一种高强度长寿命齿条钢制造技术

本发明专利技术涉一种高强度长寿命齿条钢，该钢经淬火和低温回火处理后，抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ‑1≥750MPa。通过检验化学元素对抗拉强度、冲击韧性的贡献进行大量数据回归分析，重新设计化学成分使齿条钢的抗拉强度和疲劳强度获得显著的提高，按质量百分比计％包括C0.22～0.32、Si0.17～0.37、Mn0.55～1.55、P≤0.015、S≤0.030、Cr0.60～1.65、Mo0.15～0.45、Ni0.65～1.65、Cu0.02～0.25、Al0.02～0.035、Nb0.01～0.06、B0.0003～0.0006。

A High Strength and Long Life Rack Steel

【技术实现步骤摘要】
一种高强度长寿命齿条钢
本专利技术涉及铁基特钢冶金
，具体涉及一种齿条钢。
技术介绍
汽车工业是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，西方发达国家都具有较高的汽车制造技术，发动机是汽车核心部件，发动机的性能直接决定汽车性能。齿条钢主要用于发动机扇形齿轮和齿板的加工材料，作为重要的受力部件，承受巨大的扭距、冲击，受力状态特别复杂。要求材料具有极高的强度指标，良好的冲击韧性指标。φ20毛坯试样，在淬火+低温回火状态下(淬火：890℃±10℃，保温45分钟、油淬；回火：180℃±10℃，保温150分钟，空冷)，要求材料的抗拉强度Rm≥1650MPa，延伸率≥7％，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa。目前国内外常用齿轮钢品种有Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列、CrNi系列、CrMnTi系列，φ20毛坯试样，淬火+低温回火后的强度指标在750-1150MPa，远远达不到汽车齿轮、齿板用户对材料的性能要求。材料的强度、硬度指标和冲击韧性指标是相反的，存在此消彼长、相互制约的关系。一般来说，材料的强度、硬度指标越高，冲击韧性指标越低。而韧性指标是和材料的拉压疲劳强度σ-1息息相关，对于齿轮、齿板这类特殊零件而言，拉压疲劳强度σ-1比韧性更具有性能表征疑义。有相应的研究指出，提高材料的冲击韧性，有利于提高材料的疲劳强度。本材料(齿条钢)的开发难度在于，既要大幅度提高材料的强度指标，又要保证材料良好的冲击韧性指标。而检索当前国内外相关研究报告，齿轮材料在淬火+低温回火状态下，抗拉强度Rm≥1650MPa，，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa的研究还是空白。为了开发汽车领域中核心零件：齿轮、齿板的高品质加工材料，有助于提高我国汽车领域在核心零件方面的竞争力。
技术实现思路
基于目前国内外齿轮钢的性能和生产现状，本申请专利技术人能够生产出一种淬透性好，经淬火和低温回火后材料的抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa，在相同的渗碳淬火条件下，得到合适的渗碳层深度和最佳的渗碳层含碳量，保证较好的接触疲劳寿命、良好的渗碳层的断裂韧性。而要获得上述材料，需要对齿条钢的化学成分作出创新改进：通过检验C、Mn、Cr、Mo、Ni对抗拉强度、冲击韧性的贡献(或影响力)进行大量数据回归分析。数据回归分析采用单项因子方法和多项因子方法结合的方式。通过大量试验数据来分析比对不同系列的齿轮钢品种(：Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列、CrNi系列、CrMnTi系列)，不同合金元素对抗拉强度、冲击韧性指标的贡献。根据分析比对结果，重新设计化学成分，最后对化学成分进行实验验证，化学成分再修正，得到如下成分的高强度长寿命齿轮钢成分，依据该成分生产(包含淬火+低温回火)出的齿条钢具有更高抗拉强度和拉压疲劳强度σ-1，获得一种高强度长寿命的高品质齿条钢。上述齿条钢的化学成分遵循如下设计：本专利技术中C的作用是提高钢的淬透性、提高钢的强度，相比其他合金成分，C对淬透性、强度的提高最为明显，但随着C的提高，零件在热处理后心部冲击韧性会恶化出现显著下降。为了保证零件心部冲击韧性，C优选0.25-0.29％。本专利技术中合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo的设计成分是为了提高钢的淬透性，经过数据回归分析可知：合金元素对淬透性的贡献最大的是Mn、Cr，Mo、NiSi对淬透性的贡献次之。经过多次成分和强度、冲击韧性指标的试验分析，确定了合金元素的含量。Mn的作用是提高钢的淬透性，提高钢淬回火后的强度。Cr的作用是提高钢的淬透性，提高钢淬回火后的强度。Cr的另一个作用是和C形成碳化物，提高渗碳速度，提高渗碳层深度，提高渗碳层碳浓度。Mo是强C化物形成元素，Mo的主要作用和Cr相近，提高渗碳速度，提高渗碳层深度，提高渗碳层碳浓度，Mo的另一个作用是抑制渗碳层表面氧化，从而提高渗碳层的冲击断裂抗力和过载疲劳抗力，一般重要用途的齿轮钢材料，都会加一点Mo。Ni是非碳化物形成元素，它在钢材中的作用除了提高淬透性外，和Cr、Mo的作用相反，在相同的渗碳条件下，它降低渗碳层C浓度和渗碳层深度，Ni和其他元素Cr、Mo配合，保证渗碳层合适的碳浓度，从而改善渗碳层的韧性。Ni的另一个作用是提高钢的冲击韧性，最终提高材料的对称拉压疲劳强度σ-1。Al是钢中的脱氧元素，铝和钢水中的氧结合生成Al2O3上浮到渣中，从而降低钢水中的氧含量，Al的另一个作用是细化晶粒，通过添加一部分Al,通过合适的加热、轧制、冷却制度，可确保齿轮在长时间渗碳时奥氏体不长大，从而提高渗碳层和基体的强度和韧性，提高对称拉压疲劳强度σ-1。P是钢中的有害元素，P特别容易在晶界偏聚，降低晶界的强度和韧性，对最终淬火+低温回火后的材料冲击韧性有非常不利的影响，最终影响材料的疲劳性能，本专利技术对P要严格控制，控制P≤0.015，P优选≤0.010％，更优选≤0.008％。B比P更易于在晶界偏聚，B的作用是在晶界把P挤出去，提高晶界的强度和韧性，提高材料的冲击韧性指标。本专利技术对B要加以控制，控制B:0.0003-0.0006％。Nb的作用和Al相近，它主要是通过和Al的配合，在钢中形成NbC的质点，由于NbC的质点熔解温度高，它和AlN相互配合，通过合适的加热、轧制、冷却制度。进一步细化奥氏体晶粒尺寸的大小。有相关文献指出，通过细化奥氏体晶粒，可大幅提高材料的对称拉压疲劳强度σ-1。NbC在钢中的存在形式，主要是钢加热时NbC熔解，冷却时NbC析出。NbC在加热超过一定温度，Nb和C分别熔入γ-Fe.在冷却到一定温度区间，以NbC的质点析出在钢中，在后道齿轮长时间渗碳保温时，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化奥氏体晶粒。经相关研究，析出的质点大小、形态、弥散程度，对细化奥氏体区别很大。根据相关研究，NbC在钢中的固熔温度和Nb的含量有关，有研究表明Nb含量在0.039％时，Nb在钢中的固熔温度是1150℃。含Nb钢在900-1100℃，NbC大量析出。基于该特点，本申请进一步限定如下工艺。①轧前加热工艺，把连铸坯加热至1150-1240℃，保温时间≥3小时，加热温度，保温时间的设定，将加热的最低温度设置在1150℃以上，使NbC、AlN充分熔解。②轧制工艺，开轧温度不低于1050℃，终轧温度950℃以上，将开轧和终轧温度限定在NbC大量析出温度范围的比端点温度还要缩进50℃的小范围内，有利于消除轧制压缩对钢坯温度的影响，确保轧制时NbC、AlN的大量充分析出，细化奥氏体晶粒。③冷却，轧后空冷，不可窜水冷却(水冷)，使在控轧结束后仍保证钢中NbC、AlN在≥950℃有足够时间析出，钢板轧后出现反温，使NbC、AlN持续析出，若轧后水冷，对钢板尤其是钢板的近表面产生骤冷作用，不利于NbC、AlN析出，抑制析出强化作用，并恶化钢板厚度方向的均匀性，影响钢板的强度指标。综上，奥氏体晶粒得到细化，显著提高了材料的对称拉压疲劳强度σ-1。本专利技术对H严格控制，H导致的延迟断裂对高强钢特别敏感，除了在冶炼过程中加强真空脱气外，在钢材轧制下线后，及时扩H退火，保证最终H≤0.5PPM。本专利技术的特点在于：对于齿条钢而言，其钢品种较多，分Cr系、CrMo系统、MnCr系列、CrNiMo系列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度长寿命齿条钢，其特征在于：该钢经淬火和低温回火处理后，抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ‑1≥750MPa。

【技术特征摘要】
1.一种高强度长寿命齿条钢，其特征在于：该钢经淬火和低温回火处理后，抗拉强度Rm≥1650MPa，对称拉压疲劳强度σ-1≥750MPa。2.根据权利要求1所述的高强度长寿命齿条钢，其特征在于：钢的化学成分按质量百分比计为3.根据权利要求2所述的高强度长寿命齿条钢，其特征在于：所述C含量为0.25～0.29％。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨高成，曹红福，黄镇，孙鸿平，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32