本發(fā)明涉及汽車變速箱齒輪用齒輪鋼，更具體地是指一種窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼及其制備方法。

　　背景技術(shù)：

　?。糊X輪是機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)零件。它在工作時長期受到變載荷的沖擊力、接觸應(yīng)力、脈動彎曲應(yīng)力及摩擦力等多種應(yīng)力的作用，工作環(huán)境惡劣，因此要求制造齒輪的齒輪鋼具有較高的強(qiáng)韌性、疲勞強(qiáng)度和耐磨性。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，特別是小轎車，對齒輪在強(qiáng)度、韌性、耐磨及抗疲勞、低噪音等方面具有比其他機(jī)械齒輪更嚴(yán)格的要求。這就對齒輪鋼性能質(zhì)量提出更高的要求。高質(zhì)量的齒輪鋼應(yīng)具有以下四大質(zhì)量指標(biāo)：特定的淬透性及窄的淬透性帶寬；高的純凈度；細(xì)小均勻的晶粒；良好的表面質(zhì)量；良好的熱加工和切削性能。公開號：cn102560255a，名為″一種高溫真空滲碳齒輪用鋼″的專利介紹了鋼材的化學(xué)成分：c：0.10～0.30％，si：0.15～0.25％，mn：0.60～0.90％，p≤0.025，s：0.010～0.020％，cr：0.85～1.25％，al：0.033～0.055％，n：0.0160～0.0300％，ti：0.001～0.009％，[o]≤0.0020％，其余為fe以及不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明（是指上述專利)采用微合金化方式，控制齒輪鋼高溫真空滲碳過程中奧氏體晶粒異常長大，使鋼材晶粒度嚴(yán)格控制在7.0-8.0級，保證淬透性j5mm穩(wěn)定控制在32hrc-42hrc，滿足普通齒輪鋼的各項性能要求。鋼材的淬透性帶寬在10hrc，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高等級齒輪鋼帶寬≤6hrc的要求，寬的淬透性會導(dǎo)致齒輪熱處理后變形嚴(yán)重。公開號：cn103361559a，名為″一種nb、ti復(fù)合微合金化高溫滲碳齒輪鋼″，該齒輪鋼按重量百分比其成分為：c0.17～0.22％、si0.20～0.35％、mn0.90～1.10％、cr：1.05-1.30％，ti：0.02-0.06％，nb：0.02-0.06％，al0.015～0.035％、p≤0.025％、s0.020～0.035％，余量是fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明控制nb、ti微合金元素含量，提高現(xiàn)行齒輪的滲碳溫度；縮短齒輪的滲碳時間，降低齒輪生產(chǎn)成本。雖然nb、ti復(fù)合微合金化能保證鋼材在1000℃及以上的高溫滲碳，但是目前工業(yè)化高溫滲碳的溫度只有960℃，另外添加nb增加了冶煉成本，并且含ti、nb鋼存在高溫脆性區(qū)，軋制過程中由于ti、nb元素在晶界的析出導(dǎo)致晶界薄弱發(fā)生鋼坯斷裂。公開號：cn101306435a，名為″一種齒輪鋼的生產(chǎn)方法″的專利介紹了一種齒輪鋼及其生產(chǎn)方法，其組成按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：c：0.10～0.35％、si：0.15～0.45％、mn：0.60～1.50％、cr：0.80-1.50％、p：≤0.030％、s：≤0.045％、ti：0.03-0.12％；al：0.01-0.1％；ni：0-0.30％、mo：0-0.2％、cu：0-0.20％，n：0.004-0.015％，鐵余量。采用的生產(chǎn)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉-鋼包精煉或者真空脫氣爐精煉-連鑄-連軋。其不足之處在于，該齒輪鋼能承受的滲碳溫度為930℃，對于在960～980℃的高溫下滲碳會導(dǎo)致鋼材晶粒的過分粗大，形成混晶，使材料變形嚴(yán)重，工件尺寸超標(biāo)。上述現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)晶粒齒輪鋼的生產(chǎn)方法均不利于同時滿足窄的淬透性帶寬、高的表面質(zhì)量以及較高滲碳溫度的要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼及其制備方法，能夠保證鋼材的淬透性帶寬窄、鋼材軋制表面質(zhì)量好、晶粒細(xì)小。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。一方面，一種窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼，按重量百分比計，包含：c：0.19％～0.21％、mn：1.25％～1.35％、si：0.20～0.30％、cr：1.20％～1.30％、p：≤0.020％、s：0.010％～0.025％，n：0.013％～0.02％、al：0.034～0.050％、[o]≤0.0015％、[h]≤0.0002％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。另一方面，一種窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼的制備方法，包括以下步驟：s1：按照所述齒輪鋼的組分進(jìn)行配料，采用電爐冶煉及爐外精煉，得到鋼水；s2：將所述鋼水進(jìn)行真空脫氣后，進(jìn)行連鑄，得到連鑄鋼坯；s3：將連鑄鋼坯采用1300初軋機(jī)開坯成210方方坯；s4：將所述方坯進(jìn)行加熱軋制，得到所述齒輪鋼。步驟s1的具體操作為：采用電爐冶煉，氧化期流渣去p，拉渣干凈，出渣畢加sial合金、石灰，化渣均勻；控制終點[p]≤0.008％，出鋼溫度為1640～1680℃；爐外精煉時造堿性渣，分批補(bǔ)加石灰和碳化硅，使渣色變白，同時控制氬氣壓力，以鋼水不翻出渣面為準(zhǔn)；控制鋼水氧含量≤0.0015％。步驟s2的具體操作為：對鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，在小于66.7pa真空度以下處理時間不低于10min，控制底吹氬弱攪拌時間不低于10分鐘，控制吊包溫度不低于1557℃，以控制鋼水中h含量≤0.0002％。步驟s3的具體操作為：對連鑄坯進(jìn)行加熱，控制連鑄坯在高溫均熱段的溫度為1200～1230℃，時間為100～150min，總加熱時間不低于450min。步驟s4的具體操作為：對初軋坯進(jìn)行加熱，控制加熱溫度為1190～1240℃，總加熱時間不低于120min，終軋溫度大于950℃。采用本發(fā)明的低硅高硫的窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼及其制備方法，具有如下有益效果：1、成分優(yōu)化設(shè)計，采用本發(fā)明鋼制成的齒輪末端淬透性帶寬窄，加工成齒輪熱處理后變形小，且同時具有良好的疲勞性能及穩(wěn)定的力學(xué)性能。2、各制備工序嚴(yán)格按照目標(biāo)成分進(jìn)行控制，確保鋼的成分精準(zhǔn)化。3、對連鑄坯進(jìn)行加熱，控制連鑄坯在高溫均熱段的溫度為1200～1230℃，時間為100～150min，總加熱時間不低于450min，使鋼坯均勻熱透又不至于高溫段時間過長；冷卻后對軋坯表面進(jìn)行檢查，有缺陷的地方予以清除；提高鋼材的成分均勻性和表面質(zhì)量.5、對初軋坯進(jìn)行加熱，控制加熱溫度為1190～1240℃，總加熱時間不低于120min，終軋溫度大于950℃，加熱溫度為1190℃以上，aln的固溶量比較高，且析出的孕育期比較長，不容易產(chǎn)生大量的應(yīng)變誘導(dǎo)析出；其次在當(dāng)終軋溫度大于950℃，終軋過程中形變產(chǎn)生的位錯也比較容易消除。因此在后續(xù)的冷卻過程中，析出相的形核點較少，不容易在奧氏體中析出。6、通過冶煉、軋制鋼坯加熱工藝、定尺工藝的綜合控制可實現(xiàn)生產(chǎn)性能穩(wěn)定、表面質(zhì)量良好的汽車齒輪用鋼。具體實施方式本發(fā)明的窄淬透性高溫細(xì)晶粒mncr齒輪鋼，按重量百分比，包含如下成分：c：0.19％～0.21％、mn：1.25％～1.35％、si：0.20～0.30％、cr：1.20％～1.30％、p：≤0.020％、s：0.010％～0.025％，n：0.013％～0.02％、al：0.034～0.050％、[o]≤0.0015％、[h]≤0.0002％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)元素。根據(jù)產(chǎn)品具體性能要求，各元素內(nèi)控范圍為，c：目標(biāo)值±0.01％，mn合金元素：目標(biāo)值±0.04％，殘余有害元素盡可能低。該鋼種的成分設(shè)計原理如下：利用seep1664的淬透性計算公式，計算獲得滿足j5和j9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限，依據(jù)計算c、si、mn、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：1.25-1.35％，cr：1.20～1.30％。當(dāng)運(yùn)動的晶界遇到析出相質(zhì)點時，受到質(zhì)點的釘扎作用，將有效阻止奧氏體晶粒長大。gladman公式表明，高溫滲碳時晶粒粗化與否取決于析出相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)試驗結(jié)果，al元素在0.034％～0.050％，n元素在0.013％～0.02％，同時保證al/n比在2以上時，析出的aln粒子數(shù)量最多。當(dāng)al含量大于0.050％，容易形成水口結(jié)瘤，影響連鑄可澆性。o：氣體氧含量是鋼中的有害元素，隨著氧含量的增加，鋼材的塑性特別是韌性顯著降低?？刂苚含量≤0.0015％，使鋼具有相當(dāng)高的純凈度，提高材料的韌性和疲勞性能。同時在技術(shù)條件允許情況下，碳元素與各元素之間達(dá)到理想的最佳配比含量，并且保證成分的穩(wěn)定性和均勻性，從而為材料在后續(xù)加工生產(chǎn)的批量穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。該窄淬透性細(xì)晶粒齒輪鋼的生產(chǎn)方法，具體包括如下步驟：s1：按照齒輪鋼的元素組分計量比進(jìn)行配料，采用電爐冶煉及爐外精煉，得到鋼水；s2：將所述鋼水進(jìn)行真空脫氣后，進(jìn)行連鑄，得到連鑄鋼坯；s3：將所述連鑄鋼坯采用1300初軋機(jī)開坯成210方方坯；s4：將所述210方初軋坯進(jìn)行加熱軋制，得到所述齒輪鋼。步驟s1的具體操作為：采用電爐冶煉，氧化期流渣去p，拉渣干凈，出渣畢加sial合金、石灰，化渣均勻；終點[p]控制為≤0.008％，出鋼溫度控制為1640～1680℃，以保證鋼水初始氧化量低，為后續(xù)脫氧創(chuàng)造條件；爐外精煉時造堿性渣，分批補(bǔ)加石灰和碳化硅，確保爐渣流動性良好，渣色變白，同時控制氬氣壓力，以鋼水不翻出渣面為準(zhǔn)；控制鋼水氧含量≤0.0015％。步驟s2的具體操作為：對鋼水進(jìn)行真空脫氣處理，在小于66.7pa真空度以下，處理時間不低于10min，保證底吹氬弱攪拌時間不低于10分鐘；吊包溫度不低于1557℃；可保證鋼水中h含量在較低的范圍(≤0.0002％)。步驟s3的具體操作為：對連鑄坯進(jìn)行加熱，一般包括加熱一段、加熱二段及高溫均熱段，加熱一段、加熱二段是對連鑄坯進(jìn)行快速加熱，逐漸升到較高溫度，而高溫均熱段為關(guān)鍵控制區(qū)域，本發(fā)明通過控制連鑄坯在高溫均熱段的溫度為1200～1230℃，時間為100～150min，總加熱時間不低于450min，使鋼坯均勻熱透又不至于高溫段時間過長；有利于成分均勻化，減小淬透性的波動。步驟s4的具體操作為：對初軋坯進(jìn)行加熱，控制加熱溫度為1190～1240℃，總加熱時間不低于120min，終軋溫度大于950℃，使aln在加熱爐中充分回溶到鋼材基體中，在后續(xù)的軋制和熱處理過程中析出納米級的析出相。具體實施例如下：表1化學(xué)成分(wt，％)元素csimnpscralnoh實施例10.190.281.280.0100.0121.250.0390.0140.00130.0001實施例20.200.261.260.0120.0141.270.0380.0190.00120.0001實施例30.210.231.240.0090.0151.230.0340.0170.00100.0002本發(fā)明的鋼種的化學(xué)成分范圍窄，氧含量較低，純凈度高。表2低倍組織性能本發(fā)明的鋼種的低倍組織級別較佳，達(dá)到了gb/t3077-2015標(biāo)準(zhǔn)的特級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的水平。表3晶粒度本發(fā)明的鋼種在930℃保溫4小時晶粒度為8級，晶粒細(xì)小均勻，達(dá)到了gb/t5216-2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。另外，本發(fā)明的鋼種在960℃和980℃保溫4小時后，晶粒度仍然保持在7級，所以本發(fā)明的鋼種可以在960℃進(jìn)行高溫滲碳，和原來的930℃滲碳相比，可以比原來的滲碳時間縮短一半。表4末端淬透性本發(fā)明鋼種經(jīng)過925℃保溫1小時正火，925℃保溫30分鐘端淬后，淬透性帶寬j5為42-45，j9為35-38，帶寬≤4hrc，淬透性范圍窄，減小了齒輪熱處理的變形，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。表5力學(xué)性能本發(fā)明鋼種淬回火的抗拉強(qiáng)度超過標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限，且不同爐號的力學(xué)性能差異小，均勻性較佳。附不同al和n含量對應(yīng)的晶粒度試驗結(jié)果本

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