[发明专利]一种细晶粒渗碳齿轮用钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别涉及一种细晶粒渗碳齿轮用钢及其制造方法。

背景技术

20CrMoH钢(相当于日本的SCM420H钢和美国的SAE4118H钢)是国内外最常用的渗碳齿轮钢之一，广泛用于制造汽车传动系统中的重要齿轮。随着汽车产量和用量的日益增加，对资源、环境和能源的压力也不断增大，因此迫切需要提高汽车的使用性能，包括减重和长寿命化等方面。汽车传动系统性能的提高对汽车的长寿命化和减重至关重要，因此提高汽车齿轮钢的疲劳性能具有重要的意义。细化晶粒是提高汽车齿轮钢疲劳性能的一种重要方法，美国Matlock等人的研究结果表明，细化晶粒对提高齿轮的抗疲劳破坏性能效果十分显著(Matlock DK et al.Materials Research，2007，8：453)。不过，以20CrMoH钢为代表的渗碳齿轮钢，由于需要经930℃左右高温长时间渗碳处理，在渗碳过程中其奥氏体晶粒容易长大，很难控制在8级以下。

通过微合金化方法可以细化钢的晶粒，不过细化效果与微合金化元素所形成的第二相析出物的大小、数量、分布及稳定性等密切相关。在齿轮钢中，通常采用控制Al的含量，形成AlN析出相来细化晶粒，但由于AlN析出相在渗碳温度下容易溶解到钢中，其细化效果有限。此外，有些齿轮钢通过添加微合金化元素Ti(如我国的20CrMnTi齿轮钢)或B(如德国的ZF6齿轮钢)，形成较难溶解的TiN和BN来细化晶粒，不过由于Ti易形成粗大的TiN颗粒和BN易导致晶粒尺寸不均匀，这些齿轮钢的生产工艺控制难度较大。

最近，国内外纷纷开发通过Nb微合金化来细化晶粒的齿轮钢。日本专利JP2000-160288通过添加0.03-0.06％的Nb，使SCr420H等齿轮钢的渗碳温度提高到了1050℃，且奥氏体晶粒没有显著粗化；我国专利ZL200610089371.7则通过添加0.03-0.15％的Nb进行微合金化，开发了一种高强度的细晶粒Cr-Ni-Mo系重载齿轮钢，其奥氏体晶粒度高于10级。以上Nb微合金化齿轮钢是通过析出Nb(C，N)颗粒来阻止奥氏体长大的，Nb(C，N)具有比AlN稳定性高、比TiN和BN容易控制等优点。不过，在Nb微合金化齿轮钢中，由于Nb(C，N)析出相在奥氏体晶界析出，使钢的热塑性低谷区凸显(原奥氏体晶界强度减弱)，结果导致其容易发生表面开裂，热加工难度加大(如终轧温度或终锻温度不能低于900℃)。相对于Cr系和Cr-Ni-Mo系齿轮钢，添加Nb后的Cr-Mo系齿轮钢(如20CrMoH钢)因有Mo和无Ni的成分特点，其热加工问题将更为突出。

此外，齿轮钢的淬透性因晶粒细化会有所降低，根据SAE J406标准，晶粒度每增加一级，淬透性降低8％。另外，NbC析出会使奥氏体中固溶的C含量下降，从而进一步降低淬透性。如采用Nb微合金化20CrMoH细化晶粒来提高疲劳性能，还必须考虑因晶粒细化和NbC析出导致的淬透性下降问题。显然，通过添加B可以有效提高齿轮钢淬透性，但同时必须确保添加的B不因BN析出而起不到提高淬透性作用。因此，在开发细晶粒渗碳齿轮钢时，有必要进行多元微合金化处理方法，综合利用各种微合金化元素的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶粒细化、渗碳后弯曲疲劳强度高、接触疲劳寿命长的细晶粒渗碳齿轮用钢及其制造方法。

根据上述目的，本发明整体的技术方案是：(1)通过添加微合金化元素Nb，形成NbC和Nb(C，N)以阻止渗碳时奥氏体晶粒的长大，从而保证奥氏体晶粒度大于10级；(2)通过添加B、Ti等元素，利用多元微合金化方法，以提高齿轮钢在800-900℃热塑性，防止因塑性降低而导致热加工难度增加；(3)通过添加Ti≥2[N]，B≥([N]-Ti/3.4)/1.4+0.001，利用固溶的B保证钢的淬透性不因晶粒细化和NbC析出而降低；(4)通过添加Mn、Al等元素，可以保证获得低的[0]含量，从而改善疲劳性能；(5)降低P、S等杂质元素含量，以提高渗碳层和基体的韧性，进一步改善疲劳性能；(6)通过降低终轧温度到900℃以下，细化渗碳前初始晶粒，从而确保奥氏体晶粒度大于10级。

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为：