本發(fā)明屬于冶金領域，涉及一種汽車用含硼高級齒輪鋼及其生產(chǎn)工藝。
背景技術：
：含硼齒輪鋼18CrMnBH主要用于制作沃爾沃、奔馳、凱斯鮑爾等車型的變速箱齒輪。該鋼種對淬透性、沖擊韌性、非金屬夾雜物等項目要求嚴格，是現(xiàn)有齒輪鋼鋼種中質(zhì)量要求最高、檢驗項目最多、生產(chǎn)難度最大的鋼種之一。目前只有少數(shù)幾個特鋼廠采用模鑄進行生產(chǎn)，且數(shù)量較少，質(zhì)量不穩(wěn)定。硼作為提高淬透性最有效的微量元素加入鋼中已有50多年的歷史，而硼鋼的發(fā)展卻是緩慢而曲折的。在鋼中加入硼的目的主要是提高淬透性，關于硼鋼提高淬透性的作用機理和硼鋼的應用技術，至今仍在探討發(fā)展中，但是有關基本規(guī)律卻是一致的，即：a對淬透性起作用的是鋼中的固溶硼，硼的作用是推遲先共析鐵素體、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變；b微量固溶硼即可大幅提高鋼的淬透性；c存在一個效果最好的最佳含硼量；d碳、氧和氮等元素對硼的淬透性效應具有重要作用。硼在鋼中有兩種存在狀態(tài)：固溶態(tài)和結(jié)合態(tài)。只有當硼溶解在奧氏體時才能起到增加淬透性的作用。硼屬于高熔點元素，在煉鋼溫度下仍保持較高的化學活性，容易與氧、氮等元素化合。稍有疏忽就可能將硼加入脫氧不良或富氮的鋼中，生成硼的氧化物和氮化物，使相當一部分硼含量處于結(jié)合態(tài)，從而失去硼增加淬透性的作用。傳統(tǒng)工藝認為，提前加Al、Ti、B元素可以使得產(chǎn)生的雜質(zhì)有夠長時間的上浮而被去除，從而凈化鋼的純凈度。由于傳統(tǒng)工藝無法有效控制18CrMnBH中的有效硼含量，導致淬透性不穩(wěn)定，此外沖擊韌性、非金屬夾雜物等綜合性能指標也很難達到汽車廠的使用要求，因此如何確保該鋼種有效硼含量從而提高淬透性，并提高材料純凈度、晶粒度、組織均勻性、沖擊韌性等性能指標已經(jīng)成為行業(yè)的一大難點。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的：針對含硼齒輪鋼(18CrMnBH)現(xiàn)有技術上存在的缺點，本發(fā)明提出一種含硼高級齒輪鋼(18CrMnBHZ)及其生產(chǎn)工藝，與18CrMnBH相比有相似的C含量、Si含量、Mn含量和Cr含量，但加入Al、Ti元素后，充分細化晶粒，提高材料晶粒度，固氮保硼，提高材料淬透性，加入微量Ni元素，提高材料沖擊韌性，且通過改進工藝提高鋼水純凈度和材料的組織均勻性，最終提高了材料的綜合使用性能。本發(fā)明的技術方案：提供一種汽車用含硼高級齒輪鋼，該齒輪鋼按重量百分比的化學元素成分為：C0.15～0.20％、Si0.15～0.40％、Mn1.00～1.30％、Cr1.00～1.30％、B0.0005～0.0030％、P0～0.030％、S0～0.035％、Cu0～0.30％、Ni0.12～0.18％、Al0.020～0.045％、Ti0.015～0.035％，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)。提供一種汽車用含硼高級齒輪鋼的生產(chǎn)工藝，包括轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH真空精煉、軟吹、連鑄和軋制，具體過程如下：(1)轉(zhuǎn)爐冶煉，轉(zhuǎn)爐冶煉鋼鐵料采用鐵水、干燥潔凈的生鐵和廢鋼，嚴格控制轉(zhuǎn)爐加入量和出鋼量，鐵水加入量為121～123噸/爐，生鐵加入量為8～9噸/爐，廢鋼加入量為4噸/爐，返礦加入量為2噸/爐，出鋼量為119～122噸/爐；采用頂?shù)讖秃洗禑掁D(zhuǎn)爐，冶煉過程全程底吹氬氣；轉(zhuǎn)爐終點碳含量控制在0.06～0.16％，并采用滑板擋渣加留鋼操作出鋼；轉(zhuǎn)爐出鋼時按先后順序加入電石、鋁鐵、硅鈣鋇合金、低碳鉻鐵、低碳錳鐵、硅鐵、700千克/爐的預熔渣和500千克/爐的石灰；(2)LF精煉，控制LF精煉時間40～60min，鋼水進入LF工序后便立即往鋼包中加入經(jīng)過連鑄紅熱坯烘烤過的鎳板；LF前期使用Al粒、硅鐵粉和碳化硅進行鋼水的渣面擴散脫氧，并控制LF精煉終渣堿度2.5～3.5；(3)RH真空精煉，正常抽真空爐次，進行真空處理，真空處理條件為確保負壓≤66.7Pa、保壓時間≥15min、環(huán)流時間＞30min；真空處理結(jié)束后先喂入Al線，控制成品Al含量，再喂入鈦鐵線，控制成品Ti含量，然后再喂入200m/爐硅鈣線對鋼水進行鈣處理，最后間隔5min再加入硼鐵；(4)軟吹，RH處理結(jié)束后，控制軟吹氬時間為30～50min，氬氣流量為10～14Nl/min；(5)連鑄，采用220*260斷面生產(chǎn)，連鑄二冷采用氣霧弱冷模式，從而減少鑄坯表面缺陷，并擴大中心等軸晶面積，結(jié)晶器采用四孔水口澆注，可以防止因直孔水口澆注造成的心部過熱，從而防止偏析產(chǎn)生。中間包采用低碳覆蓋劑加碳化稻殼雙層保護，既防止鋼水增C，又起到吸附夾雜及鋼水保溫作用；(6)軋制，軋制前對鑄坯進行拋丸檢查，然后再對鑄坯表面進行磁粉探傷檢查，對超出標準要求的表面缺陷進行修磨處理；軋材采用進坑緩冷工藝，要求坑冷至100℃以下出坑，得到細晶組織，防止混晶現(xiàn)象出現(xiàn)，制得汽車用含硼高級齒輪鋼。其中，步驟(1)所述的鋁鐵和硅鈣鋇合金用來脫氧。作為優(yōu)選，步驟(3)所述的硼鐵加入量為0.15千克/噸鋼。作為優(yōu)選，步驟(3)所述的成品Al含量為0.030％，成品Ti含量為0.020％。作為優(yōu)選，步驟(5)所述的連鑄工藝為：連鑄拉速為0.8m/min，過熱度為20～30℃，比水量為0.30L/kg。本發(fā)明的技術效果：考慮到汽車用高級齒輪鋼對純凈度、淬透性、晶粒度、組織均勻性、沖擊韌性等性能的高要求，本發(fā)明做了如下努力：①真空處理使得鋼水中O、N等元素含量較低，然后加入Al、Ti、B，再輔助軟吹氬去除雜質(zhì)工藝，克服了本行業(yè)一定要在真空處理前加入Al、Ti、B的技術偏見，減少了TiN、Al2O3等有害雜質(zhì)形成的幾率，提高了鋼水的純凈度；同時在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中用鋁鐵及硅鈣鋇脫氧，也提高了鋼水的純凈度；②在RH真空精煉工藝中先進行真空處理，然后再依次加入Al、Ti、B元素，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)LF精煉過程(傳統(tǒng)的精煉過程是：先添加Al、Ti、B，而此時鋼中還含有比較高的氧含量；然后再進行真空處理，其中Al、Ti、B的加入沒有先后順序的區(qū)別)，先添加Al排除少量的O元素，防止Ti生成TiO2而丟失，發(fā)揮Ti生成TiN而固定N的作用，防止硼生成氧化硼和氮化硼，保持有效硼的含量，起到“固氮保硼”的作用，提高了材料的淬透性，解決了長期以來淬透性得不到解決的問題；③通過添加Al與Ti元素，細化了材料晶粒度，提高了組織均勻性；采用特殊的連鑄工藝，低倍組織得到了明顯提高，也提高了組織均勻性；④通過添加Ni元素提高了材料的沖擊韌性。通過上述努力，最終大幅度地提升齒輪鋼的綜合性能。具體實施方式實施例1本發(fā)明所述的汽車用含硼高級齒輪鋼采用“轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH真空精煉→軟吹氬→連鑄機澆注→軋制”的工藝路線來進行生產(chǎn)：轉(zhuǎn)爐冶煉1、公稱容積為120t的轉(zhuǎn)爐裝入量為134.2t，其中鐵水121.5t,廢鋼4.1t，生鐵8.6噸。轉(zhuǎn)爐終點碳含量0.11％，出鋼量為121.3t。2、轉(zhuǎn)爐出鋼過程依次加入電石100kg、鋁鐵(40％品位)100kg、硅鈣鋇120千克、對應量的鐵合金、精煉渣700千克、石灰500千克。LF爐精煉1、鋼水進入LF工序后加入用連鑄紅坯烘烤干燥后的鎳板200千克，LF精煉前期用鋁粒60Kg、硅鐵粉100Kg、碳化硅80Kg進行鋼水脫氧，并根據(jù)爐渣流動性情況加入預熔渣100千克，精煉12分鐘后，爐渣變黃白，取初樣。2、LF精煉51分鐘后，成分溫度均符合要求，并取爐渣分析二元堿度為2.8，迅速將鋼水吊運至RH進行RH真空處理。RH真空精煉及軟吹氬1、RH環(huán)流時間33分鐘，其中極限真空度(≤66.7pa)保持時間20分鐘；2、RH破空后迅速取樣分析成分，并根據(jù)鋁含量喂入鋁線200米，然后喂入鈦鐵線300米，再喂入硅鈣線200米，5分鐘后加入硼鐵7.5千克；3、鋼水在RH吹氬臺軟吹37分鐘，氬氣流量控制10-14Nl/min，充分促進夾雜物的上浮及Al、Ti、B元素成分的均勻性。連鑄機澆注連鑄澆注前對中包烘烤195min，烘烤溫度1090℃，結(jié)晶器采用四孔水口進行澆注，水口插入深度110mm。中間包第一層使用低碳覆蓋劑，上面再添加炭化稻殼進行保護。連鑄拉速控制在0.8m/min，過熱度控制在20～30℃，連鑄二冷采用氣霧冷卻，比水量0.30L/kg，結(jié)晶器采用電磁攪拌。軋制軋制出鋼后，對棒材進坑緩冷至80度出坑。對比例1將實施例1中“RH真空精煉”工藝步驟2中的鋁線、鈦鐵線、硅鈣線和硼鐵同時加入，各成分加入量同實施例1，其余操作同實施例1。對比例2將實施例1中“RH真空精煉”工藝步驟2中的鋁線、鈦鐵線和硅鈣線先加入后，5分鐘后加入硼鐵，各成分加入量同實施例1，其余操作同實施例1。將實施例1制得含硼高級齒輪鋼(18CrMnBHZ)和常規(guī)制備方法制得的含硼齒輪鋼(18CrMnBH)進行比較，各項參數(shù)比較如表1-5所示。同時將實施例1和對比例1、對比例2的淬透性進行比較，比較結(jié)果如表4所示。表1化學成分表2低組織牌號方框偏析中心疏松一般疏松18CrMnBHZ00.50.518CrMnBH1.01.51.0通過連鑄工藝的改進，鑄坯的低倍組織得到了明顯提高。表3非金屬夾雜物牌號A粗A細B粗B細C粗C細D粗D細18CrMnBHZ01.00.50000018CrMnBH0.51.01.51.0000.50.5通過真空處理，改進后的含硼高級齒輪鋼18CrMnBHZ的夾雜物級別明顯降低，因而鋼水純凈度得到了有效提高。表4末端淬透性比較牌號J5J10J25J50技術要求36～4331～3923～30≥2018CrMnBHZ3934272318CrMnBH44423429對比例145423529對比例244403530通過“固氮保硼”工藝的有效實施，使得改進后的含硼高級齒輪鋼18CrMnBHZ末端淬透性明顯提高并更加穩(wěn)定，完全滿足技術要求。表5晶粒度及沖擊功比較牌號晶粒度沖擊功/Ak(≥55J/CM2)18CrMnBHZ7級9818CrMnBH5級62通過優(yōu)化鋼水的脫氧工藝，鋼水純凈度得到改善，也提高了鋼中鋁和鈦的收得率，從而得到了細晶組織，晶粒度得到了明顯改善，再加上添加鎳元素，從而沖擊功也明顯提高。本發(fā)明通過添加Al、Ti、Ni等元素，改進連鑄工藝，采用“固氮保硼”工藝，優(yōu)化脫氧工藝等一系列工藝的改進，最終使得材料的純凈度、淬透性、晶粒度、組織均勻性、沖擊韌性等綜合性能得到大幅度提高。當前第1頁1 2 3