一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢制造技术

一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢，属于合金钢技术领域。化学成分重量％为：C 0.22‑0.28，Si 0.10‑0.30，Mn 0.50‑0.80，P≤0.005，S≤0.002，Cr 0.80‑1.60，Ni 1.50‑2.50，Mo 0.15‑0.35，V 0.10‑0.25，Nb≤0.10，[O]≤0.0020，[H]≤0.0002，[N]≤0.0050，RE 0.0010‑0.0035，余为Fe及不可避免的不纯物。DS夹杂物≤1级、马氏体板条束尺寸≤5μm、抗拉强度为1500‑1700MPa、冲击吸收能量KU2≥78J、弯曲疲劳强度σ‑1≥750MPa、扭转疲劳强度τ‑1≥380MPa，其疲劳性能强度比18Cr2Ni4WA等常用传动轴用钢提高20％以上。该合金钢具有高洁净度、超细组织、高强度、高韧性、高弯曲疲劳强度、高扭转强度等特点。

An Alloy Structural Steel Suitable for High Strength Drive Shaft

The utility model relates to an alloy structural steel suitable for being used as a high strength transmission shaft, belonging to the technical field of alloy steel. Chemical composition weight percent of chemical components weight weight: C 0.22 0.28, Si 0.10 0.30, Si 0.10 0.30, Mn 0.50 0.80, P <0.005, S <0.002, S <0.002, Cr 0.80 1.60, Ni 1.50 2.2.50, Mo 0.15 0 0.0 0.35, V 0.10 8209 0.25, Nb <0.10, [O]] ([O]] [H]]]] [0.0002,[[H]]]]] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0010 0.0035, the remaining impurities are Fe and inevitable impurities. The fatigue strength of DS inclusion < 1 grade, martensite lath bundle size < 5 micron, tensile strength 1500 1700 MPa, impact absorbing energy KU2 78J, bending fatigue strength_1 750 MPa and torsional fatigue strength_1 380 MPa are 20% higher than those of 18Cr2Ni4WA and other commonly used transmission shaft steels. The alloy steel has the characteristics of high cleanliness, ultra-fine structure, high strength, high toughness, high bending fatigue strength and high torsional strength.

【技术实现步骤摘要】
一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢
本专利技术属于合金钢
，尤其涉及一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢。
技术介绍
传动轴是各种机械结构中最常见的基础零件之一，常采用合金结构钢制造。常用的合金结构钢有40Cr、42CrMo等，用作传动轴时其抗拉强度低于1000MPa，高于1000MPa的高强度传动轴常用更高合金含量的合金结构钢制造，如18Cr2Ni4WA钢。18Cr2Ni4WA钢是上世纪50年代从前苏联引进的钢种，用作传动轴时其抗拉强度Rm≥1180MPa(GB/T3077合金结构钢)，但难以超过1300MPa。由于传动装置的最新发展需要更高功率密度，因而要求传动轴高强度化，抗拉强度达到1500MPa以上，从而能够在传递同样功率的前提下减小直径，18Cr2Ni4WA钢等现有合金结构钢钢种无法满足这种要求。因此，新型传动轴需要更高强度和疲劳强度的合金结构钢来制造。另一方面，传动轴服役时承受周期载荷，疲劳断裂是其主要失效方式，主要包括弯曲疲劳和扭转疲劳等。18Cr2Ni4WA钢的弯曲疲劳强度σ-1≥600MPa、扭转疲劳强度τ-1≥300MPa，其疲劳性能不能满足高功率密度传动装置的发展要求。与此同时,随着钢的抗拉强度的提高，传动轴用钢韧性通常会下降，因而从内部夹杂物处产生疲劳断裂的风险显著增加。因此，高强度传动轴用钢必须考虑在强度提高的同时确保韧性不下降，以及如何通过洁净度提高来进一步确保疲劳性能改善。已有研究表明，细化原奥氏体晶粒和马氏体板条束尺寸可以显著改善高强度合金结构钢的韧性(ChunfangWang,MaoqiuWang,JieShi,etal.Effectofmicrostructuralrefinementonthetoughnessoflowcarbonmartensiticsteel.ScriptaMaterialia,2008,58(6):492-495.)，从而也会提高疲劳性能(王彦彬,王毛球,黎振华,等.晶粒尺寸对表面渗碳钢疲劳极限的影响.钢铁研究学报,2010,22(11):23-27)。另外，在高强度钢中大尺寸氧化物夹杂物常作为疲劳裂纹源，导致疲劳性能下降(YanLiu,MaoqiuWang,JieShi,etal.Fatiguepropertiesoftwocasehardeningsteelsaftercarburization.InternationalJournalofFatigue,2009,31(2):292-299)，因此大尺寸夹杂物的控制是提高高强度钢疲劳性能的重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢，高性能传动轴用钢,其P≤0.005％、S≤0.002％、[O]≤0.0020％、DS夹杂物≤1级、马氏体板条束尺寸≤5μm、抗拉强度为1500-1700MPa、冲击吸收能量KU2≥78J、弯曲疲劳强度σ-1≥750MPa、扭转疲劳强度τ-1≥380MPa，其疲劳性能强度比18Cr2Ni4WA等常用传动轴用钢提高20％以上。本专利技术合金钢具有高洁净度、超细组织、高强度、高韧性、高弯曲疲劳强度、高扭转强度等特点，其P≤0.005％、S≤0.002％、[O]≤0.0020％、DS夹杂物≤1级、马氏体板条束尺寸≤5μm、抗拉强度Rm≥1500MPa、冲击吸收能量KU2≥78J、弯曲疲劳强度σ-1≥750MPa、扭转疲劳强度τ-1≥380MPa。本专利技术材料是一种极其适用于高扭矩传动轴的服役工况，其疲劳性能强度比18Cr2Ni4WA等常用传动轴用钢提高20％以上。18Cr2Ni4WA钢等高强度轴用钢经淬火和低温回火热处理后使用，其组织为回火马氏体。低温回火马氏体钢的强度水平与钢中碳含量直接相关,因此为将传动轴用钢的强度总1200MPa级提高到1500MPa级，首先需要考虑增加钢中的碳含量。不过，随着碳含量的增加和强度的提高，钢的韧性通常会显著降低。因此，在提高强度的同时还需要通过细化钢的组织和提高钢的洁净度来改善传动轴用钢的韧性。在疲劳性能方面，需要考虑夹杂物尺寸的控制，特别是氧化物类夹杂物。因此，钢中氧含量控制非常关键。根据上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：(1)通过控制C元素含量,保证低温回火后马氏体组织中固溶碳含量，利用固溶强化作用达到1500MPa以上的强度；(2)通过微合金化实现微观组织的细化，使原奥氏体晶粒控制在20μm以下，马氏体板条束尺寸控制在5μm以下，从而改善韧性；(3)通过控制洁净度，特别是将S含量控制在0.002％以下、P含量控制在0.005％以下，进一步改善韧性；(4)通过采用保护气氛电渣重熔工艺，使钢中氧含量≤20ppm、DS类夹杂物≤1级(尺寸≤27μm)，显著改善疲劳性能；(5)通过添加RE元素，使硫化物无害化，从而进一步改善韧性。本专利技术钢的具体化学成分(重量％)为：C0.22-0.28，Si0.10-0.30，Mn0.50-0.80，P≤0.005，S≤0.002，Cr0.80-1.60，Ni1.50-2.50，Mo0.15-0.35，V0.10-0.25，Nb≤0.10，[O]≤0.0020，[H]≤0.0002，[N]≤0.0050，RE0.0010-0.0035，余为Fe及不可避免的不纯物。各元素的作用及配比依据如下：C：固溶强化元素，对淬火马氏体钢的强度起决定作用。为使传动轴用钢经淬火和低温回火后的抗拉强度达到1500MPa，C含量需控制在0.22％以上，而C含量过高导致塑韧性降低。因此，C含量应控制在0.22-0.28％。Si：作为脱氧元素，但可能导致塑韧性下降。Si含量在0.10％以下时，不能起到有效脱氧作用；Si含量高于0.30％时，可能影响塑韧性。因此，Si含量应控制在0.10-0.30％。Mn：作为脱氧和脱硫的有效元素，冶炼时加入。但同时也使马氏体钢的韧塑性降低。因此，为保证脱氧效果和改善塑韧性，Mn含量应控制在0.50-0.80％。P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而降低韧性。考虑到P含量要求提高会带来生产难度的增加和成本提高，因此P含量应控制在0.005％以下为宜。S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而降低钢的塑性。考虑到S含量要求提高会带来生产成本提高，因此S含量应控制在0.002％以下为宜。Cr：提高淬透性，提高强度和塑韧性。含量低于0.80％时以上作用不明显，高于1.60％时作用增加不明显。因此，Cr含量应控制在0.80-1.60％。Ni：改善韧性，同时为奥氏体形成元素，有利于保留一定残余奥氏体，从而提高塑韧性。含量低于1.50％时无法保证抗拉强度1500MPa时所需的塑韧性，高于2.50％时其作用增加不明显，并且导致成本增加。因此，Ni含量应控制在1.50-2.50％。Mo：提高淬透性、净化晶界。Mo含量低于0.15％时二次硬化作用不够，但高于0.35％时明显会降低韧塑性。因此，Mo含量应控制在0.15-0.35％。V：以细小的碳(氮)化物形成存在时，能够细化晶粒，从而改善钢的韧性。适量加入可以改善性能，高于0.25％时易形成大颗粒碳(氮)化物，反而使韧塑性下降，并且成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢，其特征在于，化学成分重量％为：C 0.22‑0.28，Si 0.10‑0.30，Mn 0.50‑0.80，P≤0.005，S≤0.002，Cr 0.80‑1.60，Ni 1.50‑2.50，Mo 0.15‑0.35，V 0.10‑0.25，Nb≤0.10，[O]≤0.0020，[H]≤0.0002，[N]≤0.0050，RE 0.0010‑0.0035，余为Fe及不可避免的不纯物。

【技术特征摘要】
1.一种适合用作高强度传动轴的合金结构钢，其特征在于，化学成分重量％为：C0.22-0.28，Si0.10-0.30，Mn0.50-0.80，P≤0.005，S≤0.002，Cr0.80-1.60，Ni1.50-2.50，Mo0.15-0.35，V0.10-0.25，Nb≤0.10，[O]≤0.0020，[H]≤0.0002，[N]≤0.0050，RE0.0010-0.0035，余为Fe及不可避免的不纯物。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毛球，时捷，何肖飞，尉文超，李晓源，徐乐，闫永明，孙挺，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11