一種含鎂鈣硫的20MnCr易切削齒輪鋼及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及鋼鐵冶金技術領域，具體地說是一種含儀巧硫的20MnCr易切削齒輪鋼 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 齒輪是汽車及機械制造業的重要傳動部件，齒輪在傳遞動力和改變速度的運行過 程中，曬合齒面之間既有滾動，又有滑動，輪齒根部還會受到脈動和交變彎曲應力的作用。 而齒輪鋼是制造汽車、機械傳動系統齒輪、桿類和軸類零部件的關鍵材料，其質量要求極其 嚴格。近年來，良好的加工性能(包括冷、熱加工性和易切削性)是齒輪行業所關屯、的重要指 標。
[0003] 當前，開發高性能、經濟型齒輪鋼已成為齒輪鋼技術發展的一個主要方向。目前 Μη-化系齒輪鋼主要用在桑塔納、奧迪和捷達轎車的齒輪上，其中部分牌號還可用于富康轎 車、IVEC0輕型車及大馬力船用齒輪箱等。主要牌號有按德國大眾企業標準生產的16Μη化5、 20Μη化5、25Μη化5和28Μη化5等。齒輪鋼既要保證機械性能又要具有良好的切削加工性能， 運就使鋼中硫和氧的含量成為控制齒輪鋼性能的關鍵參數。
[0004] 在目前的齒輪鋼冶煉過程中，通產要通過巧處理技術，對鋼水中存在的硫化物夾 雜(GB/T10561-2005規定稱為A類夾雜)和氧化物夾雜(GB/T10561-2005規定稱為Β類夾雜） 進行變性處理。通過巧處理技術，使鋼液中存在一定的巧含量，可W使采用侶對鋼水脫氧而 產生的大顆粒高烙點的脆性Al2〇3夾雜變性成為含巧量較高的低烙點巧侶酸鹽夾雜 (12化0 · 7 Ah〇3等），即可使低烙點的夾雜物在鋼水中上浮去除，也可改善因高烙點氧化物 夾雜造成鋼水誘鑄過程的水口堵塞，同時也降低了高烙點脆性夾雜物對鋼材質量的影響。
[0005] 本發明通過巧和儀加入鋼中形成:氧化物(含復合氧化物)為核屯、，外面包裹硫化 物的復合夾雜物，既能減輕氧化物對鋼基體的割裂，提高抗疲性能，又能改善鋼材的橫向力 學性能。本發明通過向含硫易切削齒輪鋼中復合添加微量的巧儀元素，對鋼中夾雜物進行 改質，在保證機械性能的前提下，進而改善鋼材的切削性。
[0006][0007][0008]
【發明內容】
[0009] 本發明針對現有企業生產20Mn化型齒輪鋼中疲勞壽命差W及不易切削等問題，提 供了一種含儀巧硫的20MnCr易切削齒輪鋼及其制備方法。本發明要解決的技術問題是:通 過向精煉的鋼液復合添加微量的化、％元素，改質20MnCr易切削齒輪鋼中的硫化物夾雜，從 而改善其夾雜物形態，進而鋼材的抗疲勞和切削性能。
[0010] 本發明的目的是通過W下技術方案來實現的： 一種含儀巧硫的20MnCr易切削齒輪鋼及其冶煉方法，鋼的組份（重量百分數）為：C 0.15〇/〇~0.25〇/〇，Si<0.12〇/〇，Mn0.80〇/〇~1.50〇/〇，P< 0.035〇/〇，S 0.020〇/〇~0.055〇/〇，Cr0.80〇/〇~ 1.30〇/〇，A10.015〇/〇~0.055〇/〇，N 0.004〇/〇~0.015〇/〇，Mg 0.0006〇/〇~0.004〇/〇，Ca 0.0006〇/〇~0.005〇/〇， [0]: ^0.0025%，余量為鐵與不可避免的雜質。其巧、儀元素的添加是通過真空精煉工序后 喂入含巧、儀元素的鐵基包忍線來實現的。
[0011] 本發明特別提供一種優選的成分范圍：本發明的含儀巧硫的20MnCr易切削齒輪 鋼，其鋼的組份(重量百分數)為：C 0.18〇/〇~0.22〇/〇，Si < 0.10〇/〇，Μη 1.15〇/〇~1.40〇/〇，P < 0.030〇/〇， S 0.025〇/〇~0.030〇/〇，Cr !.00〇/〇~1.15〇/〇，Α1 0.018〇/〇~0.025〇/〇，Ν 0.004〇/〇~0.012〇/〇，Mg 0.00!0〇/〇~ 0.0028%，Ca 0.0010%~0.0025%, [0]含0.0020%，余量為鐵與不可避免的雜質。
[0012] 本發明各元素的作用： C:碳含量的高低對鋼材的強硬度和塑初性都有很重要的影響。在所有元素中，碳提高 強度的能力最大，碳對澤火回火鋼的強化效果大約為娃的5倍，銘的9倍和儘的18倍，所W為 保證齒輪鋼具有足夠的強度、硬度，鋼中必須含有相當的碳含量。本20CrMn鋼中碳含量為： 0.15%~0.25〇/〇。
[0013] Si:娃作為若脫氧劑可W控制齒輪鋼的脫氧程度，是影響鋼中硫化物夾雜變形和 切削性能的關鍵元素，同時也是惡化鋼材切削性能的元素之一。娃能強烈提高滲層的澤透 性，但在滲碳過程中容易發生晶界氧化而形成黑色網狀缺陷；隨合金元素添加量的增加，鋼 的馬氏體點下降，使澤火后滲層中含有大量殘余奧氏體，影響零件的疲勞性能及耐磨性。本 申請20CrMn鋼中娃含量為：Si <0.12〇/〇。
[0014] 化:是碳化物形成元素，能提高材料的強度、硬度彈性極限、屈服極限W及耐磨性， 同時還可W提高鋼的澤透性和耐腐蝕性能。本申請20CrMn鋼中化含量為：1.00%~1.15%。
[0015] Μη:儘能提高珠光體的形核功和轉變激活能，降低珠光體的形核率和長大速度，儘 元素及其碳化物溶于奧氏體中，使奧氏體等溫轉變曲線右移，增大過冷奧氏體穩定性，抑制 珠光體轉變，提高澤透性，儘與鋼中的硫生成的MnS是一種重要的易切削相，可W幫助改善 切削性能。為了保證良好的切削性能和力學性能，本發明控制儘的含量在0.8~1.5%。
[0016] S:硫是主要易切削元素之一，隨著鋼中硫含量的增加，鋼的切削性能指數明顯提 高。但同時MnS在熱社時易沿社制方向伸長，降低鋼材的橫向力學性能。因此本發明控制硫 含量為0.020% ~0.055〇/〇。
[0017] A1:晶粒細小均勻的奧氏體晶粒對穩定齒輪鋼的末端澤透性，減少齒輪熱處理后 的變形，提高脆斷抗力和裂紋傳播抗力具有重要意義。考慮到Ti對齒社鋼不利影響，主要是 通過添加 A1細化晶粒，WA1元素來實現細晶控制。為了更好地細化晶粒，采用精煉喂A1線方 式，合理控制喂線速度和喂線時機，使得酸溶侶含量能夠穩定控制在內控范圍之內，達到晶 粒度8級。本發明控制儘的含量在Μη 0.80%~1.50%。
[001引 Ca:Al脫氧鋼中主要夾雜物是Α?203,而Α?203夾雜硬度高且帶有尖銳的棱角，在鋼 材后續加工過程極易劃傷基體，并且由于其烙點高，容易在水口內壁粘附，影響誘鑄的順利 進行，甚至會造成水口堵塞等嚴重事故。為了避免純Α?203夾雜的生成，采用Ca處理工藝使 Al203夾雜與化0發生反應生成低烙點的侶酸巧夾雜，同時，由于鋼中的MnS夾雜轉變成了化S 或化0 · Al203 ·化S復合夾雜物，提高了鋼板的各向同性，提高了剛基體的性能。
[0019] 鋼液中化3]、[5]、[0]^擴散方式運動至412〇3夾雜表面，隨著反應的繼續深入，鋼 中的Al2〇3夾雜經歷了CaO · 6 Al2〇3一CaO · 2 Al2〇3一CaO · Al2〇3一 12Ca0 · 7 Al2〇3一 3Ca0 · Ab化的過程，但是在運個過程中，當夾雜物表面周圍的[0]含量降低到較低時，將會 生成結構致密的化S夾雜，包裹于巧侶酸鹽夾雜的外圍，阻止了化0與Al2〇3反應的進一步進 行，所W在夾雜物轉變為液態之前，必須保證夾雜物中有足夠的化0含量。
[0020] 通過巧處理使鋼液中存在一定的巧含量，可W使采用侶對鋼水脫氧而產生的大顆 粒高烙點的脆性Al2〇3夾雜變性成為含巧量較高的低烙點巧侶酸鹽夾雜（12Ca0 · 7Ab化 等），即可使低烙點的夾雜物在鋼水中上浮去除，也可改善因高烙點氧化物夾雜造成鋼水誘 鑄過程的水口堵塞，同時也降低了高烙點脆性夾雜物對鋼材質量的影響在鋼液凝固過程 中，巧的氧化產物作為硫化物形核核屯、，可W促進硫化物的析出和硫化物的均勻分布。巧還 能起到改變硫化物形態的作用。巧加入鋼中形成復合的(Μη, Ca)S，從而降低硫化物的變形 能力改善鋼材的橫向力學性能。遵循20CrMn鋼的成分，本發明提出的適宜的巧添加量為： 0.0006% ~0.005〇/〇。
[0021] Mg:儀的烙點是649°C，沸點是1090°C，在1600°C的蒸汽壓是2.038MPa，它在1600°C 的鋼液中的溶解度是0.1%(質量百分比）。儀是比巧更為活潑的金屬元素，常用作煉鋼脫氧 劑和脫硫劑。金屬儀加入到鋼液后，會發生劇烈的汽化，因此，儀與鋼水中氧、硫發生反應存 在下述兩個過程:其一為Mg蒸汽與鋼液接觸，并與存在于界面的[0]、[引發生反應;其二為 Mg及Mg蒸汽通過鋼液面溶解于鋼液中，與鋼液中的0、S發生反應。反應生成儀的氧化物或硫 化物，把鋼液中[0]和[引降低到更低的水平，生成的夾雜物上浮或被相蝸壁吸附從鋼液中 去除，起到脫氧脫硫的作用。儀在鋼液中參與脫氧脫硫反應的熱力學數據如下(化學式一、 二)所示： (化學式一）[Mg] + [0]=Mg0(s) AGi9=-731400+239.68T (化學式二）[Mg] + [S]=MgS(s) AG29=-537化8.5+205.77T 各元素的活度系數，因各元素在鋼液中的濃度很小，可W認為運些元素遵守亨利定律。 各元素的活度系數可W按公式一計算