一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法
技术领域
本申请涉及钢铁领域，具体而言，涉及一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法。
背景技术
实际生产过程中，窄淬透性齿轮钢容易产生开裂，并且由于窄淬透性齿轮钢系列钢种为含Ni钢种，其在加热炉加热时，炉内存在氧化性气氛，导致连铸坯表面形成一层较深的氧化层，而含Ni钢的氧化物黏度较大，比较致密，附着在钢坯表面，高压水除鳞无法清除，影响了除鳞效果，如图1所示，图1中灰色部分为高压水除鳞后残留的氧化层。坯料表面残留的氧化铁皮在轧制过程中压入圆钢表面，造成表面麻坑，如图2所示，需对圆钢剥皮处理，麻面严重时，如剥皮后直径公差不能满足要求就要报废，增加了生产成本。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法，其能够改善上述至少一个技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种窄淬透性齿轮钢，其按质量百分比计，包括：C：0.19％-0.21％，Si：0.22％-0.28％，Mn：0.82％-0.87％，Cr：0.52％-0.58％，Ni：0.50％-0.55％，Mo:0.19％-0.21％，Al:0.025％-0.035％，N：0.0080％-0.0120％以及余量的Fe及不可避免的杂质，其中，Al/N＝3-3.6。
在上述实现过程中，获得的窄淬透性齿轮钢不仅满足钢种淬透性要求，同时减少了钢表面裂纹敏感性，降低钢种成分带来的对表面质量的影响倾向，有效提高窄淬透性齿轮钢表面质量。
第二方面，本申请实施例提供一种上述窄淬透性齿轮钢的制备方法，包括依次进行的以下步骤：转炉冶炼、炉外精炼、方坯连铸、铸坯缓冷以及加热轧制。
其中，加热轧制的步骤中，高温段温度为1140℃-1180℃，铸坯在高温段在炉时间为120min-180min，空燃比为1.6-1.8，全炉残氧含量控制在1.7％-2.0％。
在上述实现过程中，通过控制铸坯在加热炉高温段温度、时间及炉内气氛，其不仅有效提高铸坯表面除鳞效果，避免后续残留的氧化铁皮在轧制过程中压入圆钢表面造成麻坑，还能够降低加热过程铸坯及轧制过程圆钢表面热应力，改善最终得到的窄淬透性齿轮钢的表面质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为除磷后的现有的窄淬透性齿轮钢的铸坯照片；
图2为现有的表面具有麻坑的窄淬透性齿轮圆钢的照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
名词解释：Ac1：是指在加热时钢中铁素体向奥氏体转变的开始温度；Ar1：冷却时钢中奥氏体向珠光体和铁素体转变的开始温度。
以下针对本申请实施例的一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法进行具体说明：
窄淬透性齿轮钢加入Al和N，在加热时晶界析出第二相离子钉扎晶界，阻止晶粒长大，达到细化晶粒的目的，降低钢的淬透性，从而满足钢窄淬透性及高强度的要求。但申请人发现，此时晶界存在较多的第二相离子，弱化了晶界强度，使得钢表面裂纹敏感性变强。而含Ni钢在加热时，其表面形成的氧化物黏度较大，附着在钢坯表面，高压水除鳞无法清除，坯料表面残留的氧化铁皮在轧制过程中压入圆钢表面，造成表面麻坑，轧制过程表面冷却不均，存在较强的热应力，加剧了圆钢表面裂纹敏感性。
因此，相较于Cr、Ni、Mo系齿轮钢，为了减少第二相产生以及Cr、Ni、Mo合金元素对圆钢的表面裂纹敏感性的影响，申请人优化了钢种成分。
具体地，本申请提供一种窄淬透性齿轮钢，其按质量百分比计，包括：C：0.19％-0.21％，Si：0.22％-0.28％，Mn：0.82％-0.87％，Cr：0.52％-0.58％，Ni：0.50％-0.55％，Mo:0.19％-0.21％，Al:0.025％-0.035％，N：0.0080％-0.0120％以及余量的Fe及不可避免的杂质，其中，Al/N＝3-3.6。也即是，尤其优化了Cr、Ni、Mo、Al、N含量，同时Al/N＝3-3.6。
具体地，Cr的质量百分比为0.52％-0.58％，具体例如，Cr的质量百分比为0.52％、0.53％、0.54％、0.55％、0.56％、0.57％或0.58％中的任一值或介于任意两个数值之间；Ni的质量百分比为0.50％-0.55％，具体例如，Ni的质量百分比为0.50％、0.50％、0.52％、0.53％、0.54％或0.55％中的任一值或介于任意两个数值之间；Mo的质量百分比为0.19％-0.21％，具体例如，Mo的质量百分比为0.19％、0.20％或0.21％中的任一值或介于任意两个数值之间；Al的质量百分比为0.025％-0.035％，具体例如，Al的质量百分比为0.25％、0.27％、0.28％、0.29％、0.30％、0.32％或0.25％中的任一值或介于任意两个数值之间；N的质量百分比为0.0080％-0.0120％，具体例如，N的质量百分比为0.0080％、0.0090％、0.0095％、0.0100％、0.0110％、0.0115％或0.0120％中的任一值或介于任意两个数值之间。
C的质量百分比为0.19％-0.21％，具体例如，C的质量百分比为0.19％、0.20或0.21％中的任一值或介于任意两个数值之间；Si的质量百分比为0.22％-0.28％，具体例如，Si的质量百分比为0.22％％、0.23％、0.35％、0.26％、0.27％或0.28％中的任一值或介于任意两个数值之间；Mn的质量百分比为0.82％-0.87％，具体例如，Mn的质量百分比为0.82％％、0.83％、0.85％、0.86％或0.87％中的任一值或介于任意两个数值之间。
也即是，通过合理的选择，使Ni含量在原有Ni大于0.4％范围基础上采用偏下限的更优范围，以减小含镍钢对表面质量的影响，同时Cr、Mo钢选择国标钢种中偏上限范围，以弥补降低Ni对钢种综合性能的影响，此外，通过优化Al/N比，适当提高Al/N比，同时不能高于3.6，即能满足钢种淬透性要求，细化晶粒，同时减少了钢表面裂纹敏感性，降低钢种成分带来的对表面质量的影响倾向。
进一步地，按质量百分比计，N＞0.0092％，Al＞0.032％，且Al/N＝3.1-3.5。上述比例下，即能满足钢种淬透性要求，细化晶粒，同时有效减少了钢表面裂纹敏感性，降低钢种成分带来的对表面质量的影响倾向，能够获得末端淬透性带宽窄、表面质量良好的齿轮圆钢。
具体地，齿轮钢的末端淬透性满足：J4.7mm：36-41HRC，J7.9mm：28-32HRC，J12.7mm：21-26HRC；屈服强度满足：Rp0.2≥785MPa，抗拉强度≥985MPa，断后伸长率≥9％，断面收缩率≥40％。也即是末端淬透性满足标准要求，且屈服强度也满足标准要求。
申请人发现，窄淬透性齿轮钢系列钢种的裂纹敏感性强，在连铸坯凝固过程中会体积膨胀产生组织应力，钢坯冷却时产生了热应力；在加热升温时，组织转变产生组织应力，铸坯表面升温过快，内外温差大造成热应力，共同作用形成较大的综合应力，当综合应力大于晶间强度时，就会导致材料开裂。
有鉴于此，本申请还提供一种上述窄淬透性齿轮钢的制备方法，其包括以下步骤：
S1、转炉冶炼。
S2、炉外精炼。
其中，步骤S2中包括脱气、软吹工序，具体地，脱气、软吹工序包括：
对钢水进行真空脱气处理，全程使用氮气作为环流提升气体，RH处理前N含量范围要求40-60ppm，在小于0.266kPa真空度以下处理时间≥10min，退泵后使用0.8MPa的氮气环流15min以上，将N含量控制在80-120ppm，RH处理结束后，进行底吹氩气软吹，促进夹杂物上浮。
S3、方坯连铸。
为改善成分偏析，连铸过程采用方坯断面尺寸为280mm*280mm的方坯加工。
方坯连铸过程中，将钢水过热度控制在15-30℃，采用结晶器电磁搅拌，通过电磁搅拌联合钢水过热度控制，以保证铸坯从表到里的成分均匀性。根据铸坯断面及钢种特性(Cr、Ni、Mo更窄成分要求，Al/N范围下更低的淬透性)，结晶器电磁搅拌采用弱搅拌，具体地，参数控制为100A±5A/2.5Hz，搅拌强度过大，会造成铸坯边部产生较严重的(C、Cr、Ni、Mo等元素)负偏析，边部至中心1/2位置产生正偏析，强度过低，达不到搅拌效果，铸坯柱状晶发达，表面及皮下裂纹敏感性增加。末端电磁搅拌参数控制为250A±10A/3.5Hz，改善圆钢中心成分(C、Cr、Ni、Mo、Al和N等元素)偏析。
综上，采用上述各参数的配合，保证步骤S3加工获得的铸坯成分的均匀性，降低裂纹敏感性。
S4、铸坯缓冷。
可选地，入缓冷坑温度在窄淬透性齿轮钢的Ar1温度的基础上升10-35℃。
具体地，连铸坯在冷却时，铸坯冷却到相变温度时，组织向珠光体转变，该转变过程中发生体积膨胀，产生组织应力，冷却过程中由于温度分布不均而产生热应力，温降越快，组织应力及热应力就越大，因此此时，入缓冷坑温度控制在齿轮钢的相变温度的基础上升10-35℃，能够降低该钢种成分下内部应力，将避免连铸坯冷却温度梯度过大，内部应力过大造成的表面应力缺陷。
可选地，使用Gleeble 3800热模拟试验机测量该齿轮钢相变温度，其Ar1温度为605℃，因此，入缓冷坑温度为615-640℃，具体例如615℃、618℃、620℃、625℃、630℃、635℃或640℃中的任一值或介于任意两个数值之间。
进一步地，为了有效降低铸坯表面应力，改善窄淬透性齿轮钢圆钢表面质量。在上述入缓冷坑温度的前提下，保温时间48-72h且出坑温度小于400℃，具体地，保温时间为48h、50h、55h、60h、66h、70h或72h中的任一值或介于任意两个数值之间。
由于该钢种规格多、单一规格订单量小，做不到热装，只能冷装入加热炉，出坑温度高于400℃，达不到缓冷效果，因此出坑温度小于400℃，可减少铸坯内外表面温度梯度，避免内部应力过大造成的表面应力缺陷。
S5、加热轧制。
具体地，加热轧制的步骤包括：
将步骤S4得到的铸坯置于加热炉中。
其中，可选地，预热段上限温度在窄淬透性齿轮钢的Ac1的基础上降低50-15℃。
上述设置条件下，铸坯温度从入炉温度升高到Ac1时，其铁素体向奥氏体转变，此过程是体积收缩的过程，此时的组织应力为拉应力。加热过程是连铸坯表面加热、内部进行热传导的过程，表层与次表层由于温度差而产生热应力，升温越快，内外温差越大，组织应力及热应力也就越大，此时，采用预热段上限温度在窄淬透性齿轮钢的Ac1的基础上降低50-15℃，可有效降低该钢种成分下内部应力，通过降低预热段上限温度，以缓解在减少该钢种成分下缓冷后升温轧制导致的应力上升问题，减少温差，降低应力，提高表面质量。
进一步地，使用Gleeble 3800热模拟试验机测量该齿轮钢相变温度，其Ac1温度为743℃，因此，可选地，预热段上限温度为693-728℃，具体例如，预热段上限温度为693℃、695℃、698℃、700℃、706℃、710℃、715℃、720℃、726℃或728℃中的任一值或介于任意两个数值之间。
在上述预热段上限温度条件下，为了进一步降低应力，提高表面质量，可选地，铸坯在预热段停留时间≥90min，且铸坯在预热段匀速步进，其中步进速度≥3步/min，铸坯的升温速率≤8℃/min，避免因升温速率过快，内外温差大，导致的铸坯表面热应力增大，进而导致铸坯表面裂纹敏感性提高的问题。
加热轧制的步骤中，高温段温度为1140-1180℃。也即是，高温段温度为1140℃、1150℃、1165℃、1170℃、1175℃或1180℃中的任一值或介于任意两个数值之间。当温度高于1180℃，铸坯表面氧化严重，高压水除鳞效果差，低于1140℃，铸坯心部烧不透，轧制时铸坯心部缺陷得不到改善。
需要说明的是，本申请中，高温段是指加热二段以及均热段。
其中，铸坯在高温段的在炉时间为120-180min，此时，空燃比为1.6-1.8，具体例如空燃比为1.6、1.7或1.8中的任一值或介于任意两个数值之间，全炉残氧含量控制在1.7％-2.0％，具体例如全炉残氧含量控制在1.7％、1.8％、1.9％或2.0％中的任一值或介于任意两个数值之间。
通过上述方式，有效控制其具有较低的空燃比、控制残氧量，缩短高温时间等，减少将表面氧化物压入窄淬透性齿轮钢表面，形成麻坑的可能，且轧制时表面冷却更均匀，温度梯度小，降低窄淬透性齿轮钢表面热应力，提高窄淬透性齿轮钢表面质量，其中本申请得到的窄淬透性齿轮钢为圆钢。
可选地，本申请提供的窄淬透性齿轮钢的制备方法还包括在步骤S5以后依次进行的步骤S6以及S7。其中，S6、对制得的圆柱状的窄淬透性齿轮钢的表面进行漏磁探伤。S7、试样组织、性能检测。
以下结合实施例对本申请的一种窄淬透性齿轮钢及其制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
一种窄淬透性齿轮钢的制备方法，其包括以下步骤：
S1、转炉冶炼。
S2、炉外精炼：对钢水进行真空脱气处理，全程使用氮气作为环流提升气体，RH处理前N含量范围要求40-60ppm，在小于0.266kPa真空度以下处理时间≥10min，退泵后使用0.8MPa的氮气环流15min以上，将N含量控制在80-120ppm，RH处理结束后，进行底吹氩气软吹，促进夹杂物上浮。
S3、方坯连铸：方坯断面的尺寸为280mm*280mm，采用结晶器电磁搅拌且弱搅拌，结晶器的电磁搅拌参数为100A±5A/2.5Hz，末端电磁搅拌参数为250A±10A/3.5Hz。
S4、铸坯缓冷：入缓冷坑温度为615℃，保温时间64h，出坑温度282℃。
S5、加热轧制：预热段上限温度为693-720℃，铸坯在预热段停留时间92-135min，铸坯在预热段匀速步进，其中步进速度≥3步/min，铸坯的升温速率≤8℃/min。高温段温度为1135-1168℃，铸坯在高温段在炉时间为123-167min，空燃比为1.6，全炉残氧含量控制在1.82％。
S6、对制得的圆柱状的窄淬透性齿轮钢的表面进行漏磁探伤。
S7、试样组织、性能检测：在圆钢的D/4位置取样，试样热处理：正火925±10℃，淬火925±5℃，检测圆钢的末端淬透性；用直径15mm的毛坯制成试样，经860℃±10℃，保温时间≥30min，油冷；200℃±10℃回火，保温时间≥90min，空冷，测定纵向力学性能。
其中，实施例1提供的窄淬透性齿轮钢的化学成分如表1所示。
实施例2-4以及对比例1-6
设置实施例2-4以及对比例1-6，其中实施例2-4以及对比例1-6的窄淬透性齿轮钢的化学成分如表1所示，其中，实施例2-4以及对比例1-6的窄淬透性齿轮钢的制备方法与实施例1相似，不同之处仅在于如表2所示的步骤S4以及步骤S5中的部分参数。
其中，实施例1-4以及对比例1-6的制得的圆钢的性能、表面质量、漏磁探伤合格率情况如表3所示。
表1齿轮钢的化学成分(wt％)
表2齿轮钢主要生产工艺参数
表3圆钢性能、表面质量、漏磁探伤合格率情况
根据表3，可以看出，本申请提供的齿轮钢的末端淬透性满足：J4.7mm：36-41HRC，J7.9mm：28-32HRC，J12.7mm：21-26HRC；屈服强度满足：Rp0.2≥785MPa，抗拉强度≥985MPa，断后伸长率≥9％，断面收缩率≥40％。并且除鳞效果好，圆钢表面无麻坑，有效降低裂纹的产生，使得漏磁探伤合格率高于95％。同时根据表1以及表2，可以看出，元素含量(尤其是Cr、Ni、Mo、Al、N)的改变以及制备方法中参数的改变对于最终制得的齿轮钢的性能、表面质量、漏磁探伤合格率均具有较大影响。
综上，本申请提供的制备方法，不仅有效提高铸坯表面除鳞效果，避免后续残留的氧化铁皮在轧制过程中压入圆钢表面造成麻坑，还能够改善最终得到的窄淬透性齿轮钢的表面质量以及降低裂纹产生，提高合格率。本申请提供的窄淬透性齿轮钢不仅满足钢种淬透性要求，同时减少了钢表面裂纹敏感性，降低钢种成分带来的对表面质量的影响倾向，有效提高窄淬透性齿轮钢表面质量。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
