一种含硼高性能齿轮锻件及其生产方法

摘要

本发明提供了一种含硼高性能齿轮锻件及其生产方法，成分：C 0.21‑0.23％、Si0.25‑0.35％、Mn0.75‑0.85％、Cr0.55‑0.65％、Mo 0.30‑0.40％、Ni0.55‑0.65％、Als0.025‑0.035％、B0.0006‑0.0020％、Ti≤0.0020％、P≤0.010％、S≤0.010％、[O]≤15ppm、[N]≤40ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；与现有技术相比，本发明添加少量B，控制Als、N、Ti含量，提高酸溶硼的含量，进而提高齿轮锻件的淬透性、力学性能和使用性能，配合热处理工艺，具有良好的硬度和机加工性能。

权利要求

1.一种含硼高性能齿轮锻件，其特征在于，所述含硼高性能齿轮锻件包括以下质量百分比的成分：C 0.21‑0.23％、Si0.25‑0.35％、Mn0.75‑0.85％、Cr0.55‑0.65％、Mo0.30‑0.40％、Ni0.55‑0.65％、Als0.025‑0.035％、B0.0006‑0.0020％、Ti≤0.0020％、P≤0.010％、S≤

0.010％、[O]≤15ppm、[N]≤40ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述含硼高性能齿轮锻件金相组织为块状铁素体+珠光体组织，其中铁素体体积分数为55‑85％；晶粒度等级为7‑9级；

所述含硼高性能齿轮锻件抗拉强度1050‑1300Mpa，末端淬透性J19＝33‑37HRC，硬度

175‑205HB。

2.根据权利要求1所述的含硼高性能齿轮锻件，其特征在于，B含量在0.0010‑0.0012％之间。

3.一种权利要求1或2所述的含硼高性能齿轮锻件的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：电炉→LF炉精炼→RH炉真空脱气→连铸→轧制→切锭→镦粗→预成型→成型→缓冷→热处理。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，LF炉精炼时先加铝脱氧定氮，最后向炉中或钢包中加入硼。

5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述轧制，轧坯锻压比应≥3。

6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，热处理工艺：齿轮锻件随炉加热至930～950℃，保温2.5～4.0h，空冷25～35min，然后直接进入600～650℃等温炉，保温至少15h后出炉空冷。

7.根据权利要求3或6所述的生产方法，其特征在于，热处理工艺为：齿轮锻件随炉加热至950℃，保温2.5h，空冷30min，然后直接进入620℃等温炉，保温18h出炉空冷。

说明书

一种含硼高性能齿轮锻件及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明属于中、大规格齿轮锻件的技术领域，具体涉及一种含硼高性能齿轮锻件及其生产方法，具体为轨道交通用齿轮锻件化学成分控制要求和热处理生产方法。

背景技术

[0002] 随汽车、轨道交通和风电等产业的发展，渗碳齿轮钢的应用范围越来越广、需求量越来越大，渗碳齿轮钢技术主要来源于美国、日本、德国等较早进入工业化阶段的国家，已实现体系化、标准化，应用较多的渗碳齿轮钢有Cr‑Mn、Cr‑Mo、Cr‑Ni及Cr‑Ni‑Mo系钢种，关键技术要求有：

[0003] 1)末端淬透性：末端淬透性带宽的大小直接影响齿轮钢渗碳淬火热处理变形，即淬透性带宽越窄，离散度越小，齿轮热处理后变形越小，越利于齿轮加工，齿轮的质量越高。

[0004] 2)洁净度：洁净度对齿轮钢来说至关重要，尤其是氧含量对材料的疲劳性能影响很大。研究表明：齿轮钢中氧化物夹杂随着氧含量降低而减少，渗碳零件的使用寿命提高。研究显示：当氧含量从25ppm降低至11ppm时，试样的接触疲劳强度可以提高4倍。

[0005] 3)晶粒度：晶粒度级别影响着齿轮热处理后的变形、末端淬透性的稳定性及旋转弯曲疲劳性能。研究指出：晶粒度级别大于5级时，齿轮钢的抗脆断能力明显降低，且容易出现表面剥落。齿轮钢国标规定，晶粒度级别不低于5级。

[0006] 从齿轮制造方的需求角度看，齿轮锻件须满足两方面要求，一是机械加工性能好，为此，齿轮段匹应有低硬度；二是具有良好的末端淬透性、抗拉强度和疲劳性能，为此，齿轮锻件合理的化学成分设计。目前，轨道交通用齿轮以18CrNiMo7‑6材料为主，此齿轮具有高耐磨、耐压、耐冲击、抗塑性变形、抗表面接触疲劳和抗弯曲疲劳等综合性能，但合金含量高、热处理工艺复杂、生产成本高。

[0007] 2008年12月10日公开的专利CN101319294A开发了一种细晶粒渗碳齿轮钢及其制备方法，其成分为：C0.15‑0.25％，Si≤0.35％，Mn0.60‑0.90％,Cr0.80‑1.20％，P≤0.015％，S≤0.010％，Nb0.02‑0.08％，B0.0005‑0.0035％，Mo0.15‑0.35％，Al0.02‑
0.06％，Ti0.01‑0.04％，[N]≤0.015％，[O]≤0.0015％，余为Fe及不可避免杂质。本发明通过添加Nb、B、Ti达到细化晶粒并提高齿轮钢热塑性作用，与渗碳齿轮钢20CrMoH相比渗碳晶粒提高，弯曲疲劳强度、接触疲劳寿命相应提高。该产品加入多种合金成分，比如Nb、Ti等含量高，成本高。

[0008] 2008年3月26日公开的专利CN101148737A发明了一种含硼钢及其制备方法，其成分重量百分比为：C0.32‑0.44％，Si0.15‑0.37％，Mn1.10‑1.40％，B0.0005‑0.0035％，P≤0.030％，S≤0.030％，Al0.015‑0.070％，余为Fe及不可避免杂质。此专利通过控制微量B元素提高淬透性，酸溶硼在提高淬透性的方面起主要作用，但是成分设计欠合理，影响酸溶硼的含量，对提高钢铁性能稳定性不利。

[0009] 2010年8月25日公开的专利CN101812643A发明了一种含硼齿轮钢的制备方法，其成分为：C0.16‑0.24％，Si≤0.35％，Mn0.70‑1.25％，Cr0.80‑1.45％，P≤0.030％，S≤0.030％,B0.0005‑0.0030％，Al0.015‑0.050％，Ti0.020‑0.080％，H≤0.00025％，N0.003‑
0.012％，T.O≤0.0018％,余为Fe及不可避免杂质，本发明含硼齿轮钢，与20CrMnTiH及其子钢号相比具有淬透性高和稳定、带窄，使用性能提高，但Ti、N元素含量较高，很容易使钢的韧性、疲劳性能甚至机加工性能变坏，而且TiN很稳定，易形成TiN夹杂物。

[0010] 2017年6月13日公开的专利CN106834960A发明了一种汽车用含硼高级齿轮钢及其生产工艺其成分为：C0.15‑0.20％，Si0.15‑0.40％，Mn1.00‑1.30％，Cr1.00‑1.30％，P≤0.030％，S≤0.035％，B0.0005‑0.0030％，Cu≤0.30％，Al0.020‑0.045％，Ti0.015‑
0.035％，Ni 0.12‑0.18％，余为Fe及不可避免杂质，与专利CN101812643A相似Ti合金含量高且没有控制N元素含量，易形成TiN及其夹杂物，而且产品成本高。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种含硼高性能齿轮锻件及其生产方法，通过添加少量B元素，控制Als、N、Ti元素含量，提高了酸溶硼的含量和分布，进而提高齿轮锻件的淬透性、力学性能和使用性能，同时配套发明了合理的热处理工艺，保证铁素体充分形核，使得齿轮锻件金相组织为铁素体+珠光体组织，具有良好的硬度和机加工性能。

[0012] 本发明具体技术方案如下：

[0013] 一种含硼高性能齿轮锻件，包括以下质量百分比的成分：

[0014] C 0.21‑0.23％、Si0.25‑0.35％、Mn0.75‑0.85％、Cr0.55‑0.65％、Mo0.30‑0.40％、Ni0.55‑0.65％、Als0.025‑0.035％、B0.0006‑0.0020％、Ti≤0.0020％、P≤
0.010％、S≤0.010％、[O]≤15ppm、[N]≤40ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

[0015] 优选的，B含量在0.0010～0.0012％之间。

[0016] 所述含硼高性能齿轮锻件金相组织为块状铁素体+珠光体组织，其中铁素体体积分数为55‑85％；晶粒度等级为7‑9级。

[0017] 所述含硼高性能齿轮锻件抗拉强度1050‑1300Mpa，末端淬透性J19＝33‑37HRC，硬度175‑205HB。

[0018] 本发明中，碳含量应进行严格要求，保证部件具有足够的强度和韧性外，同时具有优良的渗碳性能及淬透性，因此本发明将C的范围确定为0.21‑0.23％。

[0019] 硼的主要作用是提高钢的淬透性，在钢中加入极少量的硼就能大幅提高钢的淬透性，当硼含量低于0.0005％时对提高淬透性的作用甚小。由于硼在钢中的溶解度极低，当加入较多B元素时，易形成夹杂物，同时使得钢中产生硼相、沿奥氏体晶界析出，产生热脆现象。结合淬透性影响结果本发明要求B元素控制在0.0006～0.0020％之间。优选的，为保证齿轮锻件具有较窄的淬透性条带，B元素应控制在0.0010～0.0012％之间。

[0020] 钼可大大加强硼的淬透性作用。钢中的铌处于固溶状态下与硼具有一定的复合作用，对奥氏体转变产生强烈的抑制作用。Cr增加钢的淬透性的作用较大，Ni增加淬透性的作用较小，但Ni与Cr同时加入钢中后，能显著增加钢的淬透性。因此本发明要求Cr0.55～0.65％、Mo 0.30～0.40％、Ni0.55～0.65％。

[0021] 硼元素在钢中极易与氮元素结合生成氮化硼，硼又是一种强晶界偏聚元素，极易在晶界处析出氮化硼，严重影响酸溶硼的存在和分布，降低B元素对齿轮淬透性的作用。为了进一步保护硼以酸溶硼的形式存在，炼钢时在加硼前应先行加入与氧、氮结合力比硼更强的铝，形成AlN，可以起到固氮，同时又细化齿轮锻件晶粒，因此本发明要求[N]≤40ppm、Als为0.025～0.035％。

[0022] 目前普遍不控N，加入高含量Ti元素进行固氮处理，Ti元素极易与N元素结合形成TiN，但TiN很容易使钢的韧性、疲劳性能甚至机加工性能变坏，而且TiN很稳定，一旦形成就几乎不再变化，难以进一步起到平衡、稳定酸溶硼含量的作用；而在热加工过程中进一步长大成为TiN夹杂物，进一步降低齿轮锻件韧性和疲劳性能，因此本发明中控制Ti元素的加入量，要求Ti≤0.0020％。

[0023] 本发明提供的一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，包括以下工艺流程：电炉→LF炉精炼→RH炉真空脱气→连铸→轧制→切锭→镦粗→预成型→成型→缓冷→热处理。

[0024] 在LF炉精炼过程中，本发明为了保护硼，炼钢时在加硼前应先行加入与氧、氮结合力比硼更强的铝，形成AlN，可以起到固氮，同时又细化齿轮锻件晶粒，因此控制Als0.025～0.035％。

[0025] 所述轧制，本发明在轧制过程中，采用φ700～600mm连铸坯改轧成八角轧坯或圆坯，为保证齿轮锻件锻压比≥6，轧坯锻压比应≥3。轧制工艺过程中采用10‑13道次的轧制工艺，可轧制为八角轧坯或圆坯。

[0026] 为保证齿轮锻件成品组织状态为块状铁素体+珠光体，热处理工艺：齿轮锻件随炉加热至930～950℃，保温2.5～4.0h，空冷25～35min，然后直接进入600～650℃等温炉，保温至少15h后出炉空冷。

[0027] 优选的，热处理工艺为：齿轮锻件随炉加热至950℃，保温2.5h，空冷30min，然后直接进入620℃等温炉，保温18h出炉空冷。

[0028] 针对现有列车用渗碳齿轮锻件合金含量高、热处理工艺复杂、生产成本高的问题，本发明添加硼元素、控制Als、N、Ti元素、配合合理的热处理工艺，提高齿轮锻件的淬透性、组织状态、力学性能、加工性能以及疲劳性能等，适用于不同列车用渗碳齿轮锻件。

[0029] 本发明所述的齿轮锻件的主要是利用了少量B元素大幅度提高齿轮钢的淬透性：酸溶硼降低铁素体的生核速率，但并不影响其长大速率以及珠光体和马氏体的形成速度，从而提高钢的淬透性。基于以上原理为保证齿轮锻件中酸溶硼的含量和分布，应严格控制钢种N元素的存在，同时适量加入与氧、氮结合力比硼更强的铝，生成AlN，既可以降低BN的生成，又可以利用AlN细化晶粒，提高齿轮锻件性能。本发明中严格控制Ti元素的加入，Ti元素极易与N元素结合形成TiN，很容易使钢的韧性、疲劳性能甚至机加工性能变坏，而且TiN很稳定，易形成TiN夹杂物。

[0030] 为保证齿轮锻件具有良好的加工性能，要求齿轮锻件成品金相组织应为块状铁素体+珠光体组织，高合金含硼齿轮锻件生成平衡态组织须严格的热处理工艺要求，本发明中齿轮锻件热处理工艺设置为：齿轮锻件随炉加热至930～950℃，保温2.5～4.0h，空冷25～35min，然后直接进入600～650℃等温炉，保温15h及以上后出炉空冷。其中加热至930～950℃的目的是进一步细化齿轮锻件晶粒度；空冷25～35min的目的是保证齿轮锻件在高温阶段具有一定的冷速，缓解带状组织的形成；由于B元素的加入使得铁素体形核速率降低，在
600～650℃保温15h及以上的目的是有足够的时间使得铁素体形核，保证齿轮锻件组织实现铁素体+珠光体的完全转变，此组织使得齿轮锻件具有较低的硬度和良好的加工性能。

[0031] 与现有技术相比，本发明在齿轮钢中添加了少量B元素，控制了Als、N、Ti元素含量，提高了齿轮锻件的淬透性、力学性能和使用性能，同时发明了合理的热处理工艺，使得齿轮锻件金相组织为块状铁素体+珠光体组织，晶粒度等级为7‑9级，抗拉强度1050‑1300Mpa，末端淬透性J19＝33‑37HRC，硬度175‑205HB，具有良好的硬度和机加工性能。

附图说明

[0032] 图1为实施例1金相组织状态图；

[0033] 图2为对比例1金相组织状态图；

[0034] 图3为对比例2金相组织状态图；

[0035] 图4为对比例3金相组织状态图；

[0036] 图5为对比例2夹杂物TiN形态图；

[0037] 图6为实例施1滚动接触疲劳试样剥离图；

[0038] 图7为对比例1滚动接触疲劳试样剥离图。

具体实施方式

[0039] 下面结合实施例对本发明做详细的说明。

[0040] 本发明在齿轮钢中加入少量B元素，控制Als、Ti、N等元素含量，提高酸溶硼含量和分布，降低铁素体的生核速率，进而提高钢的淬透性，细化晶粒，提高齿轮的综合性能和使用性能。采用此齿轮钢成型的齿轮锻件随炉加热至930～950℃，保温2.5～4.0h，空冷25～35min，然后直接进入600～650℃等温炉，保温15h及以上后出炉空冷，使得齿轮锻件较好的组织状态(晶粒细小、块状铁素体+珠光体组织)。

[0041] 实施例1

[0042] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，具体为：电炉炼钢→LF炉精炼，先加铝脱氧定氮，最后向炉中或钢包中加入硼，调整主要化学元素接近甚至达到目标成分→RH炉真空处理→φ700mm连铸坯→φ380mm八角轧坯(采用11道次的轧制工艺，锻压比≥3)→切锭→加热→墩粗→预成型→成型→缓冷‑热处理，热处理按表2中热处理工艺进行齿坯热处理。

[0043] 本实施例1所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。按照GB/T2975、GB/T228.1在齿轮毛坯取样，经小试样热处理后进行拉伸性能检验，结果见表3；按照GB/T225进行末端淬透性检验，结果见表3，按照GB/T231对齿轮毛坯进行硬度检验，结果见表3；在齿轮毛坯取样，按GB/T6394进行奥氏体晶粒度检验，结果见表3，按GB/T13299《钢的显微组织评定方法》进行金相组织分析，结果见图1；参考YB/T 5345‑2014《金属材料滚动接触疲劳试验方法》在滚动接触疲劳试验机上进行点接触疲劳试验，试验参数见表4，试验结果见表5和图6。

[0044] 对比例1

[0045] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，包括以下工艺流程：电炉炼钢→LF炉精炼(调渣、喂线、搅拌、脱氧脱硫、调成分)→RH炉真空处理→连铸坯→φ380mm锻坯(锻压比≥3)→切锭→加热→墩粗→预成型→成型→缓冷→热处理，热处理工艺同实施例1。

[0046] 对比例1所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

[0047] 同实施例1进行拉伸性能、末端淬透性、硬度及接触疲劳性能试验，结果见表3、表4、表5及图2、图7。

[0048] 很显然，实施例1中的齿轮锻件明显优于对比例1，尤其是淬透性、力学性能以及滚动接触疲劳性能。

[0049] 表1实各施例、对比例齿轮锻件化学成分

[0050]

[0051] 表2实施例、对比例齿轮锻件热处理工艺

[0052]

[0053]

[0054] 表3实施例、对比例性能

[0055]

[0056] 表4滚动接触疲劳试验参数

[0057]

[0058] 表5滚动接触疲劳试验结果

[0059]

[0060] 实施例2

[0061] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，具体为：实施例2的生产工序基本同实施例1，即：电炉炼钢→LF炉精炼，先加铝脱氧定氮，最后向炉中或钢包中加入硼，调整主要化学元素接近甚至达到目标成分→RH炉真空处理→φ700mm连铸坯→φ380mm圆坯(试制工艺采用13道次的轧制工艺，锻压比≥3)→切锭→加热→墩粗→预成型→成型→缓冷，按表2中热处理工艺进行齿坯热处理。

[0062] 本实施例2所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

[0063] 按照GB/T2975、GB/T228.1在齿轮毛坯取样，经小试样热处理后进行拉伸性能检验，结果见表3；按照GB/T225进行末端淬透性检验，结果见表3，按照GB/T231对齿轮毛坯进行硬度检验，结果见表3；在齿轮毛坯取样，按GB/T6394进行奥氏体晶粒度检验，结果见表3，按GB/T13299《钢的显微组织评定方法》进行金相组织分析，结果基本同实施例1；参考YB/T 5345‑2014《金属材料滚动接触疲劳试验方法》在滚动接触疲劳试验机上进行点接触疲劳试验，试验参数见表4，试验结果见表5。

[0064] 对比例2

[0065] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，对比例2的生产工序基本同实施例1，即：电炉炼钢→LF炉精炼，先加铝脱氧定氮，最后向炉中或钢包中加入硼，调整主要化学元素接近甚至达到目标成分→RH炉真空处理→φ700mm连铸坯→φ380mm圆坯(试制工艺采用13道次的轧制工艺，锻压比≥3)→切锭→加热→墩粗→预成型→成型→缓冷，按表2中热处理工艺进行齿坯热处理。

[0066] 本对比例2所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

[0067] 相比于实施例2，对比例2中加入了一定量的Ti元素，同时也没有对N元素进行控制。同实施例2进行拉伸性能、末端淬透性、硬度、组织分析及接触疲劳性能试验，结果见表3、表4、表5及图3。

[0068] 很显然，实施例2中的齿轮锻件明显优于对比例2，尤其是淬透性、力学性能以及滚动接触疲劳性能。采用扫描电镜对对比例2的试样进行了分析发现了大量的TiN夹杂物(图5)，是致使对比例2中齿轮锻件综合性能变差的主要原因。

[0069] 实施例3

[0070] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，具体为：实施例3的生产工序基本同实施例1，即：电炉炼钢→LF炉精炼，先加铝脱氧定氮，最后向炉中或钢包中加入硼，调整主要化学元素接近甚至达到目标成分→RH炉真空处理→φ700mm连铸坯→φ380mm圆坯(试制工艺采用13道次的轧制工艺，锻压比≥3)→切锭→加热→墩粗→预成型→成型→缓冷，按表2中热处理工艺进行齿坯热处理。

[0071] 本实施例3所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

[0072] 按照GB/T2975、GB/T228.1在齿轮毛坯取样，经小试样热处理后进行拉伸性能检验，结果见表3；按照GB/T225进行末端淬透性检验，结果见表3；按照GB/T231对齿轮毛坯进行硬度检验，结果见表3，硬度稍高于实施例3；在齿轮毛坯取样，按GB/T6394进行奥氏体晶粒度检验，结果见表3；按GB/T13299《钢的显微组织评定方法》进行金相组织分析，结果基本同实施例1。

[0073] 对比例3

[0074] 一种含硼高性能齿轮锻件的生产方法，对比例3的生产工序完全同实施例3，仅热处理工艺不同，按表2中热处理工艺对对比例3进行齿坯热处理。同实施例1进行拉伸性能、末端淬透性、硬度、组织分析，结果见表3，金相组织结果见图4。

[0075] 本对比例3所述含硼高性能齿轮锻件的化学成分见表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

[0076] 很显然，对比例3中的齿轮锻件淬透性、力学性能、晶粒度等级与实施例3结果相当，但对比例3中硬度较高，进行组织为针状F+P+B，即采用对比例3的热处理工艺生产的产品组织状态较差、硬度较高，对产品后续加工性能影响较大。未进行滚动接触疲劳试验。

[0077] 上述参照实施例及附图对列车用含硼高性能齿轮锻件及其热处理方法进行了详细描述，仅仅为说明性的而非限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。