含Nb的Cr-Ni-Mo渗碳钢、热处理方法及零件

摘要

本申请涉及一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢、热处理方法及零件，按质量百分数计，其包括：C0.15～0.19％，Si0.25～0.40％，Mn0.40～0.60％，P≤0.020％，S0.015～0.030％，Cr0.95～1.20％，Ni1.40％～1.70％，Mo0.25～0.35％，Al0.025～0.040％，Nb0.020～0.060％，N0.010～0.020％，Cu0.10～0.25％，其余为Fe及不可避免的杂质，并且Al与N的含量比值为1.5～3.0。本申请可以解决相关技术中Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢在低压真空渗碳工艺下会导致晶粒长大、发生混晶现象，无法满足低压真空渗碳的工艺要求的问题。

权利要求

1.一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的热处理方法，其特征在于，对于含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，按质量百分数计，其包括：C 0.15～0.19％，Si 0.25～0.40％，Mn 0.40～0.60％，P≤

0.020％，S 0.015～0.030％，Cr 0.95～1.20％，Ni 1.40％～1.70％，Mo 0.25～0.35％，Al0.025～0.040％，Nb 0.020～0.060％，N 0.010～0.020％，Cu 0.10～0.25％，其余为Fe及不可避免的杂质，并且Al与N的含量比值为1.5～3.0；

热处理方法包括如下步骤：

a、锻造：将含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢加热后，经锻造成型为零件；

b、奥氏体化：将冷却后的零件转移至加热炉中，加热温度为940℃～960℃，保温时间为

30～60min；

c、中冷：对奥氏体化后的零件进行吹风冷却；

d、三段式等温正火：将中冷后的零件转移至等温炉中，先在640℃～660℃温度下，保温

50～70min，再在50～70min内，加热至715～735℃，最后在715～735℃温度下，保温50～

70min；

e、随炉冷却：将等温正火处理后的零件随炉冷却至一定温度后，出炉空冷；

f、对空冷后的零件依次进行粗加工、精加工、低压真空渗碳处理、淬火处理、低温回火处理。

2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：按质量百分数计，Al与Nb的总含量Al+Nb≥0.060％。

3.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：步骤f中，低压真空渗碳处理包括：将精加工后的零件放入真空渗碳炉内抽真空，先在

650～700℃预热保温→4.5～6.6kpa、1020℃～1050℃下进行强渗处理，控制环境碳势为

0.95～1.20％C→2.5～5.0kpa、1000℃～1030℃下进行高温扩散，控制环境碳势为0.85～

1.15％C→1.3～3.0kpa、980℃～1010℃下进行低温扩散，控制环境碳势为0.75～0.95％C，低压真空渗碳处理的工艺层深为0.5～1.5mm。

4.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：步骤f中，当零件为轴类型零件或厚壁齿轮类型零件时，淬火处理采用真空油淬。

5.如权利要求4所述的热处理方法，其特征在于：所述真空油淬包括：零件入油后0s至4～6s，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为350～

400r/min；零件入油后5～7s至15～17s，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为950～1000r/min；

零件入油后16～18s至淬火结束，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为200～250r/min；所述真空油淬的油温为110～155℃。

6.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：步骤f中，当零件为薄壁齿套类型零件或薄壁齿圈类型零件时，淬火处理采用真空高压气淬。

7.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：所述真空高压气淬包括：在真空气淬室内，先于17～20bar压力下冷却100～180s，再于

9～12bar压力下冷却350～500s后出炉。

8.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：步骤f中，所述低温回火处理包括：将淬火处理后的零件加热至160～200℃，并保温2～

3h；和/或，

步骤c中，冷速为60～100℃/min，风冷时间为180～300s。

9.一种零件，其特征在于，其采用如权利要求1至8任一所述的热处理方法制造而成。

说明书

含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢、热处理方法及零件

技术领域

[0001] 本申请涉及渗碳钢的热处理技术领域，特别涉及一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢、热处理方法及零件。

背景技术

[0002] 国内重型变速箱零件用Cr‑Ni‑Mo系列的渗碳钢，国标GB/T 5216规定材料合金元素含量：C 0.17～0.23％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.60～0.95％，P≤0.030％，S≤0.035％，Cr 0.30～0.65％；Ni 0.35％～0.75％，Mo 0.15～0.25％，Cu≤0.25％，奥氏体晶粒度不粗于5级。而齿轮专业协会制定标准CGMA001‑1中Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢规定，材料合金元素质量百分比(％)：C 0.17～0.23％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.60～0.95％，P≤0.030％，S 0.017～0.032％，Cr 0.35～0.65％；Ni 0.35％～0.75％，Mo 0.15～0.25％，Al 0.020～
0.045％，Cu≤0.20％，奥氏体晶粒度不粗于5级。

[0003] 采用现有Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢生产变速箱轴齿类零件，为便于切削加工，零件毛坯锻造后通常经等温退火处理，以期得到珠光体+铁素体的平衡组织。然而，由于Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢中Mn、Ni和Mo元素含量较高，往往会不可避免地发生Mn、Ni、Mo等合金元素偏析问题，导致Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢锻坯中出现贝氏体甚至马氏体等异常组织，且与其他系列渗碳钢相比，更易出现严重的带状组织(带状组织级别最高可达4.0级)，给锻坯的后续切削加工及零件的渗碳冶金质量带来了很大困扰，严重影响了生产效率及产品质量。

[0004] 近年来，低压真空渗碳工艺作为环保型绿色热处理技术，越来越广泛地受到各主机厂及零部件供应商的青睐。低压真空渗碳不仅可以有效地避免常规渗碳淬火出现的表面非马氏体等组织缺陷，显著改善轴齿类零件表面质量，而且与高压气体淬火相结合，可以显著减小渗碳热处理变形，通过提高渗碳温度可减少渗碳时间有效降低能源消耗和气体消耗。常规渗碳工艺温度受到炉子性能的影响，最高使用温度被限制在950℃以内，然而真空渗碳炉技术的改善可以将最高使用温度提高到1050℃。由于渗碳时碳的扩散系数随着温度的提高而加快，渗碳速度可以大幅度提升，使获得同样渗碳深度的时间大大缩短，有利于提高生产效率和降低生产成本。然而，低压真空渗碳工艺温度通常在980℃以上，而现有Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢采用AlN细化晶粒，当渗碳温度提高到950℃以上时，起到钉扎晶界作用的AlN析出相会不断溶解，且温度越高、时间越长，溶解越充分，从而导致晶界不受钉扎而不断迁移，导致晶粒长大，甚至会出现较为严重的混晶现象，无法满足低压真空渗碳的工艺要求。

发明内容

[0005] 本申请实施例提供一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢、热处理方法及零件，以解决相关技术中Cr‑Ni‑Mo系列渗碳钢在低压真空渗碳工艺下会导致晶粒长大、发生混晶现象，无法满足低压真空渗碳的工艺要求的问题。

[0006] 第一方面，提供了一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，按质量百分数计，其包括：C 0.15～0.19％，Si 0.25～0.40％，Mn 0.40～0.60％，P≤0.020％，S 0.015～0.030％，Cr 0.95～1.20％，Ni 1.40％～1.70％，Mo 0.25～0.35％，Al 0.025～0.040％，Nb 0.020～0.060％，N 0.010～0.020％，Cu 0.10～0.25％，其余为Fe及不可避免的杂质，并且Al与N的含量比值为1.5～3.0。

[0007] 一些实施例中，按质量百分数计，Al与Nb的总含量Al+Nb≥0.060％。

[0008] 第二方面，提供了一种如上所述的含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的热处理方法，其包括如下步骤：

[0009] a、锻造：将含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢加热后，经锻造成型为零件；

[0010] b、奥氏体化：将冷却后的零件转移至加热炉中，加热温度为940℃～960℃，保温时间为30～60min；

[0011] c、中冷：对奥氏体化后的零件进行吹风冷却；

[0012] d、三段式等温正火：将中冷后的零件转移至等温炉中，先在640℃～660℃温度下，保温50～70min，再在50～70min内，加热至715～735℃，最后在715～735℃温度下，保温50～70min；

[0013] e、随炉冷却：将等温正火处理后的零件随炉冷却至一定温度后，出炉空冷；

[0014] f、对空冷后的零件依次进行粗加工、精加工、低压真空渗碳处理、淬火处理、低温回火处理。

[0015] 一些实施例中，步骤f中，低压真空渗碳处理包括：将精加工后的零件放入真空渗碳炉内抽真空，先在650～700℃预热保温→4.5～6.6kpa、1020℃～1050℃下进行强渗处理，控制环境碳势为0.95～1.20％C→2.5～5.0kpa、1000℃～1030℃下进行高温扩散，控制环境碳势为0.85～1.15％C→1.3～3.0kpa、980℃～1010℃下进行低温扩散，控制环境碳势为0.75～0.95％C，低压真空渗碳处理的工艺层深为0.5～1.5mm。

[0016] 一些实施例中，步骤f中，当零件为轴类型零件或厚壁齿轮类型零件时，淬火处理采用真空油淬。

[0017] 一些实施例中，所述真空油淬包括：零件入油后0s至4～6s，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为350～400r/min；零件入油后5～7s至15～17s，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为950～1000r/min；零件入油后16～18s至淬火结束，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为200～
250r/min；所述真空油淬的油温为110～155℃。

[0018] 一些实施例中，步骤f中，当零件为薄壁齿套类型零件或薄壁齿圈类型零件时，淬火处理采用真空高压气淬。

[0019] 一些实施例中，所述真空高压气淬包括：在真空气淬室内，先于17～20bar压力下冷却100～180s，再于9～12bar压力下冷却350～500s后出炉。

[0020] 一些实施例中，步骤f中，所述低温回火处理包括：将淬火处理后的零件加热至160～200℃，并保温2～3h；和/或，

[0021] 步骤c中，冷速为60～100℃/min，风冷时间为180～300s。

[0022] 第三方面，提供了一种零件，其采用上述任一所述的热处理方法制造而成。

[0023] 本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

[0024] 本申请是在现有Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的基础上，对钢中的微合金化元素进行优化调整，并添加了0.020～0.060％的Nb，还设定了Al与N的含量比值，这样可以在保证钢中存在大量NbC析出相的同时，还有更多的AlN析出相，利用NbC析出相在高温下比较稳定、可以起到钉扎晶界的作用，以及AlN析出相具有细小均匀的特点，在获得初始细小晶粒的同时，高温渗碳时NbC析出相可以起到进一步阻碍晶界扩展的作用，NbC、AlN复合作用保证了低压真空渗碳晶粒度的控制效果，避免因晶粒长大而出现较为严重的混晶现象。

[0025] 本申请提供的含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，其满足980℃～1050℃的低压真空渗碳工艺温度以及平均晶粒度≥7.0级的要求。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1是现有技术采用的常规等温正火工艺曲线图；

[0028] 图2是本申请提供的三段式等温正火工艺曲线图；

[0029] 图3是本申请实施例1提供的1000℃×9h条件下含Nb的奥氏体Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的晶粒度照片；

[0030] 图4是1000℃×9h条件下现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度照片；

[0031] 图5是现生产内齿圈锻坯经常规等温正火后出现异常组织的金相照片；

[0032] 图6是现生产内齿圈锻坯经常规等温正火后出现严重带状组织的金相照片；

[0033] 图7是本申请实施例1提供的内齿圈锻坯经三段式等温正火后的金相照片；

[0034] 图8是本申请实施例1提供的内齿圈锻坯经三段式等温正火后的带状组织照片；

[0035] 图9是本申请实施例2提供的1050℃×9h条件下含Nb的奥氏体Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的晶粒度照片；

[0036] 图10是1050℃×9h条件下现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度照片；

[0037] 图11是现生产齿轮轴锻坯经常规等温正火后出现异常组织的金相照片；

[0038] 图12是现生产齿轮轴锻坯经常规等温正火后出现严重带状组织的金相照片；

[0039] 图13是本申请实施例2提供的齿轮轴锻坯经三段式等温正火后的金相照片；

[0040] 图14是本申请实施例2提供的齿轮轴锻坯经三段式等温正火后的带状组织照片。

具体实施方式

[0041] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0042] 本申请实施例提供了一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，按质量百分数计，其包括：C 0.15～0.19％，Si 0.25～0.40％，Mn 0.40～0.60％，P≤0.020％，S 0.015～0.030％，Cr 
0.95～1.20％，Ni 1.40％～1.70％，Mo 0.25～0.35％，Al 0.025～0.040％，Nb 0.020～
0.060％，N 0.010～0.020％，Cu 0.10～0.25％，其余为Fe及不可避免的杂质，并且Al与N的含量比值为1.5～3.0。

[0043] 本实施例是在现有Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的基础上，对钢中的微合金化元素进行优化调整，并添加了0.020～0.060％的Nb，还设定了Al与N的含量比值，这样可以在保证钢中存在大量NbC析出相的同时，还有更多的AlN析出相，利用NbC析出相在高温下比较稳定、可以起到钉扎晶界的作用，以及AlN析出相具有细小均匀的特点，在获得初始细小晶粒的同时，高温渗碳时NbC析出相可以起到进一步阻碍晶界扩展的作用，NbC、AlN复合作用保证了低压真空渗碳晶粒度的控制效果，避免因晶粒长大而出现较为严重的混晶现象。

[0044] 本实施例提供的含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，其满足980℃～1050℃的低压真空渗碳工艺温度以及平均晶粒度≥7.0级的要求。

[0045] 上述实施例中含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的制备工艺包括如下步骤：

[0046] (1)熔炼处理：将优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合，采用电炉或转炉熔炼，得到熔炼钢水。

[0047] (2)精炼处理：采用钢包炉将熔炼钢水进行精炼，全程吹Ar搅拌，得到精炼钢水。

[0048] (3)真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气，炉内真空度≤66.7Pa，得到真空脱气后的钢水。

[0049] (4)浇注处理：将真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，浇注过程控制钢水过热度≤30℃，用结晶器电磁搅拌，确保浇注过程无二次污染，得到连铸坯。

[0050] (5)铸坯加热：将连铸坯加热至1250～1300℃，保温时间为3～5h，使钢中的含Nb析出相完全溶解。

[0051] (6)轧制：开轧温度1140～1180℃，中轧温度1060～1090℃，终轧温度控制为1000～1040℃，上冷床温度控制为830～870℃。

[0052] 在一些优选的实施方式中，按质量百分数计，Al与Nb的总含量Al+Nb≥0.060％，其好处是，保证了钢中总析出相的含量，确保低压真空渗碳时有足够的析出相，可起到有效限制晶粒长大的作用。

[0053] 本申请实施例还提供了一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的热处理方法，该方法包括如下步骤：

[0054] a、锻造：将圆钢原料加热至1150℃～1250℃后，经锻造成型为零件，终锻温度控制为1000℃～1100℃，置于空气中自由冷却。圆钢原料为上述实施例中提供的含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢。

[0055] b、奥氏体化：将冷却后的零件转移至加热炉中，加热温度为940℃～960℃，保温时间为30～60min，使零件充分奥氏体化。

[0056] c、中冷：对奥氏体化后的零件进行吹风冷却。

[0057] 具体地，将奥氏体化后的零件置于中冷区进行吹风强力冷却，风温为30℃～40℃，风速为12～15m/s，平均冷速为60～100℃/min，零件的风冷时间控制在180～300s，尽最大程度避免零件中的过冷奥氏体转变为先共析铁素体。

[0058] d、三段式等温正火：将中冷后的零件转移至等温炉中进行三段式等温正火处理，具体包括：

[0059] 第一段等温处理：在640℃～660℃温度下，保温50～70min，主要目的就是在奥氏体化冷却后保证足够的过冷度，在等温转变的初期形成片层间距较小的珠光体，以保证零件的硬度在180～190HB这个较高的范围。

[0060] 第二段升温处理：缓慢加热升温，以使温度由第一段等温处理的640℃～660℃，升温至至715～735℃，加热时间为50～70min，加热速率为55～95℃/h，主要目的就是为过冷奥氏体在等温过程中易发生偏聚的微合金化元素(Cr、Ni、Mo等)提供驱动能，使零件中的合金元素呈弥散分布的状态，大幅改善零件冷却过程中的偏析现象。

[0061] 第三段等温处理：在715～735℃温度下，保温50～70min，保证零件中的微合金元素有足够的时间继续扩散，降低零件的硬度至170～180HB，同时保证零件中的带状组织级别≤1.5级。

[0062] 需要说明的是，第一段等温处理后，零件组织中的过冷奥氏体还未完全转变为珠光体，微合金化元素(Cr、Ni、Mo等)还没有足够的驱动能实现扩散分布，此时若进行降温处理，会在零件中产生贝氏体甚至马氏体，使锻件中组织均匀性差，恶化零件的切削加工性能，并对后续的渗碳热处理变形产生不利影响，故第一段等温处理后不能降温，而是进入第二段升温处理。

[0063] 第二段升温处理后，零件中偏聚的微合金化元素(Cr、Ni、Mo等)还未达到完全扩散，且片层间距小的珠光体硬度变化不大，需要继续保温才能降低零件硬度。若在该阶段进行降温处理，零件中仍有出现组织偏析的风险，且锻件硬度为180～190HB，会导致切削加工性能差，切削加工成本高，故第二段升温处理后不能降温，而是进入第三段等温处理。

[0064] 现有常规的等温正火工艺曲线图如图1所示，采用这种工艺会带来贝氏体等异常组织及带状组织超差的问题，本申请提供的三段式等温正火工艺曲线图如图2所示，采用三段式等温正火工艺，可显著改善甚至消除Cr‑Ni‑Mo渗碳钢中贝氏体等异常组织及带状组织超差的问题，从而提高零件后续的机加工性能，降低渗碳热处理变形倾向。

[0065] e、随炉冷却：将等温正火处理后的零件随炉冷却至一定温度，该温度可以根据实际需要设定，比如300℃，然后出炉空冷。

[0066] f、对空冷后的零件依次进行粗加工、精加工、低压真空渗碳处理、淬火处理、低温回火处理。

[0067] 上述步骤f中，低压真空渗碳处理包括：根据零件技术要求设定好渗碳时间、扩散时间，编制相应的工艺曲线后，将精加工后的零件放入真空渗碳炉内抽真空，先在650～700℃预热保温，再在980～1050℃下开始低压渗碳处理，脉冲式充入乙炔或丙烷，控制压力为1.3～6.6kpa，具体为：4.5～6.6kpa、1020℃～1050℃下进行强渗处理，控制环境碳势为
0.95～1.20％C→2.5～5.0kpa、1000℃～1030℃下进行高温扩散，控制环境碳势为0.85～
1.15％C→1.3～3.0kpa、980℃～1010℃下进行低温扩散，控制环境碳势为0.75～0.95％C，低压真空渗碳处理的工艺层深要求为0.5～1.5mm。

[0068] 低压真空渗碳不仅可以有效地避免表面非马氏体等组织缺陷，显著改善轴齿类零件表面质量，而且可根据零件尺寸及精度要求，尺寸较大的轴类型零件及厚壁齿轮类型零件选择三段式真空油淬处理，使零件的热处理变形得到有效控制；薄壁齿套类型零件及薄壁齿圈类型零件选择真空高压气淬处理，不仅可以减少压淬设备投资，而且还能减少生产过程中的碳排放，实现绿色制造；同时可以显著减小渗碳热处理变形，通过提高渗碳温度可减少渗碳时间，有效降低能源消耗和气体消耗。

[0069] 上述步骤f中，针对不同类型零件，淬火处理方式不同：

[0070] (1)当零件为尺寸较大的轴类型零件或厚壁齿轮类型零件时，淬火处理采用真空油淬。

[0071] 采用真空淬火炉，选择合适的分级淬火油，根据含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的初始过冷奥氏体转变曲线，确定钢材在冷却时各特性时间和温度，从而制定如下三段式真空油淬工艺：

[0072] 零件入油后0s至4～6s，采用较慢的冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为350～400r/min；零件入油后5～7s至15～17s，采用快速冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为950～1000r/min；零件入油后16～18s至淬火结束，采用缓慢冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度为200～250r/min；所述真空油淬的油温为110～155℃。

[0073] 与普通淬火工艺相比，三段式真空油淬工艺更好地利用了渗碳钢的过冷奥氏体转变曲线及分级淬火油的冷却特性，淬火后的零件热处理变形能够得到有效控制，提高了产品质量。

[0074] (2)当零件为薄壁齿套类型零件或薄壁齿圈类型零件时，淬火处理采用真空高压气淬。

[0075] 真空高压气淬包括：在真空气淬室内，采用高压氮气进行气淬热处理，先于17～20bar压力下冷却100～180s，再于9～12bar压力下冷却350～500s后出炉。

[0076] 采用低压真空渗碳后真空高压气淬工艺，可以省去薄壁零件渗碳后缓冷、再加热以及随后的压力淬火及定径淬火等工序。

[0077] 上述步骤f中，所述低温回火处理包括：将淬火处理后的零件加热至160～200℃，并保温2～3h。

[0078] 实施例1：

[0079] 一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，其应用在重载变速箱内齿圈上，按质量百分数计，其化学成分包括：C 0.16％，Si 0.32％，Mn 0.51％，P 0.014％，S 0.025％，Cr 1.03％，Ni 1.48％，Mo 0.28％，Al 0.031％，Nb 0.045％，N 0.012％，Cu 0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质。Al与N的含量比值为2.58，Al+Nb＝0.076％。

[0080] 上述含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的制备工艺包括：

[0081] (1)熔炼处理：将优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合，采用电炉或转炉熔炼，得到熔炼钢水。

[0082] (2)精炼处理：采用钢包炉将熔炼钢水进行精炼，全程吹Ar搅拌，得到精炼钢水。

[0083] (3)真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气，真空度为33.4Pa，得到真空脱气后的钢水。

[0084] (4)浇注处理：将真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，钢水过热度为21℃，用结晶器电磁搅拌，得到连铸坯。

[0085] (5)铸坯加热：将连铸坯加热至1280℃保温4h，使钢中的含Nb析出相完全熔解。

[0086] (6)轧制：开轧温度为1150℃，中轧温度为1080℃，终轧温度为1020℃，上冷床温度控制为850℃。

[0087] 采用上述含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢生产重型变速箱内齿圈的热处理方法包括：

[0088] a、锻造：将含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢原材料加热至1230℃后，经碾扩锻造成型为内齿圈锻坯，终锻温度为1050℃，置于空气中冷却。

[0089] b、奥氏体化：将上述内齿圈锻坯加热至950℃，保温时间为30min，使内齿圈锻坯充分奥氏体化。

[0090] c、中冷：将奥氏体化后的内齿圈锻坯置于中冷区进行吹风强力冷却，风温为35℃，风速为13m/s，平均冷速为90℃/min，内齿圈锻坯的风冷时间为200s。

[0091] d、三段式等温正火：将中冷后的内齿圈锻坯转移至等温炉中进行三段式等温正火处理：

[0092] 第一段等温处理：温度设定为650℃，保温时间为1h。

[0093] 第二段升温处理：从650℃缓慢加热至715℃，控制加热速率为65℃/h，加热时间为1h。

[0094] 第三段等温处理：温度设定为715℃，保温时间为1h。

[0095] e、随炉冷却：将上述等温正火处理后的内齿圈锻坯随炉冷却至300℃后出炉空冷。

[0096] f、内齿圈锻坯粗加工→精加工→低压真空渗碳处理→真空高压气淬处理→低温回火处理。

[0097] 其中，步骤f中的低压真空渗碳处理包括：将精加工后的内齿圈锻坯放入真空渗碳炉内抽真空，开始加热，650℃预热保温→开始进行低压渗碳工艺，脉冲式充入乙炔，具体为：5.2kpa、1030℃下进行强渗处理，控制环境碳势为1.05％C→3.9kpa、1010℃下进行高温扩散，控制环境碳势为0.95％C→2.1kpa、990℃下进行低温扩散，控制环境碳势为0.85％C，低压真空渗碳处理的工艺层深要求为0.6～1.2mm。

[0098] 步骤f中的真空高压气淬处理包括：将渗碳后的内齿圈锻坯转移至真空气淬室内，采用高压氮气进行气淬热处理，先于20bar压力下冷却160s，再于12bar压力下冷却450s后出炉。

[0099] 步骤f中，低温回火处理包括：将淬火处理后的内齿圈锻坯加热至180℃，并保温2h。

[0100] 实施例1在现有Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的基础上，对钢中的微合金化元素进行了优化调整，并添加了0.045％的Nb，设定Al:N＝2.58，Al+Nb＝0.076％。在1000℃×9h的热处理条件下，经检测，含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度为8.0级，如图3所示；而现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度为混晶2级(占比85％)+7.5级(占比15％)，如图4所示。

[0101] 现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，在生产内齿圈锻坯时采用常规等温正火工艺后，由于Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素在冷却过程中易发生偏聚，会导致现生产内齿圈锻坯组织中出现贝氏体等异常组织，如图5所示，并伴随严重的带状组织，评级为3.0级，如图6所示。实施例1的内齿圈锻坯采用三段式等温正火工艺：奥氏体化工艺采用950℃×30min，使锻坯充分奥氏体化；中冷区采用吹风强力冷却，风温为35℃，风速为13m/s，平均冷速为90℃/min，内齿圈锻坯的风冷时间为200s，尽量避免锻坯中出现先共析铁素体；三段式等温正火：
第一段等温处理，温度设定为650℃，保温时间为1h，使内齿圈锻坯在奥氏体化冷却后保证足够的过冷度，在等温转变的初期形成片层间距较小的珠光体，以保证锻坯的硬度处于185～190HB；第二段升温处理，从650℃缓慢加热至715℃，控制加热速率为65℃/h，加热时间为
1h，为过冷奥氏体在等温过程中易发生偏聚的微合金化元素(Cr、Ni、Mo等)提供驱动能，使锻坯中的合金元素呈弥散分布的状态，大幅改善锻坯冷却过程中的偏析现象；第三段等温处理，温度设定为715℃，保温时间为1h，保证锻坯中的微合金元素有足够的时间继续扩散，降低锻坯硬度至175～180HB，同时保证锻坯中的金相组织为均匀的铁素体+珠光体，如图7所示，且带状组织级别为0.5级，如图8所示。

[0102] 在现生产中，内齿圈锻坯采用“气氛渗碳+压力淬火”工艺，经检测，内齿圈齿面处非马层深为15～20μm，晶间氧化深度为8～12μm；齿根处非马层深为13～19μm，晶间氧化深度由7～10μm；然而，实施例1的内齿圈锻坯采用“低压真空渗碳+真空高压气淬”工艺生产后，内齿圈齿面及齿根处均未检测到非马氏体及晶间氧化现象。从上述检测结果可以看出，“低压真空渗碳+真空高压气淬”工艺显著改善了内齿圈表面质量，可有效提升零件的疲劳性能。同时，采用低压真空渗碳后真空高压气淬工艺，可以省去内齿圈零件渗碳后缓冷、再加热以及随后的压力淬火及定径淬火等工序，显著降低该零件的生产成本。

[0103] 实施例2：

[0104] 一种含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，其应用在重载变速箱齿轮轴上，按质量百分数计，其化学成分包括：C 0.18％，Si 0.37％，Mn 0.58％，P 0.012％，S 0.029％，Cr 1.15％，Ni 1.65％，Mo 0.32％，Al 0.038％，Nb 0.051％，N 0.011％，Cu 0.21％，其余为Fe和不可避免的杂质。Al与N的含量比值为3.45，Al+Nb＝0.089％。

[0105] 上述含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的制备工艺包括：

[0106] (1)熔炼处理：将优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合，采用电炉或转炉熔炼，得到熔炼钢水。

[0107] (2)精炼处理：采用钢包炉将熔炼钢水进行精炼，全程吹Ar搅拌，得到精炼钢水。

[0108] (3)真空处理：将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气，真空度为55.6Pa，得到真空脱气后的钢水。

[0109] (4)浇注处理：将真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，钢水过热度为28℃，用结晶器电磁搅拌，得到连铸坯。

[0110] (5)铸坯加热：将连铸坯加热至1300℃保温5h，使钢中的含Nb析出相完全熔解。

[0111] (6)轧制：开轧温度为1180℃，中轧温度为1090℃，终轧温度为1040℃，上冷床温度控制为870℃。

[0112] 采用上述含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢生产重型变速箱齿轮轴的热处理方法包括：

[0113] a、锻造：将含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢原材料加热至1250℃后，经模锻成型为齿轮轴锻坯，终锻温度为1100℃，置于空气中冷却。

[0114] b、奥氏体化：将上述齿轮轴锻坯加热至960℃，保温时间为60min，使齿轮轴锻坯充分奥氏体化。

[0115] c、中冷：将奥氏体化后的齿轮轴锻坯置于中冷区进行吹风强力冷却，风温为40℃，风速为12m/s，平均冷速为60℃/min，齿轮轴锻坯的风冷时间为300s。

[0116] d、三段式等温正火：将中冷后的齿轮轴锻坯转移至等温炉中进行三段式等温正火处理：

[0117] 第一段等温处理：温度设定为660℃，保温时间为1h。

[0118] 第二段升温处理：从660℃缓慢加热至735℃，控制加热速率为75℃/h，加热时间为1h。

[0119] 第三段等温处理：温度设定为735℃，保温时间为1h。

[0120] e、随炉冷却：将上述等温正火处理后的齿轮轴锻坯随炉冷却至300℃后出炉。

[0121] f、齿轮轴锻坯粗加工→精加工→低压真空渗碳处理→真空油淬处理→低温回火处理。

[0122] 其中，步骤f中的低压真空渗碳处理包括：将精加工后的齿轮轴锻坯放入真空渗碳炉内抽真空，开始加热，690℃预热保温→开始进行低压渗碳工艺，脉冲式充入丙烷，具体为：6.4kpa、1050℃下进行强渗处理，控制环境碳势为1.15％C→4.7kpa、1030℃下进行高温扩散，控制环境碳势为1.05％C→2.5kpa、1010℃下进行低温扩散，控制环境碳势为0.95％C，低压真空渗碳处理的工艺层深要求为1.1～1.5mm。

[0123] 步骤f中的齿轮轴锻坯真空油淬处理包括：将渗碳后的齿轮轴锻坯转移至真空淬火炉内，选择合适的分级淬火油，根据本实施例中含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的初始过冷奥氏体转变曲线，确定钢材在冷却时各特性时间和温度，从而制定齿轮轴锻坯三段式真空油淬工艺：

[0124] ①渗碳后的齿轮轴锻坯入油后0～5s，采用较慢的冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度设定为380r/min；②零件入油后6～15s，采用快速冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度设定为1000r/min；③零件入油后16秒至淬火结束，采用缓慢冷却方式，淬火油槽中搅拌机的搅拌速度设定为200r/min；淬火油温设定为140℃。

[0125] 实施例2在现有Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的基础上，对钢中的微合金化元素进行了优化调整，并添加了0.051％的Nb，设定Al:N＝3.45，Al+Nb＝0.089％。在1050℃×9h的热处理条件下，经检测，含Nb的Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度为7.0级，如图9所示；而现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢的奥氏体晶粒度为1.5级，如图10所示。

[0126] 现生产采用的常规Cr‑Ni‑Mo渗碳钢，在生产齿轮轴锻坯时采用常规等温正火工艺后，由于Mn、Cr、Ni、Mo等合金元素在冷却过程中易发生偏聚，会导致现生产齿轮轴锻坯组织中出现马氏体等异常组织，如图11所示，并伴随严重的带状组织，评级为4.0级，如图12所示。实施例2的齿轮轴锻坯采用三段式等温正火工艺后，锻坯中的组织为均匀的铁素体+珠光体，如图13所示；且带状组织得到显著改善，最恶劣视场的带状组织评级仅为1.5级，如图14所示。

[0127] 实施例2的齿轮轴锻坯采用“低压真空渗碳+真空油淬”工艺，经检测，与现生产的“气氛渗碳+直接油淬”工艺相比，齿轮轴渗碳淬火后的径向平均跳动量由0.12mm降低至0.06mm，且有30％的齿轮轴径向跳动量≤0.05mm，无需进行后续的校直处理，使淬火后的齿轮轴热处理变形能够得到有效控制，大大降低了齿轮轴的校直开裂风险，切实提升了齿轮轴的产品质量。

[0128] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0129] 需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0130] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。