一种提高易切削齿轮钢晶粒度的方法与流程

1.本发明属于冶金领域，尤其涉及一种提高易切削齿轮钢晶粒度的方法。


背景技术：

2.齿轮钢广泛应用于汽车、摩托车变速箱，由于其使用过程要求力学性能稳定，相同的成分体系，晶粒度越小，其强度越高。因此，齿轮钢往往要求晶粒度达到8.0级以上。为控制晶粒度，往往靠轧制工艺优化、成分优化来实现。目前比较有效的是通过在钢中加入ti、al、b等元素，形成tin、aln、bn等析出物，实现齿轮钢的晶粒细化。
3.现有技术中，存在类似的研究。
4.中国专利申请cn202010128336.1公开一种超纯净高温细晶粒齿轮钢、制造方法及其应用。具体地，n＝(0.80～1.0)
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(0.5％al 0.7％b)，式中元素符号代表元素的含量，余量为fe及不可避免的杂质；钢中氧化物特征值达到k1≤10，钢中按比例加入的al、b、n，在基体中生产大量的细小质点，使得在960℃以上的高温渗碳处理后的基体晶粒度在6.0级以上。
5.中国专利申请cn202011200022.4公开了齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法。齿轮钢及其奥氏体晶粒度的细化方法，该申请通过合理的钛和n含量及配比，有效决定氮化钛的形态和数量，并有效细化氮化钛的晶粒，控制并细化奥氏体晶粒度，提高齿轮钢的性能。
6.基于以上，有必要开发一种在齿轮钢中形成aln促进晶粒细化的方法。


技术实现要素：

7.基于此，有必要针对上述技术问题，采用以下技术方案：
8.本发明提供一种提高易切削齿轮钢晶粒度的方法，所述方法包括转炉冶炼、lf精炼、rh精炼以及方坯连铸，从而得到易切削齿轮钢用棒材；
9.其中，所述rh精炼的过程包括通过向钢液添加铝粒将酸溶铝含量控制在0.02wt％-0.04wt％，硫含量控制在0.018wt％-0.032wt％，再向钢包内加入硅钙线和氮化硅包芯线；得到的钢液中酸溶铝和氮的含量比为酸溶铝/氮＝2-4。
10.进一步地，所述易切削齿轮钢用棒材的化学成分质量百分比为：碳0.19％～0.21％、硅0.08％～0.12％、锰1.25％～1.35％、磷≤0.015％、硫0.018％～0.032％、铬1.15％～1.28％、钛≤0.02％、硼≤0.0005％，酸溶铝0.025％～0.035％，余量为铁及杂质。
11.进一步地，所述转炉冶炼的出钢过程中，进行深脱氧，脱氧后再加入铝线，得到的钢液中酸溶铝的含量在0.02wt％-0.06wt％。
12.进一步地，所述lf精炼中，向钢包内加入高碱度精炼渣、活性石灰、调渣剂以及萤石进行造渣，lf精炼出站钢包渣碱度控制在2-8，al2o3含量控制在20wt％-40wt％，caf2含量控制在5wt％-20wt％。
13.进一步地，所述rh精炼得到的钢液中的钙含量0.0005wt％-0.0020wt％，钢液中的氮含量0.0100wt％-0.0200wt％。
14.进一步地，所述氮化硅包芯线的芯粉重量140-160g/m，其中，所述氮化硅包芯线的化学成分质量百分比为：氮25％-35％、硅45％-55％，余量为fe及不可避免的杂质。
15.进一步地，加入所述氮化硅包芯线为钢液增加的氮含量通过下述公式进行计算：
16.氮化硅包芯线的增氮的量＝((钢液中酸溶铝/2-0.0050％)*钢液量)/氮的收得率/包芯线的氮含量/包芯线的每米重量。
17.进一步地，所述方坯连铸采用200mm
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200mm的六机六流小方坯连铸机以及长水口采用吹氩气保护浇铸。
18.进一步地，所述方坯连铸的连铸过程拉速1.2m/min-1.6m/min，过热度控制在20-40℃。
19.进一步地，所述易切削齿轮钢用棒材的晶粒度≥8.0级。
20.本发明具有以下有益技术效果：
21.本发明提供了一种细化齿轮钢晶粒的方法，主要是通过同时提高钢液中的氮含量，保证钢液中形成大量氮化铝，从而实现齿轮钢晶粒细化。本技术提供的在齿轮钢中形成氮化铝(aln)促进晶粒细化的方法还是尚属首例。
22.本技术的提高易切削齿轮钢晶粒度的方法通过喂入氮化硅(sin)包芯线来实现钢液中氮(n)含量的稳定控制。由于工业生产中氮含量的稳定控制问题是一个比较难以解决的问题，如果仅靠吹氮气实现氮含量的增加，氮含量不能实现稳定控制。并且，由于本技术可以实现n含量的稳定控制，因此本技术可以进一步控制酸溶铝和氮的含量比控制在2.0～3.0，实现了更精细化的控制，达到细化晶粒的目的。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明实施例进一步详细说明。
24.本发明的实施例提供一种易切削齿轮钢晶粒度的控制方法,通过该控制方法能有效地控制齿轮钢产品晶粒度≥8.0级。本实施例适用于易切削齿轮钢20crmn5sh，其主要成分为：碳0.19％～0.21％、硅0.08％～0.12％、锰1.25％～1.35％、磷≤0.015％、硫0.018％～0.032％、铬1.15％～1.28％、钛≤0.02％、b≤0.0005％，酸溶铝(als)0.025％～0.035％，余量为铁及杂质。
25.本实施例的提高易切削齿轮钢晶粒度的方法采用的工艺流程为：120t转炉冶炼—lf精炼—rh精炼—200mm
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200mm小方坯连铸，从而得到易切削齿轮钢用棒材。
26.1)120t转炉冶炼：
27.转炉冶炼的出钢过程中，进行深脱氧，脱氧后再加入铝线，得到的钢液中酸溶铝的含量在0.02wt％-0.06wt％，更优选的为0.03wt％-0.05wt％。
28.2)lf精炼：
29.lf精炼中，向钢包内加入高碱度精炼渣、活性石灰、调渣剂以及萤石进行造渣，lf精炼出站钢包渣碱度控制在2-8，更优选的为4-6，al2o3含量控制在20wt％-40wt％，更优选的为25wt％-35wt％，caf2含量控制在5wt％-20wt％，更优选的是8wt％-12wt％。
30.高碱度精炼渣cao含量≥70wt％，sio2含量≤10wt％，al2o3含量20-30wt％。
31.3)rh精炼：
32.rh精炼的过程包括通过向钢液添加铝粒将酸溶铝含量控制在0.02wt％-0.04wt％，更优选的是0.025％-0.035wt％；硫含量控制在0.018wt％-0.032wt％，更优选地0.020％-0.026wt％；再向钢包内加入硅钙线400-1000m，更优选600m-800m；再喂入氮化硅包芯线100-600m，更优选为200-400m。确保钢液中的钙含量0.0005wt％-0.0020wt％，更优选为0.0008wt％-0.0015wt％。钢液中的氮含量为0.0100wt％-0.0200wt％，更优选0.0100wt％-0.0150wt％。得到的钢液中酸溶铝和氮的含量比为酸溶铝/氮在2-4范围内，更优选地在2-3范围内。所述氮化硅包芯线的芯粉重量140-160g/m，其中，所述氮化硅包芯线的化学成分质量百分比为：氮25％-35％、硅45％-55％，余量为fe及不可避免的杂质。
33.加入所述氮化硅包芯线为钢液增加的氮含量通过下述公式进行计算：
34.氮化硅包芯线的增氮的量＝((钢液中酸溶铝/2-0.0050％)*钢液量)/氮的收得率/包芯线的氮含量/包芯线的每米重量＝((钢液中als/2-0.0050％)*钢水量)/0.75/0.3/0.15＝((钢液中als/2-0.0050％)*钢水量)/0.03375
35.上式中：n的收得率为0.75，包芯线的氮含量为0.3，包芯线的每米重量为150g。
36.4)连铸
37.方坯连铸采用200mm
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200mm的六机六流小方坯连铸机以及长水口采用大流量吹氩气保护浇铸，防止二次氧化。方坯连铸的连铸过程拉速1.2m/min-1.6m/min，更优选地为1.3m/min，过热度控制在20-40℃，更优选地为15-30℃。
38.实施例1
39.本实施例适用于易切削齿轮钢20crmn5sh，其主要成分为：碳0.19％～0.21％、硅0.08％～0.12％、锰1.25％～1.35％、磷≤0.015％、硫0.018％～0.032％、铬1.15％～1.28％、钛≤0.02％、b≤0.0005％，酸溶铝(指als)0.025％～0.035％，余量为铁及杂质。
40.1、转炉工序
41.转炉工序出钢过程中，进行深脱氧，脱氧后再喂入铝线，钢液中als含量在0.03％。
42.2、lf工序
43.lf处理过程向钢包内加入高碱度精炼渣、活性石灰、调渣剂以及萤石进行造渣，lf出站钢包渣碱度控制在4，al2o3含量控制在25％，caf2含量控制在8％。
44.3、rh精炼
45.rh精炼过程通过向钢液添加铝粒将als含量控制在0.025％，s含量控制在0.020％，再向钢包内喂入硅钙线600m和氮化硅铁包芯线200m。钢液钙含量0.0008％，钢液氮含量0.0100％，钢液中als/n为2。sin包芯线为心粉重量140g/m，n含量25％％，si含量45％，余量为fe及不可避免的杂质。
46.4、连铸
47.本发明采用的是200mm
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200mm的六机六流小方坯连铸机，长水口采用大流量吹氩气保护浇铸，防止二次氧化，连铸过程拉速1.3m/min，过热度15℃。
48.采用该方法生产的连铸坯轧制成棒材后，晶粒度8.0级。
49.实施例2
50.本实施例适用于易切削齿轮钢20crmn5sh，其主要成分为：碳0.19％～0.21％、硅0.08％～0.12％、锰1.25％～1.35％、磷≤0.015％、硫0.018％～0.032％、铬1.15％～1.28％、钛≤0.02％、b≤0.0005％，酸溶铝(指als)0.025％～0.035％，余量为铁及杂质。
51.本实施例采用的工艺流程为：120t转炉—lf精炼—rh精炼—200mm
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200mm小方坯连铸
52.1、转炉工序
53.转炉工序出钢过程中，进行深脱氧，脱氧后再喂入铝线，钢液中als含量在0.05％。
54.2、lf工序
55.lf处理过程向钢包内加入高碱度精炼渣、活性石灰、调渣剂以及萤石进行造渣，lf出站钢包渣碱度控制在6，al2o3含量控制在35％，caf2含量控制在12％。
56.3、rh精炼
57.rh精炼过程通过向钢液添加铝粒将als含量控制在0.035％，s含量控制在0.026％，再向钢包内喂入硅钙线800m和氮化硅铁包芯线400m。钢水钙含量0.0015％，钢水氮含量0.0150％，钢液中als/n为2.3。所述sin包芯线为心粉重量160g/m，n含量35％，si含量55％，余量为fe及不可避免的杂质。
58.4、连铸
59.本发明采用的是200mm
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200mm的六机六流小方坯连铸机，长水口采用大流量吹氩气保护浇铸，防止二次氧化，连铸过程拉速1.3m/min，过热度30℃。
60.采用该方法生产的连铸坯轧制成棒材后，晶粒度9.0级。
61.实施例3
62.本实施例适用于易切削齿轮钢20crmn5sh，其主要成分为：碳0.19％～0.21％、硅0.08％～0.12％、锰1.25％～1.35％、磷≤0.015％、硫0.018％～0.032％、铬1.15％～1.28％、钛≤0.02％、b≤0.0005％，酸溶铝(指als)0.025％～0.035％，余量为铁及杂质。
63.本发明采用的工艺流程为：120t转炉—lf精炼—rh精炼—200mm
×
200mm小方坯连铸
64.1、转炉工序
65.转炉工序出钢过程中，进行深脱氧，脱氧后再喂入铝线，确保钢液中als含量在0.04％。
66.2、lf工序
67.lf处理过程向钢包内加入高碱度精炼渣、活性石灰、调渣剂以及萤石进行造渣，lf出站钢包渣碱度控制在5，al2o3含量控制在30％，caf2含量控制在10％。
68.3、rh精炼
69.rh精炼过程通过向钢液添加铝粒将als含量控制在0.03％，s含量控制在0.024％，再向钢包内喂入硅钙线700m和氮化硅铁包芯线260m。钢水钙含量0.0012％，钢水氮含量0.0118％，钢液中als/n为2.03。所述sin包芯线为心粉重量150g/m，n含量30％，si含量50％，余量为fe及不可避免的杂质。
70.4、连铸
71.本发明采用的是200mm
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200mm的六机六流小方坯连铸机，长水口采用大流量吹氩气保护浇铸，防止二次氧化，连铸过程拉速1.3m/min，过热度22℃。
72.采用该方法生产的连铸坯轧制成棒材后，晶粒度8.5级。
73.对比例1
74.与实施例1的其它步骤一致，所不同的步骤是转炉工序中：出钢过程不脱氧不喂入
铝线，钢液中als含量仅为0.0001％。
75.精炼过程中无法稳定控制als，lf出站als仅为0.0002％，无法满足al/n比控制要求。
76.最终棒材晶粒度评级仅为6.0级。
77.对比例2
78.与实施例2的其它步骤一致，所不同的步骤是lf精炼工序中，caf2含量仅为2％。
79.rh精炼过程中，向钢包内加入sin包芯线时，钢包渣发泡，不断膨胀，流出钢包，生产中断，钢材全部判废。
80.对比例3
81.与实施例3的其它步骤一致，所不同的步骤是在rh处理后，s含量控制为0.010％，硅钙线的加入量为0m。
82.加工成棒材后，棒材夹杂物评级a类夹杂物严重超标，切削性能差，钢材判废。
83.对比例4
84.与实施例3的其它步骤一致，所不同的步骤是在连铸过程中，过热度为40℃，连铸坯出现大量角部裂纹，钢材判废。
85.对比例5
86.与实施例3的其它步骤一致，所不同的步骤是在连铸过程中，长水口未进行大流量吹氩气，钢水吸氧严重，als烧损严重，成品als仅为0.01％，棒材产品晶粒度为7.5级。
87.以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
88.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。