專利名稱：一種重載荷齒輪用鋼的制作方法
技術領域：
本發明屬于合金鋼領域，特別涉及對滲碳淬火變形要求較嚴并且能夠承受較重載荷的齒輪用鋼。
背景技術：
隨著車輛發動機功率的提高，要求傳動系統能夠承受更高的載荷。同時，為提高功率密度(單位體積的輸出功率)，要求傳動系統體積減小，因而對齒輪的承載能力提出了更高的要求。為提高齒輪的承載能力，齒輪材料往往采用合金元素含量較高的重載齒輪鋼，如20Cr2Ni4和20CrNi2Mo等。然而，這些重載齒輪鋼都存在滲碳淬火變形大的缺點，結果往往導致齒輪后續加工難度大、加工后滲層厚度不均勻、尺寸精度難以保證、以及使用壽命短等問題。影響齒輪滲碳淬火變形的因素較多，其中以淬透性和晶粒度的影響較大。研究表明，降低淬透性和增加晶粒度級別都可以使齒輪滲碳淬火變形降低。不過，重載齒輪鋼必須具有一定的淬透性，才能保證大截面齒輪能夠淬透。因此，對滲碳淬火變形要求嚴格的重載齒輪鋼，有必要采用細化晶粒的方法。
重載齒輪鋼的晶粒細化主要依靠微合金化設計實現。通常采用的方法是控制Al和[N]的含量、或添加Ti和B等微合金化元素，這些方法冶煉工藝控制難度大、晶粒細化效果不穩定。日本專利JP通過添加0.03-0.06％的Nb進行微合金化，使齒輪鋼的滲碳溫度提高到1050℃。最近國內也有研究表明，Nb微合金化在控制齒輪鋼晶粒度方面具有顯著的作用(楊林等。汽車工藝與材料，2004，(7)5-6)。但是，Nb微合金化重載齒輪鋼及其在滲碳淬火變形控制等方面的研究至今未見報道。
另一方面，一些重載齒輪要求抗拉強度Rm高于1400MPa、沖擊功Aku高于100J，同時還要求有較高的疲勞強度，包括齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度。研究表明，降低[O]含量可以顯著提高齒輪的疲勞性能，因此降低齒輪鋼中的[O]含量才能確保齒輪鋼的高承載能力。通過采用Al、Si、Mn等脫氧劑和真空脫氧，通常可以將齒輪鋼中的[O]含量控制在20ppm以下。但是，對一些承載能力要求較高的齒輪鋼來說，為確保承載能力，有必要進一步降低[O]含量，將其控制在15ppm以下。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高抗拉強度、高沖擊功、滲碳淬火變形小、易加工的重載齒輪用鋼。
根據上述目的，本發明所采取的技術方案是(1)通過添加微合金化元素Nb，并保留一定的[N]，形成Nb(C，N)以阻止滲碳時奧氏體晶粒的長大，從而保證小的淬火變形和高的韌性；(2)C含量控制在0.2％左右，并通過添加Cr、Ni、Mo、V等元素可以保證足夠淬透性，使抗拉強度高于1400MPa；(3)添加RE可以保證獲得低的[O]含量，確保重載時的疲勞強度；(4)降低Si、Mn等易氧化元素含量和P、S等雜質元素含量，以進一步提高滲碳層和基體的韌性。
本發明鋼的具體化學成分(重量％)為C 0.17％-0.25％，Si 0.05％-0.15％，Mn 0.2％-0.5％，P≤0.015％，S 0.002％-0.01％，Cr 1.4％-2.5％，Ni 1.5％-4.0％，Mo 0.1％-0.8％，Nb 0.03％-0.15％，RE 0.001％-0.05％，Al 0.015％-0.06％，[N]0.005％-0.03％，[O]≤0.0015％，余為Fe及不可避免的不純物。還含有＜0.2％的V。
各元素的作用及配比依據如下C經淬火、低溫回火后，為獲得所需的強度(＞1400MPa)，C含量必須在0.17％以上，但過多的C含量會使韌性降低，并顯著提高淬透性，使齒輪滲碳淬火變形加大，因此C含量控制在0.17-0.25％。
Si脫氧劑，冶煉時加入。但使滲碳層容易氧化，從而降低滲碳層韌性，使齒輪疲勞強度降低、承載能力下降。因此，為保證脫氧效果和改善滲層韌性，Si含量應控制在0.05-0.15％。
Mn脫氧和脫硫的有效元素，冶煉時加入。但與Si類似，使滲碳層容易氧化，從而降低滲碳層韌性，使齒輪疲勞強度降低、承載能力下降。因此，為保證脫氧效果和改善滲層韌性，Mn含量應控制在0.20-0.50％。
P在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而不利于齒輪承載能力的提高，因此P含量應控制在0.015％以下。
S不可避免的不純物，形成MnS夾雜物和在晶界偏析會惡化鋼的韌性，從而不利于齒輪承載能力的提高。S含量低于0.002％時，對加工性能不利。因此，S含量應控制在0.002-0.010％。
Cr能夠有效提高鋼的淬透性，以獲得所需的強度。為確保大截面重載齒輪淬透，應不低于1.40％，但Cr含量超過2.50％時會惡化鋼的冷加工性能。因此，Cr含量應控制在1.40-2.50％。
Ni能夠有效提高鋼的淬透性和改善低溫韌性。低于1.50％時難以起到上述作用，但含量超過4.00％時會使滲碳層殘余奧氏體含量增加，惡化滲碳層性能。因此，Ni含量應控制在1.50-4.00％。
Mo能夠同時有效提高基體和滲碳層的淬透性，并能強化晶界。低于0.10％時難以起到上述作用，但含量超過0.80％時以上作用增加不明顯，并且成本較高。因此，Mo含量應控制在0.10-0.80％。
V以細小的碳(氮)化物形成存在時，能夠細化晶粒，從而減小變形和改善韌性；以固溶形式存在時，能夠提高淬透性，從而提高強度。適量加入可以改善性能，高于0.20％時易形成大顆粒碳(氮)化物，反而使韌性下降，并有可能影響疲勞強度。因此，如添加，V含量應控制在0.20％以下。
Nb形成碳氮化物能夠細化晶粒，從而有效降低滲碳淬火變形，并提高韌性。低于0.03％時以上作用不明顯，高于0.15％時作用增加不明顯，達到飽和。因此，Nb含量應控制在0.03-0.15％。
RE脫氧和脫硫，并且使夾雜物變形，從而能夠提高鋼的韌性，保證齒輪的疲勞強度和高的承載能力。低于0.001％時以上作用不明顯，高于0.050％時作用增加不明顯，達到飽和。因此，RE含量應控制在0.001-0.050％。
Al能有效脫氧和細化晶粒，含量低于0.015％時以上作用不明顯，高于0.060％時作用增加不明顯，且可能形成粗大的氧化鋁夾雜物，惡化鋼的韌性。因此，Al含量應控制在0.015-0.060％。
與Nb、V、Al等結合形成化合物，從而細化晶粒和降低滲碳淬火變形，但也會偏聚晶界而降低晶界強度。含量低于0.005％時晶粒細化作用不明顯，高于0.030％時不利作用明顯。因此，[N]含量應控制在0.005-0.030％。
有害氣體，嚴重降低疲勞性能，影響齒輪承載能力。通過多種手段應將[O]含量控制在0.0015％以下。
本發明采用與現有技術相近似的制備方法本發明可采用電弧爐、高頻感應爐、真空感應爐冶煉，并可再經真空脫氣處理，然后澆注成鋼錠或連鑄成坯，經開坯后軋制或鍛造成棒材等產品。
本發明與現有技術相比具有高抗拉強度、高沖擊功、滲碳淬火變形小、易加工的優點。上述優點具體如下與現有重載齒輪用鋼種20Cr2Ni4和20CrNi2Mo等相比，本發明鋼不但抗拉強度和承載能力高，而且滲碳淬火變形小，從而大大降低后續加工工藝的難度。其抗拉強度高于1400MPa、沖擊功高于100J、變形率≤2.65。
具體實施例方式
實施例根據上述所設計的化學成分范圍，在50kg感應爐上冶煉了9爐(爐號1-9)本發明鋼和2爐對比鋼(爐號10-11)，此外還有2爐(爐號12-13)經EAF+LF+VD冶煉的商業重載齒輪鋼，其具體化學成分如表1所示。鋼水澆注成錠，并經鍛造制成棒料。試樣加工前經900℃、30分鐘正火處理，然后加工成標準室溫拉伸試樣(L0＝5d0，d0＝5mm、夏比V型缺口沖擊試樣(10mm×10mm×55mm)、變形試樣的毛坯和進行試樣(φ10mm×25mm)。拉伸試樣和沖擊試樣經860℃保溫油淬、170℃回火4小時后加工成最終尺寸，并按國標進行相應試驗，其力學性能如表2所示。
金相試樣和變形試樣經930℃、3小時滲碳后空冷，再經650℃、4小時高溫回火，然后再加熱到860℃、0.5小時油淬，最后經170℃、4小時低溫回火后空冷。經熱處理后，試樣的表面硬度在HRC60左右，滲碳層深度為0.8-1.2mm，滲碳層碳化物為1級，馬氏體及殘余奧氏體為1-2級。通過測定變形試樣缺口處距離大小的變化，以變形率R來表征淬火變形的程度，其定義如下R＝(D-D0)/D0×100％式中R為變形率，D0和D分別為處理前后試樣缺口處距離。變形率結果和奧氏體晶粒度結果也列在表2中。
從表2結果中可以看出，本發明鋼的抗拉強度在1400MPa以上，并且沖擊韌性在100J以上，高于20Cr2Ni4和20CrNi2Mo鋼。在相同的滲碳淬火回火條件下，其變形率顯著低于20Cr2Ni4和20CrNi2Mo鋼，還不到20Cr2Ni4鋼的一半。
表1實施例和對比鋼的化學成分，重量％

表2實施例和對比鋼的力學性能、晶粒度級別和變形率

權利要求
1.一種重載荷齒輪用鋼，其特征在于該鋼的具體化學成分(重量％)為C 0.17％-0.25％，Si 0.05％-0.15％，Mn 0.2％-0.5％，P≤0.015％，S 0.002％-0.01％，Cr 1.4％-2.5％，Ni 1.5％-4.0％，Mo 0.1％-0.8％，Nb 0.03％-0.15％，RE0.001％-0.05％，Al 0.015％-0.06％，[N]0.005％-0.03％，[O]≤0.0015％，余為Fe及不可避免的不純物。
2.根據權利要求1所述的重載荷齒輪用鋼材料，其特征在于還含有＜0.2％的V。
全文摘要
本發明屬于合金鋼領域，特別涉及對滲碳淬火變形要求較嚴并且能夠承受較重載荷的齒輪用鋼。該鋼的具體化學成分(重量％)為C 0.17％－0.25％，Si 0.05％－0.15％，Mn 0.2％－0.5％，P≤0.015％，S 0.002％－0.01％，Cr 1.4％－2.5％，Ni 1.5％－4.0％，Mo 0.1％－0.8％，Nb 0.03％－0.15％，RE 0.001％－0.05％，Al0.015％－0.06％，[N]0.005％－0.03％，[O]≤0.0015％，余為Fe及不可避免的不純物。還含有＜0.2％的V。本發明與現有技術相比具有高抗拉強度、高沖擊功、滲碳淬火變形小、易加工的優點。
文檔編號F16H55/06GK1861830SQ20061008937
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月22日 優先權日2006年6月22日
發明者王毛球, 時捷, 惠衛軍, 董瀚 申請人:鋼鐵研究總院