專利名稱：：一種細晶粒滲碳齒輪用鋼及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于合金鋼領域，特別涉及一種細晶粒滲碳齒輪用鋼及其制造方法。
背景技術：
：20CrMoH鋼(相當于日本的SCM420H鋼和美國的SAE4118H鋼)是國內外最常用的滲碳齒輪鋼之一，廣泛用于制造汽車傳動系統(tǒng)中的重要齒輪。隨著汽車產量和用量的日益增加，對資源、環(huán)境和能源的壓力也不斷增大，因此迫切需要提高汽車的使用性能，包括減重和長壽命化等方面。汽車傳動系統(tǒng)性能的提高對汽車的長壽命化和減重至關重要，因此提高汽車齒輪鋼的疲勞性能具有重要的意義。細化晶粒是提高汽車齒輪鋼疲勞性能的一種重要方法，美國Matlock等人的研究結果表明，細化晶粒對提高齒輪的抗疲勞破壞性能效果十分顯著(MatlockDKetal.MaterialsResearch,2007，8:453)。不過，以20CrMoH鋼代表的滲碳齒輪鋼，由于需要經93(TC左右高溫長時間滲碳處理，在滲碳過程中其奧氏體晶粒容易長大，很難控制在8級以下。通過微合金化方法可以細化鋼的晶粒，不過細化效果與微合金化元素所形成的第二相析出物的大小、數量、分布及穩(wěn)定性等密切相關。在齒輪鋼中，通常采用控制A1的含量，形成A1N析出相來細化晶粒，但由于A1N析出相在滲碳溫度下容易溶解到鋼中，其細化效果有限。此外，有些齒輪鋼通過添加微合金化元素Ti(如我國的20CrMnTi齒輪鋼)或B(如德國的ZF6齒輪鋼)，形成較難溶解的TiN和BN來細化晶粒，不過由于Ti易形成粗大的TiN顆粒和BN易導致晶粒尺寸不均勻，這些齒輪鋼的生產工藝控制難度較大。最近，國內外紛紛開發(fā)通過Nb微合金化來細化晶粒的齒輪鋼。日本專利JP2000-160288通過添加0.03-0.06%的Nb，使SCr420H等齒輪鋼的滲碳溫度提高到了1050°C，且奧氏體晶粒沒有顯著粗化；我國專利ZL200610089371.7則通過添加0.03-0.15°/。的Nb進行微合金化，開發(fā)了一種高強度的細晶粒Cr-Ni-Mo系重載齒輪鋼，其奧氏體晶粒度高于10級。以上Nb微合金化齒輪鋼是通過析出Nb(C，N)顆粒來阻止奧氏體長大的，Nb(C，N)具有比A1N穩(wěn)定性高、比TiN和BN容易控制等優(yōu)點。不過，在Nb微合金化齒輪鋼中，由于Nb(C，N)析出相在奧氏體晶界析出，使鋼的熱塑性低谷區(qū)凸顯(原奧氏體晶界強度減弱)，結果導致其容易發(fā)生表面開裂，熱加工難度加大(如終軋溫度或終鍛溫度不能低于900°C)。相對于Cr系和Cr-Ni-Mo系齒輪鋼，添加Nb后的Cr-Mo系齒輪鋼(如20CrMoH鋼)因有Mo和無Ni的成分特點，其熱加工問題將更為突出。此外，齒輪鋼的淬透性因晶粒細化會有所降低，根據SAEJ406標準，晶粒度每增加一級，淬透性降低8%。另外，NbC析出會使奧氏體中固溶的C含量下降，從而進一步降低淬透性。如采用Nb微合金化20CrMoH細化晶粒來提高疲勞性能，還必須考慮因晶粒細化和NbC析出導致的淬透性下降問題。顯然，通過添加B可以有效提高齒輪鋼淬透性，但同時必須確保添加的B不因BN析出而起不到提高淬透性作用。因此，在開發(fā)細晶粒滲碳齒輪鋼時，有必要進行多元微合金化處理方法，綜合利用各種微合金化元素的優(yōu)點。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種晶粒細化、滲碳后彎曲疲勞強度高、接觸疲勞壽命長的細晶粒滲碳齒輪用鋼及其制造方法。根據上述目的，本發(fā)明整體的技術方案是(1)通過添加微合金化元素Nb，形成NbC和Nb(C，N)以阻止?jié)B碳時奧氏體晶粒的長大，從而保證奧氏體晶粒度大于10級；(2)通過添加B、Ti等元素，利用多元微合金化方法，以提高齒輪鋼在800-90(TC熱塑性，防止因塑性降低而導致熱加工難度增加；(3)通過添加Ti》2[N]，BX[N]-Ti/3.4)/1.4+0.001，利用固溶的B保證鋼的淬透性不因晶粒細化和NbC析出而降低；(4)通過添加Mn、Al等元素，可以保證獲得低的[O]含量，從而改善疲勞性能；(5)降低P、S等雜質元素含量，以提高滲碳層和基體的韌性，進一步改善疲勞性能；(6)通過降低終軋溫度到90(TC以下，細化滲碳前初始晶粒，從而確保奧氏體晶粒度大于10級。根據上述目的和整體技術方案，本發(fā)明具體的技術方案為1、本發(fā)明鋼的具體化學成分(重量％)為CO.15-0.25，Si《0.35，Mn0.60-0.90，P《0.015，S《0.010，Cr0.80-1.20，Mo0.15-0.35，Nb0.02-0.08，B0.0005-0.0035，Al0.02-0.06，Ti0.01-0.04,[N]《0.015，《0.0015，其余為Fe及不可避免的雜質；同時要求Ti^2[N]，B》([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001。2、采用終軋溫度低于90(TC的軋制生產工藝，使鋼中析出細小彌散分布的第二相顆粒，阻止?jié)B碳熱處理時奧氏體晶粒的長大，從而獲得細晶粒滲碳齒輪鋼。上述各元素的作用及配比依據如下C:主要固溶強化元素。為保證足夠的使用強度，C含量必須在0.15%以上；但C含量高于0.25，寸會使韌性顯著降低，對齒輪心部韌性不利。因此，C含量因控制在0.15-0.25%。Si:脫氧劑，冶煉時加入。但使?jié)B碳層容易氧化，從而降低滲碳層韌性，使齒輪疲勞強度降低。因此，為保證脫氧效果和改善滲層韌性，Si含量應控制在0.35%以下。Mn:脫氧和脫硫的有效元素，冶煉時加入；同時也是保證淬透性元素。但與Si類似，使?jié)B碳層容易氧化，降低滲碳層韌性，使齒輪疲勞強度降低。因此，為保證脫氧效果和改善滲層韌性，Mn含量應控制在0.60-0.90%。P:在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而不利于齒輪疲勞性能的提高，因此p含量應控制在0.015%以下。S:不可避免的不純物，形成MnS夾雜物和在晶界偏析會惡化鋼的韌性，從而不利于齒輪疲勞性能的提高。因此，s含量應控制在o.oi(m以下。Cr:能夠有效提高鋼的淬透性，以獲得所需的強度。為確保齒輪淬透，應不低于0.80%，但Cr含量較高時會惡化鋼的冷加工性能。因此，Cr含量應控制在0.80-1.20%。Mo:能夠同時有效提高基體和滲碳層的淬透性。低于0.15%時上述作用不明顯；但含量超過0.35%時，促進晶界鐵素體薄膜形成，對熱塑性不利，并且成本較高。因此，Mo含量應控制在0.15-0.35%。Nb:形成碳氮化物能夠細化晶粒，從而有效降低滲碳淬火變形，并提高韌性。低于0.02%時以上作用不明顯，高于0.08%時作用增加不明顯，達到飽和。因此，Nb含量應控制在0.02-0.08%。B:偏聚到晶界提高晶界強度，提高高溫塑性和淬透性。低于0.0005%時以上作用不明顯，高于0.0035%時作用增加不明顯，達到飽和。同時為了避免所含B全部與[N]結合形成BN而不能起到以上作用，要求B》([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001(其中Ti與[N]結合需要的[N]量為Ti/3.4，B與[N]結合需要的[N]量為B/1.4)。因此，B含量應控制在0.0005-0.0035%,且B^([N]-Ti/3.4)/1.4+0,001。Al:能有效脫氧和形成A1N細化晶粒，含量低于0.02%時以上作用不明顯，高于0.06%時作用增加不明顯，且可能形成粗大的夾雜物，惡化鋼的韌性。因此，Al含量應控制在0.02-0.06%。Ti:形成TiN能夠細化晶粒，從而提高韌性和疲勞性能；同時降低B與[N]結合形成BN以確保B的提高淬透性作用；此外，能夠提高含Nb鋼的高溫塑性。低于0.01%時以上作用不明顯，高于0.04%時形成粗大的TiN對疲勞性能不利。因此，Ti含量應控制在0.01-0.04%，并且Ti^2[N]。:冶煉不可避免氣體，能與Ti、Nb、B、Al等結合形成化合物，從而細化晶粒，但也會偏聚晶界而降低晶界強度。高于0.015%時不利作用明顯。因此，[N]含量應控制在0.015。/。以下。:有害氣體，嚴重降低疲勞性能。通過多種脫氧用手段應將[O]含量控制在0.0015%以下。本發(fā)明可采用轉爐、電弧爐及感應爐冶煉，并可再經真空脫氣處理，然后澆注成鋼錠或連鑄成坯，經開坯后軋制成棒材等產品。此外，軋制時應保證終軋溫度在90(TC以下，使Nb(C,N)等第二相充分析出，并避免隨后冷卻時奧氏體晶粒長大，從而確保在滲碳處理前原始晶粒度在10級以上。本發(fā)明與現有技術相比具有晶粒細化、滲碳后彎曲疲勞強度高、接觸疲勞壽命長的優(yōu)點。本發(fā)明鋼的沖擊韌性明顯高于對比鋼20CrMoH，并且滲碳層的晶粒度在IO級以上，而對比鋼在8級以下。在疲勞性能方面，本發(fā)明鋼的彎曲疲勞強度(cj-O比對比鋼20CrMoH提高15%以上，本發(fā)明鋼的額定接觸疲勞壽命(Lk))比對比鋼20CrMoH提高30呢以上。此外，本發(fā)明鋼的端淬J10硬度值與對比鋼20CrMoH相當，說明其淬透性沒有因晶粒細化而明顯降低。與現有汽車用滲碳齒輪鋼20CrMoH相比，本發(fā)明鋼不但晶粒細小，而且韌性和疲勞性能大幅度提高，從而可以使汽車傳動系統(tǒng)用齒輪的壽命提高，或可以采用較小模數齒輪傳輸相同功率，從而為汽車減重創(chuàng)造條件。具體實施例方式根據本發(fā)明所設計的化學成分范圍，在500kg感應爐上冶煉了3爐(爐號1-3)本發(fā)明鋼，此外還有經30t工業(yè)電爐+爐外精煉工藝(EAF+LF+VD)冶煉的2爐本發(fā)明鋼(爐號4-5)和3爐20CrMoH對比鋼(爐號6_8)，其具體化學成分如表1所示。鋼水澆注成錠，并經鍛造開坯，最終軋制成小55mm棒料。20CrMoH對比鋼采用的終軋溫度為900°C，而發(fā)明鋼采用的終軋溫度為880。C和850°C，表2。將發(fā)明鋼和對比鋼加工成標準室溫拉伸試樣(L。=5d。，dQ=5mm)、夏比缺口沖擊試樣(10mmX10腿X55誦)、滲碳用金相試樣(4>lOmmX25mm)、旋轉彎曲疲勞試樣(小14腿X160腿)、滾動接觸疲勞試樣(4)50mmX10mm)、以及端淬試樣(4)25mmX120mm)。拉伸試樣和沖擊試樣經86(TC保溫油淬、18(TC回火2小時后加工成最終尺寸，并按國標進行相應試驗，其力學性能如表2所示。端淬試樣經93(TC保溫30分鐘后空冷正火處理加工成標準試樣，按國標進行端淬試驗并測定端淬硬度，J10點硬度值見表2。金相試樣和疲勞試樣經930°C、7小時滲碳(表面碳勢1%)后降溫到830"C油冷，最后經18(TC、2小時低溫回火后空冷。經滲碳熱處理后，金相試樣再經研磨、拋光，并經過飽和苦味酸水溶液腐蝕后，利用截線法測得滲碳層的原奧氏體晶粒度，結果如表2所示。此外，發(fā)明鋼和對比鋼試樣滲碳特性沒有明顯差別表面硬度均在HRC60左右，滲碳層深度約為1.2mm，滲碳層碳化物為1級，馬氏體及殘余奧氏體為1-2級。將滲碳熱處理后的旋轉彎曲疲勞試樣和滾動接觸疲勞試樣進行精加工成最終尺寸后，分別按國家標準在旋轉彎曲疲勞試驗機上測定疲勞強度和在滾動接觸疲勞試驗機上測定接觸疲勞壽命。其中疲勞強度采用升降法測得，接觸疲勞所加載荷為4410MPa。疲勞性能試驗結果也列在表2中。從表2結果中可以看出，本發(fā)明鋼的沖擊韌性明顯高于對比鋼20CrMoH，并且滲碳層的晶粒度在10級以上，而對比鋼在8級以下。在疲勞性能方面，本發(fā)明鋼的彎曲疲勞強度(cr-》比對比鋼20CrMoH提高15%以上，本發(fā)明鋼的額定接觸疲勞壽命(U))比對比鋼20CrMoH提高30。/。以上。此外，本發(fā)明鋼的端淬J10硬度值與對比鋼20CrMoH相當，說明其淬透性沒有因晶粒細化而明顯降低。表l實施例和對比鋼的化學成分，重量％<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2實施例和對比鋼的力學性能、晶粒度級別和疲勞性能<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1、一種細晶粒滲碳齒輪鋼，其特征在于該鋼的具體化學成分(重量％)為C0.15-0.25％，Si≤0.35％，Mn0.60-0.90％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr0.80-1.20％，Mo0.15-0.35％，Nb0.02-0.08％，B0.0005-0.0035％，Al0.02-0.06％，Ti0.01-0.04％，[N]≤0.015％，[O]≤0.0015％，其余為Fe及不可避免的雜質；同時Ti≥2[N]，B≥([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001。2、一種細晶粒滲碳齒輪鋼的制造方法，其特征在于采用終軋溫度低于90(TC的軋制生產工藝，使鋼中析出細小彌散分布的第二相顆粒，阻止?jié)B碳熱處理時奧氏體晶粒的長大，從而獲得細晶粒滲碳齒輪鋼。全文摘要本發(fā)明屬于合金鋼領域，特別涉及一種細晶粒滲碳齒輪用鋼及其制造方法。該鋼的化學成分(重量％)為C0.15-0.25％，Si≤0.35％，Mn0.60-0.90％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr0.80-1.20％，Mo0.15-0.35％，Nb0.02-0.08％，B0.0005-0.0035％，Al0.02-0.06％，Ti0.01-0.04％，[N]≤0.015％，[O]≤0.0015％，其余為Fe及不可避免的雜質。同時要求Ti≥2[N]，B≥([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001。并采用終軋溫度低于900℃的軋制生產工藝。本發(fā)明鋼與現有滲碳齒輪鋼20CrMoH相比，滲碳淬火后晶粒度大于10級，彎曲疲勞強度(σ_-1)提高15％以上，接觸疲勞壽命(L₁₀)提高30％以上。文檔編號C22C38/32GK101319294SQ20081011696公開日2008年12月10日申請日期2008年7月22日優(yōu)先權日2008年7月22日發(fā)明者徐香秋,惠衛(wèi)軍,捷時,王毛球,王連海,瀚董,趙亞平申請人:鋼鐵研究總院