一種具有細晶粒窄淬透性帶寬的高溫滲碳齒輪鋼的制作方法

本發明屬于滲碳齒輪鋼領域，主要適用于制造汽車后橋主、從動齒輪，亦可用于制造其它大規格齒輪零件。
背景技術：
：隨著汽車制造技術和材料生產技術的進步，汽車向著高速度、高載重量、低噪聲和輕量化發展，對汽車齒輪用特殊鋼提出了更高的要求。汽車用齒輪鋼中以滲碳齒輪鋼為主，滲碳處理需要在高溫下長時間保溫，消耗的能源多、工時長。降低滲碳處理成本的有效途徑是縮短滲碳時間。試驗表明，當滲碳溫度高于常用的930℃提高到1000℃時就能夠大幅度縮短滲碳時間。近年來，工業大生產較成熟的高溫滲碳設備可滿足960-980℃滲碳的條件。盡管高溫滲碳技術可提高滲碳效率節約能源，但對滲碳齒輪鋼也提出了更高的要求。高溫滲碳時奧氏體晶粒很容易長大，因此控制奧氏體晶粒對滲碳齒輪鋼來說尤為重要。目前控制高溫滲碳奧氏體晶粒長大的方法主要是添加微合金化元素nb、ti。中國專利cn103361559a公布了一種采用nb、ti復合微合金化高溫滲碳齒輪鋼，通過添加ti0.02-0.06％，nb0.02-0.06％形成析出相控制晶粒。但并未提及對鋼中n含量的控制，含ti鋼需要極低的n含量以避免形成大尺寸tin析出相破壞齒輪鋼疲勞性能。另外，鋼中加入ti元素可導致淬透性降低，顯然該專利并未對齒輪鋼的綜合性能考慮全面。中國專利cn102560255a發明了一種高溫真空滲碳齒輪用鋼。通過添加al0.033％-0.055％細化晶粒。但當al＞0.033％會造成中間包水口堵塞，無法實現連續澆鑄，該專利并未提及解決問題的技術方案。日本專利jp2000-160288也同樣采用添加0.03％-0.06％的nb控制晶粒長大。上述發明表明，國內外有關高溫滲碳齒輪鋼控制晶粒長大的技術普遍采用添加微合金元素形成碳化物析出相來阻礙晶粒長大的方案。眾所周知，微合金元素nb、ti等的析出會使奧氏體中固溶的c含量下降，從而降低鋼的淬透性，齒輪鋼又是對淬透性要求較嚴格的鋼種，并且含ti、nb鋼存在高溫脆性區，軋制過程中由于ti、nb元素在晶界的析出導致晶界薄弱發生鋼坯斷裂的事故，產生大量廢品。因此采用微合金元素控制晶粒長大的方案應用在齒輪鋼領域并不十分理想。淬透性和淬透性帶寬也是滲碳齒輪鋼的重要指標。淬透性可通過增加或減少淬透性元素來調節，該問題在齒輪鋼領域已經得到較好解決。淬透性帶寬的大小很大程度上影響熱處理變形，淬透性帶寬愈窄，離散度愈小，愈有利于齒輪的加工及提高其嚙合精度。然而目前我國gb/t5216-201x對淬透性的要求為j27/41-15，j24/38-25，相當于淬透性帶寬在14hrc，汽車行業對淬透性帶寬的要求比國標嚴格，但也僅限于帶寬≤7hrc。而美國、德國等發達國家的滲碳齒輪鋼實物淬透性帶寬可控制在4-6hrc。隨著汽車行業對汽車齒輪精密加工及裝配尺寸公差要求的不斷提高，縮小滲碳齒輪鋼的淬透性帶寬成為近年來國內外滲碳齒輪鋼研究的熱點。綜上所述，國內外還沒有提供一種充分利用冶煉殘余元素控制晶粒長大且滿足工業生產多爐次連續澆鑄的高溫滲碳齒輪鋼，也沒有公開將齒輪鋼淬透性帶寬穩定控制在≤4hrc的化學成分控制技術。針對高溫滲碳齒輪鋼存在的問題，有必要提供一種高溫滲碳條件下晶粒不長大，且具有窄淬透性帶寬的高溫滲碳齒輪鋼以滿足汽車齒輪行業技術進步對材料的需求。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種980℃-1000℃高溫滲碳晶粒不長大的低成本高溫滲碳齒輪鋼，并且具有窄淬透性帶寬的特點。根據上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種具有細晶粒窄淬透性帶寬的高溫滲碳齒輪鋼，其化學成分重量百分比為：c：0.19～0.21％，si：0.20～0.30％，mn：0.70～0.80％,p≤0.010,s：≤0.005％,cr：1.10～1.20％,mo：0.35-0.38％,al：0.025～0.055％，ca0.0015～0.0025％，n：0.0080～0.0200％，o≤0.0015％，其余為fe及不可避免的雜質。化學成分：(1)利用淬透性計算公式，計算獲得滿足j15、j25處淬透性帶寬不大于4hrc的齒輪鋼中影響淬透性主要元素的成分上下線，淬透性計算曲線如圖2所示。依據計算c、si、mn、mo、cr元素的含量需控制在如下范圍：c：0.19～0.21％，si：0.20～0.30％，mn：0.70～0.80％,cr：1.10～1.20％,mo：0.35-0.38％。(2)本發明鋼利用齒輪鋼冶煉過程脫氧元素al，與鋼中n元素形成aln析出相控制980℃-1000℃晶粒長大，前提是需要保證足夠量的aln析出才能獲得抑制晶粒長大的效果，通過析出相對原奧氏體晶粒細化的計算公式，發明鋼中al含量需要保證不小于0.025％，才能將晶粒控制在不大于20μm的水平。由于al/n相對原子量之比約為2，因此其質量分數為2時有利于全部結合成為aln，最大限度發揮aln的作用，因此鋼中n含量應不小于0.008％。進一步提高al含量，并按照質量分數2:1的關系提高n含量可實現更高溫度條件下控制晶粒長大，但al含量超過0.06％將提高鋼的淬透性，無法保證獲得穩定的淬透性，因此al含量的最佳范圍在0.025-0.055％之間，n含量的最佳范圍在0.08-0.020％之間。此外，采用al脫氧的齒輪鋼鋼液中易殘留脫氧產物al2o3影響鋼液流動造成中間包水口堵塞，因此需添加ca0.0015～0.0030％與al2o3形成鋁酸鈣以解決水口堵塞的問題。一種具有細晶粒窄淬透性帶寬的高溫滲碳齒輪鋼，其化學成分重量百分比為：c：0.19～0.21％，si：0.20～0.30％，mn：0.70～0.80％,p≤0.010,s：≤0.005％,cr：1.10～1.20％,mo：0.35-0.38％,al：0.025～0.055％，ca0.0015～0.0025％，n：0.0080～0.0200％，[o]≤0.0015％，其余為fe及不可避免的雜質。采用上述方案本發明的優點在于：不采用微合金化高成本且不易大生產應用的思路，而是通過利用齒輪鋼冶煉過程的副產物來達到控制高溫晶粒長大的目的，首先節約原材料成本，其次降低生產工藝的風險系數，降低廢品率。通過淬透性模型計算保證淬透性帶寬小于4hrc的主要合金元素控制范圍，獲得窄淬透性帶寬的高溫滲碳齒輪鋼，可減小齒輪熱處理后的變形，較少性能波動。發明鋼熱經過980-1000℃高溫滲碳后晶粒尺寸扔然保持在15-20μm范圍內，晶粒度控制在7-8級。此外，發明鋼經過淬透性模型計算獲得控制窄淬透性帶寬的精準成分范圍。附圖說明圖1(1)-(12)本發明實施例與對比鋼經過980℃/6小時滲碳后原奧氏體晶粒照片圖2設計成分上、中、下線淬透性帶寬計算值具體實施方式下面通過對最優實施例的描述，對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。本發明鋼的化學成分為(重量％)：c：0.19～0.21％，si：0.20～0.30％，mn：0.70～0.80％,p≤0.010,s：≤0.005％,cr：1.10～1.20％,mo：0.35-0.38％,al：0.025～0.055％，ca0.0015～0.0025％，n：0.0080～0.0200％，[o]≤0.0015％，其余為fe及不可避免的雜質。按照上述化學成分要求共生產9爐本發明鋼，并采用電爐(eaf)+爐外精煉(lf)+真空脫氣(rh)+連鑄+軋制的工藝生產發明鋼的連鑄坯，連鑄坯經過1200-1250℃加熱保溫4小時后進行圓鋼熱連軋。開軋溫度：1100-1150℃，終軋溫度：890-920℃，軋后經過緩冷線冷卻到550-600℃入緩冷坑。按照gb/t5216-201×中的要求生產3爐22crmoh作為對比鋼(上線、中線、下線成分)，并采用電爐(eaf)+爐外精煉(lf)+真空脫氣(rh)+連鑄+軋制的工藝生產對比鋼的連鑄坯，連鑄坯經過1150-1200℃加熱保溫3小時后進行圓鋼熱連軋。開軋溫度：1100-1150℃，終軋溫度：900-950℃，軋后經過緩冷線冷卻到550-600℃入緩冷坑。發明鋼與對比鋼的化學成分如表1所示。下面為本發明高溫滲碳齒輪鋼的具體實施例：實施例1：爐號為1的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分上線，al、n偏下限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例2：爐號為2的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分上線，al、n偏中限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例3：爐號為3的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分上線，al、n偏上限)與對比鋼熱軋棒材取樣經1000℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例4：爐號為4的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分中線，al、n偏下限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例5：爐號為5的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分中線，al、n偏中限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例6：爐號為6的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分中線，al、n偏上限)與對比鋼熱軋棒材取樣經1000℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例7：爐號為7的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分下線，al、n偏下限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例8：爐號為8的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分下線，al、n偏中限)與對比鋼熱軋棒材取樣經980℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。實施例9：爐號為9的發明鋼(c、si、mn、cr、mo成分下線，al、n偏上限)與對比鋼熱軋棒材取樣經1000℃保溫6小時高溫滲碳后對比其原奧氏體晶粒度，另取淬透性試樣經925℃/1小時正火，925℃端淬對比其淬透性帶寬。從表1、2、3的結果可以看出，發明鋼熱軋棒材涵蓋成分上線、中線、下限以及不同尺寸規格，經過980-1000℃高溫滲碳后晶粒尺寸扔然保持在15-20μm范圍內，晶粒度控制在7-8級。而對比鋼則出現混晶現象，且最大晶粒尺寸超標，無法正常使用。此外，發明鋼經過淬透性模型計算獲得控制窄淬透性帶寬的精準成分范圍。表1.實施例和對比鋼的化學成分，質量分數％表2.本發明實施例和對比鋼經過980℃/6小時高溫滲碳后原奧氏體晶粒尺寸爐號鋼種棒材規格，mm滲碳后原奧氏體晶粒尺寸，μm1發明鋼φ110162發明鋼φ110163發明鋼φ110154發明鋼φ130155發明鋼φ130166發明鋼φ130157發明鋼φ150168發明鋼φ150179發明鋼φ1501510對比鋼φ110混晶(最大晶粒100)11對比鋼φ130混晶(最大晶粒60)12對比鋼φ150混晶(最大晶粒80)表3.本發明實施例和對比鋼經過925℃/1小時正火，925℃端淬后淬透性帶寬上面對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。當前第1頁12