一种高温渗碳齿轴用钢及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高温渗碳齿轴用钢及其制造方法。其中，一种高温渗碳齿轴用钢包括以质量百分比计的化学成分：C：0.17～0.22％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.80～1.40％、S：0.010～0.035％、Cr：0.80～1.40％、Al：0.020～0.046％、N：0.006～0.020％、Nb：0.002～0.030％、V≤0.02％、Ti≤0.01％。本发明专利技术还公开了一种高温渗碳齿轴用钢的制造方法，包括：冶炼和浇铸；加热；锻造或轧制；精整。通过合理控制钢的化学元素组成使得本发明专利技术的齿轴用钢在高温下能够保持适宜的奥氏体晶粒度和稳定性，在940～1050℃的高温真空渗碳前后的奥氏体晶粒度保持5～8级，可以有效应用于汽车用变速箱或新能源车用减速器及差速器等高端零部件中，具有良好的使用前景和价值。具有良好的使用前景和价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高温渗碳齿轴用钢及其制造方法


[0001]本专利技术涉及冶金
，尤其涉及一种高温渗碳齿轴用钢及其制造方法。

技术介绍

[0002]随着汽车工业全球化深入发展，市场和用户对汽车安全、环保和舒适的需要日益增长，对汽车零部件的技术要求也越来越高。其中，高温稳定和高疲劳寿命且易于加工及经济高效的齿轮或轴类零部件是重要的发展方向之一。
[0003]高性能齿轮或轴类零部件表面一般要经过渗碳和淬火及回火处理，以得到硬度较高的表面和韧性较好的心部，最终获得优异的抗疲劳寿命及耐磨性能。近年来，面对汽车特别是新能源车减速器及差速器对齿轮的高技术要求，高温渗碳技术应用日趋广泛，既可以获得性能优异的渗碳齿轮，又可以大幅提升生产效率，并减少气体排放而保护环境。
[0004]目前国内外常用的气体渗碳温度一般不高于930℃，而高温真空渗碳由于其处理环境无氧，因此其渗碳温度可高达960℃甚至1000℃以上。根据渗碳原理计算，渗碳温度提高50℃左右，获得同样厚度硬化层的渗碳时间可以缩短50％左右。因此，如果把渗碳温度从930℃提高到980℃，可以使渗碳时间缩短为原来的50％，生产效率会明显提升。此外，采用高温真空渗碳所得齿轮，表面少甚至无沿晶氧化，可以明显提高抗冲击断裂性能。高温真空渗碳技术以其自身的优势逐渐成为替代气体渗碳技术的必然选择。
[0005]目前广泛使用的MnCr系渗碳齿轮钢，以其优异的综合性价比，在新能源车减速器及差速器上也有大量应用。MnCr系高温渗碳齿轮钢的主要技术难题是在提高渗碳温度的同时，齿轮不出现混晶和晶粒粗大现象；而一旦发生晶粒异常长大，则容易导致热处理变形和早期疲劳断裂等，有影响传动效率和造成交通事故的可能性。不仅如此，为了应对复杂形状齿轮的淬火及回火，伴随高温真空渗碳的气体淬火应用日趋广泛，对齿轮钢的淬透性也提出了较高要求。
[0006]试验研究表明，在MnCr系渗碳齿轮钢中添加Al、Nb、V、Ti及N等元素，利用碳氮化物可防止高温渗碳时的晶粒粗化。但仍存在着齿轮晶粒粗化温度不够高、大生产所得齿轮钢晶粒度不稳定等间题。
[0007]例如：在中国专利技术专利CN200610028265.8中记载了一种高强度汽车用齿轮钢，其钢中复合加入了Nb、V、Al等合金元素，细化了原始奥氏体晶粒，其成分质量百分比为：C：0.20～0.40％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.50～1.00％，Cr：0.80～1.30％，Nb：0.015～0.080％，V：0.030～0.090％，Mo：0.15～0.55％，Al：0.015～0.050％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过加入微量的Nb、V后，齿轮钢的晶粒度、淬透性及其带宽均得到明显优化；同时增加了齿轮钢的综合力学性能，使用寿命延长。但该专利没有说明具体渗碳温度，添加了Al、Nb和V等微合金元素，仅可以满足常规气体渗碳的温度要求。
[0008]又例如：在中国专利技术专利CN201310301638.4中记载了一种Nb、Ti复合微合金化的20CrMnTi易切削齿轮钢，钢的组分为：C：0.17～0.22％，Si：0.20
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0.35％，Mn：0.9～1.10％，P：≤0.025％，S：0.020～0.035％，Cr：1.05～1.30％，Al：0.015～0.035％，Ti：0.02～
0.06％，Nb：0.02～0.06％，余量为铁与不可避免的杂质。通过控制Nb、Ti及Al等微合金元素含量，提高齿轮渗碳温度或缩短渗碳时间，如1050℃*1h，或者1000℃*6h。该专利添加了0.02～0.06％的Ti和Nb，可将渗碳温度提高到1000℃。
[0009]又例如：在中国专利技术专利CN202010128336.1中记载了一种超纯净高温细晶粒渗碳齿轮钢，化学成分包括C：0.15～0.21％，Si：≤0.12％，Mn：1.00～1.30％，Cr：1.00～1.30％，S：0.010～0.025％，P≤0.025％，Ni：0.70～1.00％，Mo：0.02～0.10％，B：0.0020～0.0040％，Cu≤0.20％，Al≤0.05％，Ca≤0.0005％，Ti≤0.003％，N：0.0080～0.016％，且N＝(0.80～1.0)
×
(0.5％Al+0.7％B)，余量为Fe及不可避免的杂质，使得在960℃以上的高温渗碳处理后基体晶粒度仍然在6级以上。该专利添加了B元素，利用Al、B、N充分结合，形成AlN、BN质点，获得了可在1000℃*4h高温处理后晶粒度仍在6级以上的齿轮圆钢。
[0010]考虑到V元素控制高温奥氏体晶粒度效果并不明显，Ti元素添加后易于形成方块状夹杂物而影响疲劳寿命，较高含量的B元素则容易在晶界偏聚，为应对越来越高的渗碳齿轮钢技术要求，适用于高温(真空)渗碳且易于切削的大规格MnCr系渗碳齿轴用钢的研发制造迫在眉睫。

技术实现思路

[0011]鉴于上述分析，本专利技术实施例旨在提供一种高温渗碳齿轴用钢及其制造方法，以解决现有技术中存在的齿轴用钢仅能满足常规渗碳温度的要求，在高温渗碳过程中容易产生晶粒粗化、晶粒度不稳定而导致的热处理变形和早期疲劳断裂的问题。
[0012]本专利技术的一个目的在于提供一种高温渗碳齿轴用钢，采用本专利技术的元素组分制备得到的齿轴用钢在高温下能够保持适宜的奥氏体晶粒度和稳定性，还具有较窄的淬透性带宽，易于加工，可以有效提高齿轴用钢的生产稳定性和使用安全性。该齿轴用钢在940～1050℃的高温渗碳前后的奥氏体晶粒度保持5～8级，可以有效应用于汽车用变速箱或新能源车用减速器及差速器等高端零部件中，具有良好的使用前景和价值。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种高温渗碳齿轴用钢：包括以质量百分比计的化学成分：C：0.17～0.22％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.80～1.40％、S：0.010～0.035％、Cr：0.80～1.40％、Al：0.020～0.046％、N：0.006～0.020％、Nb：0.002～0.030％、V≤0.02％、Ti≤0.01％。在本专利技术所述高温渗碳齿轴用钢中，各化学元素的设计原理具体如下所述：
[0014]C：在本专利技术所述的高温渗碳齿轴用钢中，C是钢中所必需的成分，同时其也是影响钢的淬透性最主要的元素之一。渗碳齿轮钢需要高表面强度的同时也需要足够的心部冲击韧性，当钢中C元素含量太低时，低于0.17％时，钢材的强度不足，且不能保证良好的淬透性要求；相应地，钢中C元素含量也不宜太高，当钢中C元素含量太高时，无法满足齿轮心部韧性的需求，且C含量过高对钢材的塑性不利，特别是对Mn含量较高的渗碳齿轮钢，C含量大于0.22％时不利于钢的加工性能。因此，在本专利技术所述的高温渗碳齿轴用钢中，将C的质量百分比控制在0.17～0.22％之间。
[0015]Si：在本专利技术所述的高温渗碳齿轴用钢中，Si元素不仅能够更好地消除氧化铁对钢的不良影响，其也能溶入铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度、硬度、耐磨性和弹性及弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温渗碳齿轴用钢，其特征在于，包括以质量百分比计的化学成分：C：0.17～0.22％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.80～1.40％、S：0.010～0.035％、Cr：0.80～1.40％、Al：0.020～0.046％、N：0.006～0.020％、Nb：0.002～0.030％、V≤0.02％、Ti≤0.01％。2.根据权利要求1所述的高温渗碳齿轴用钢，其特征在于，余量为Fe及不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的高温渗碳齿轴用钢，其特征在于，还包括Ni、Mo和Cu元素中的至少一种，其中，以质量百分比计，Ni≤0.25％、Mo≤0.10％、Cu≤0.20％。4.根据权利要求1
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3任一项所述的高温渗碳齿轴用钢，其特征在于，还包括以质量百分比计，P≤0.015％、O≤0.0020％、H≤0.0002％、B≤0.0010％、Ca≤0.003％。5.根据权利要求1所述的高温渗碳齿轴用钢，其特征在于，所述高温渗碳齿轴用钢中Nb、V、Al、N、C的元素含量满足关系：微合金元素系数r
M/X
＝(20*[Nb]/93
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵四新，高加强，黄宗泽，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：