤0.010%。
[0012]
sn：是一种有害元素，在钢中一般以大颗粒夹杂物形态存在，含sn的夹杂物比较脆硬，在齿轮中会造成接触疲劳开裂，降低齿轮钢的疲劳寿命，所以本发明将sn元素限定在≤0.010%。
[0013]
b：是一种强淬透性元素，添加0.0010%以上的b就会产生显著的淬透性提升效果，本发明对淬透性要求严格，将b含量限定在≤0.0010%。
[0014]
[h]：在钢中的固溶量极少，一般以氢气的形态聚集于钢的空隙中，造成白点、点状偏析，本发明将[h]含量限定在≤2.0ppm。
[0015]
[n]：在钢中多以有害元素存在，随着氮含量的增加，钢的脆性增加，塑性显著降低。本发明中加入了较多的al元素，氮和al充分结合，形成细小弥散的aln颗粒，aln对齿轮的耐磨性有显著提高，所以本发明配合高al设计将[n]含量限定在110ppm-140ppm。
[0016]
p：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，p还会降低塑性，使钢的冷挤压性能变差，易产生挤压开裂。因此，本发明将p含量严格控制在0.015％以下；s：是一种易偏析元素，影响钢材的均匀性和变形稳定性，且s在钢中主要以硫化物的形态存在，影响钢的纯净度。但是本发明钢种在冷挤压后需要进行车削加工，为提高其切
削性能，确保切削后表面质量，本发明添加了0.015%-0.025%的s。
[0017]
一种冷挤压齿轮轴用钢及其制备方法，包括下列步骤：按所述组分的质量百分比，（1）铁水准备：选用s：0.030%~0.045%、p≤0.12%的控硫低磷铁水生产本发明钢种；铁水不脱硫，利用铁水中的硫控制钢材s含量；（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制铁水温度≥1300℃，转炉采用双渣法操作实现脱p，确保转炉终点p≤0.012%，出钢加入铝饼、合金、预熔精炼渣、石英砂、石灰进行造渣、预脱氧及成分初调，确保精炼到站c：0.10%~0.15%、si：0.10%~0.15%、mn：0.90%~1.00%、cr：0.90%~1.00%。采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回p≤0.001%；（3）lf精炼：在100吨以上的lf炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度r：3.5-5.0的精炼渣；根据钢水过氧化程度配比使用石灰与预熔精炼渣，精炼前期和调整成分时采用大搅拌强度，但必须保证钢水不裸露，其他全程采用软吹搅拌；控制精炼过程al含量0.040%-0.055%，控制脱硫程度，将s含量控制在0.030%-0.035%；精炼结束前将化学成分调整到目标范围：c：0.19%~0.21%、si：0.15%-0.25%、mn：1.03%~1.06%、cr：1.03%~1.10%、s：0.025%-0.030%、al：0.035%-0.050%。
[0018]
（4）rh真空脱气：在100吨以上的rh炉中进行真空脱气，真空室不得有冷钢，控制真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，确保钢水破空[h]≤1.5ppm。钢水破空后喂入300m氮锰线。
[0019]
（5）软吹及微变性处理：软吹前通过喂丝机喂入30m的硅钙线进行微钙变性处理；喂线后立即软吹，软吹时间控制在15min-25min。软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为15min~20min，确保夹杂物聚集，通过软吹上浮去除；（6）圆坯连铸：采用φ500mm弧形圆坯连铸机3-4流浇注，控制过热度为25℃-40℃，采用0.33m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在4200l/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用m-ems+s-ems+f-ems三段电磁搅拌装置，充分均匀组织、成分，提高内部质量。
[0020]
（7）开坯轧制：采用φ1100mm开坯机9道次开坯，将φ500mm连铸坯轧制成200mm
×
200mm方钢；加热温度1260℃-1280℃，加热时间6-8h；轧后避风堆冷。
[0021]
（8）连轧：方钢冷却到室温后采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过2.5h，控制空燃比0.90~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度1010℃~1050℃，采用十四架连轧机组进行轧制。
[0022]
（9）精整：采用矫直+抛丸+倒棱+超声波探伤+表面探伤的工艺精整，确保钢材的内外部质量。
[0023]
本发明针对现有20mncr5齿轮钢冷加压过程出现的开裂、变形不均匀，尺寸精度差等问题，使用创新的化学成分设计和特有的生产工艺，齿轮钢经用户冷加压成型后尺寸精度高，内外表面质量优，组织均匀致密，疲劳寿命比普通热锻齿轮轴高40%以上，同时减少了后续的表面精加工，综合制造成本降低了20%。
[0024]
按照本发明生产的齿轮轴用钢，具有精度高、刚度大、组织均匀、表面质量优、能耗低、污染少、疲劳寿命高等特点，材料淬透性可以达到如下水平：j1.5：43hrc~46hrc、j3：43hrc~46hrc、j5：40hrc~44hrc、j7：35hrc~40hrc、j9：31hrc~39hrc、j11：29hrc~36hrc、j13：
27hrc~34hrc、j15：26hrc~33hrc、j20：23hrc~30hrc、j25：21hrc~29hrc、j30：20hrc~28hrc、j35：19hrc~27hrc、j40：18hrc~26hrc。
[0025]
国内本发明与现有技术相比，具有以下优点：（1）本发明相较传统的20mncr5齿轮钢，c含量由0.17%-0.22%收窄到0.19%-0.21%，si含量由≤0.40%添加0.15%-0.25%，mn含量由1.10%~1.40%降低到1.11%~1.20%，s含量由0.020%-0.040%降低到0.015%-0.025%，cr含量由1.00%-1.30%降低到1.03%-1.10%，p含量由≤0.025%加严到≤0.015%，显著加入了0.01%-0.03%的v和110ppm-140ppm的n，在提高钢材刚度的同时，提高了钢的塑性和耐磨性。
[0026]
（2）针对此类钢种的特性和发展需求，本发明将si元素含量由传统的≤0.05%提高到0.15%-0.25%，充分发挥合金元素的作用，抑制钢的淬透性，降低了钢的冶炼难度。
[0027]
（3）本发明限定cu≤0.20%，ti≤0.010%，nb≤0.010%，sn≤0.010%，b≤0.0010%，相较现有齿轮钢，因残余元素含量低，淬透性更加稳定。
[0028]
（4）本发明采用以下工艺措施，确保了钢的纯净度和均匀性：选用s：0.030%~0.045%、p≤0.12%的控硫低磷铁水生产本发明钢种；铁水不脱硫，利用铁水中的硫控制钢材s含量；在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制铁水温度≥1300℃，出钢加入铝饼、合金、预熔精炼渣、石英砂、石灰进行造渣、预脱氧及成分初调，确保精炼到站c：0.10%~0.15%、si：0.10%~0.15%、mn：0.90%~1.00%、cr：0.90%~1.00%。采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回p≤0.001%；在100吨以上的lf炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度r：3.5-5.0的精炼渣；根据钢水过氧化程度配比使用石灰与预熔精炼渣，精炼前期和调整成分时采用大搅拌强度，但必须保证钢水不裸露，其他全程采用软吹搅拌；控制精炼过程al含量0.040%-0.055%，控制脱硫程度，将s含量控制在0.030%-0.035%；精炼结束前将化学成分调整到目标范围：c：0.19%~0.21%、si：0.15%-0.25%、mn：1.03%~1.06%、cr：1.03%~1.10%、s：0.025%-0.030%、al：0.035%-0.050%；在100吨以上的rh炉中进行真空脱气，真空室不得有冷钢，控制真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，确保钢水破空[h]≤1.5ppm。钢水破空后喂入300m氮锰线。软吹前通过喂丝机喂入30m的硅钙线进行微钙变性处理；喂线后立即软吹，软吹时间控制在15min-25min。软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为15min~20min，确保夹杂物聚集，通过软吹上浮去除；采用φ500mm弧形圆坯连铸机3-4流浇注，控制过热度为25℃-40℃，采用0.33m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在4200l/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用m-ems+s-ems+f-ems三段电磁搅拌装置，充分均匀组织、成分，提高内部质量；采用φ1100mm开坯机9道次开坯，将φ500mm连铸坯轧制成200mm
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200mm方钢；加热温度1260℃-1280℃，加热时间6-8h；轧后避风堆冷；方钢冷却到室温后采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过2.5h，控制空燃比0.90~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度1010℃~1050℃，采用十四架连轧机组进行轧制；采用矫直+抛丸+倒棱+超声波探伤+表面探伤的工艺精整，确保钢材的内外部质量。
[0029]
具体实施方式：目前国内使用的20mncr5齿轮钢与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。
[0030]
采用以下生产工艺制备：（1）铁水准备：选用s：0.030%~0.045%、p≤0.12%的控硫低磷铁水生产本发明钢种；铁水不脱硫，利用铁水中的硫控制钢材s含量；（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制铁水温度≥1300℃，转炉采用双渣法操作实现脱p，确保转炉终点p≤0.012%，出钢加入铝饼、合金、预熔精炼渣、石英砂、石灰进行造渣、预脱氧及成分初调，确保精炼到站c：0.10%~0.15%、si：0.10%~0.15%、mn：0.90%~1.00%、cr：0.90%~1.00%。采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回p≤0.001%；（3）lf精炼：在100吨以上的lf炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化，造碱度r：3.5-5.0的精炼渣；根据钢水过氧化程度配比使用石灰与预熔精炼渣，精炼前期和调整成分时采用大搅拌强度，但必须保证钢水不裸露，其他全程采用软吹搅拌；控制精炼过程al含量0.040%-0.055%，控制脱硫程度，将s含量控制在0.030%-0.035%；精炼结束前将化学成分调整到目标范围：c：0.19%~0.21%、si：0.15%-0.25%、mn：1.03%~1.06%、cr：1.03%~1.10%、s：0.025%-0.030%、al：0.035%-0.050%。
[0031]
（4）rh真空脱气：在100吨以上的rh炉中进行真空脱气，真空室不得有冷钢，控制真空度≤67pa，高真空保持时间≥20min，确保钢水破空[h]≤1.5ppm。钢水破空后喂入300m氮锰线。
[0032]
（5）软吹及微变性处理：软吹前通过喂丝机喂入30m的硅钙线进行微钙变性处理；喂线后立即软吹，软吹时间控制在15min-25min。软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为15min~20min，确保夹杂物聚集，通过软吹上浮去除；（6）圆坯连铸：采用φ500mm弧形圆坯连铸机3-4流浇注，控制过热度为25℃-40℃，采用0.33m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在4200l/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸坯；采用m-ems+s-ems+f-ems三段电磁搅拌装置，充分均匀组织、成分，提高内部质量。
[0033]
（7）开坯轧制：采用φ1100mm开坯机9道次开坯，将φ500mm连铸坯轧制成200mm
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200mm方钢；加热温度1260℃-1280℃，加热时间6-8h；轧后避风堆冷。
[0034]
（8）连轧：方钢冷却到室温后采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热时间不超过2.5h，控制空燃比0.90~0.95，减少氧化脱碳；控制加热温度，尤其是高温段温度，确保开轧温度1010℃~1050℃，采用十四架连轧机组进行轧制。
[0035]
（9）精整：采用矫直+抛丸+倒棱+超声波探伤+表面探伤的工艺精整，确保钢材的内外部质量。
[0036]
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
[0037]
所得冷挤压齿轮轴用钢的化学成分如表2所示，气体含量、末端淬透性、非金属夹杂物与现有技术对比情况如表3、4、5所示。术对比情况如表3、4、5所示。
[0038]
本发明非金属夹杂物控制水平以达国际先进水平。