[发明专利]一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高强高韧低碳齿轮钢。该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.33％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.90～1.20％，P：≤0.03％，S：≤0.030％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.20～0.50％，(Ni+Mo)≤1.65％，N：0.010～0.020％，Al：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢采用低碳设计，确保材料芯部的强韧性，常温冲击功≥45J。通过高硅设计，显著提高钢材淬回火表面硬度，从而提高其耐磨性。另外，该发明钢种添加较高含量的Ni，提高强度的同时确保钢材的韧性。该设计钢材抗拉强度≥1500MPa，具有高强高韧高耐磨特性。

技术领域

本发明涉及一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

齿轮及齿轴是机械、车辆等重要零件，几乎所有的变速及变向传动都需要通过齿轮及齿轴。齿轮齿合传动时，齿面呈高频率的线接触，要求齿面具有高硬度，确保其耐磨性。齿轮或齿轴芯部承受交变弯曲应力易产生疲劳断裂，为了保证其疲劳，要求芯部具有高韧性。绝大部分齿轴或齿轮类零件均采用低碳设计，确保芯部韧性。同时，为了提高齿面的硬度及耐磨性，成型后进行渗碳、渗氮或碳氮共渗处理，以渗碳为主。然而，进行渗碳热处理时通常需要将零件加热至870～980℃，保温数小时甚至数十小时以获得一定深度的渗碳层。渗碳温度越低，渗碳所需时间越长，能耗、成本增加。提高渗碳温度，可适当缩短渗碳时间，但材料的晶粒度粗化风险随着温度的提高而增加，一旦晶粒发生异常长大，材料的性能将迅速恶化。申请号CN201910388858.2公开的一种高温渗碳齿轮钢及生产方法，所述钢种C：0.18-0.22％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.75-0.85％，P：≤0.010％，S：0.010-0.025％，Cr：0.45-0.55％，Ni：0.45-0.65％，Mo：0.15-0.25％，Al：0.008-0.015％，V：0.04-0.08％，Zr：0.03-0.08％，N：0.0060-0.0080％；文中指出通常材料在后续加工时齿轮钢在950～1100℃下进行高温渗碳，保温4.5～5.5h。该发明为一种典型的低碳渗碳齿轮钢，低碳设计，能确成品零件保芯具有较高的韧性，表面通过渗碳提高硬度，最终确保耐磨性，但该发明和所有低碳齿轮钢一样，后续需要长时间的渗碳热处理，成本、能耗、排放增加。

以40CrH、42CrMoH为代表的中碳钢也可用作齿轮钢。但该系列齿轮钢碳含量相对较高，在后续热处理时通常无需渗碳，靠渗氮淬回火调整表面硬度以达到设计的齿面耐磨性，相比于渗碳处理，加工流程缩短，能耗及成本大大降低。但中碳类齿轮钢由于碳含量相对较高，导致芯部韧性相对低碳渗碳齿轮钢低，缓解吸收芯部疲劳源扩展的能力较低碳渗碳齿轮钢弱，所以不利于制作长寿命齿轮或齿轴。

综上，能够发明一种高强高韧低碳齿轮钢，既能确保齿轮芯部强度韧性，采用渗氮处理等低能耗的热处理方式也能满足齿轮表面硬度及耐磨性要求，显得意义重大。这也是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高强高韧低碳齿轮钢及其制备方法，既能确保齿轮芯部强度韧性，采用渗氮处理等低能耗的热处理方式也能满足齿轮表面硬度及耐磨性要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强高韧低碳齿轮钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.33％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.90～1.20％，P：≤0.03％，S：≤0.030％，Cr：1.10～1.40％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.20～0.50％，(Ni+Mo)：≤1.65％，N：0.0100～0.0200％，Al：0.010～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明钢材力学性能满足：抗拉强度≥1500MPa，常温冲击功≥45J。