Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢及消除其带状偏析的热处理方法

技术领域

本发明属于高铁齿轮钢的制造领域，具体涉及一种Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢及消除其带状偏析的热处理方法。

背景技术

随着机械制造业的快速发展，对合金结构钢尤其是高端轴类产品(如高铁车轴钢、高铁齿轮钢)的质量要求越来越高，材料组织直接影响材料性能，组织的均匀性决定性能的均匀性，带状偏析主要影响零件的横纵向各向性能、加工性能及使用寿命。带状偏析对高端轴类产品尤其是高铁齿轮钢性能的不良影响是目前国产化高铁轴类产品主要面临的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢及消除其带状偏析的热处理方法。

具体的，一方面，本发明提供的消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理方法，其采用三级温度梯度对钢坯进行热处理：

第一阶段保温温度为580-620℃，时间为2-2.5h；第二阶段保温温度为900-920℃，时间为2-2.5h；第三阶段保温温度为1100-1150℃，时间为10-12h；空冷至≤350℃。

上述的热处理方法，所述第一阶段保温温度为600-610℃，时间为2-2.2h；所述第二阶段保温温度为900-910℃，时间为2-2.2h；所述第三阶段保温温度为1100-1120℃，时间为10-11h；空冷至≤320℃。

上述的热处理方法，所述第一阶段保温温度为600℃，时间为2h；所述第二阶段保温温度为900℃，时间为2h；所述第三阶段保温温度为1100℃，时间为10h；空冷至≤300℃。

上述的热处理方法，从所述第一阶段保温温度到所述第二阶段保温温度的加热速度为≤100℃/h。

上述的热处理方法，从所述第二阶段保温温度到所述第三阶段保温温度的加热速度为≤120℃/h。

上述的热处理方法，所述钢坯的直径或边长≥150mm。

上述的热处理方法，采用台车式热处理炉对钢坯进行热处理。

另一方面，本发明提供的Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢，采用上述的热处理方法进行处理。

上述的Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢，按重量百分比计，包括：C 0.15％-0.21％、Si≤0.40％、Mn 0.50％-0.90％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.50％-1.80％、Mo 0.25％-0.35％、Ni 1.40％-1.70％、Cu≤0.20％，其余为铁及不可避免的杂质。

上述的Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢，所述Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢的牌号为18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo、27CrNiMo中的一种。

本发明的技术方案具有如下的有益效果：

(1)本发明的消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理方法，采用三级温度梯度保温试验，能够使Cr-Ni-Mo齿轮锻坯全截面方向碳化物带状偏析消除，表面和心部晶粒一致，晶粒无异常长大；

(2)采用本发明的热处理方法对Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢处理后，钢坯中无带状偏析，经淬、回火热处理后具有良好的横纵向同向性能，横纵向性能比可达到0.90以上。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢带状偏析显微镜下金相照片；

图1B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢带状偏析电镜下电镜照片；

图1C为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢带状偏析电镜下偏析带成分电镜照片；

图2A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在原始温度下保温10小时后带状消除程度金相照片；

图2B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在原始温度下保温10小时后晶粒长大金相照片；

图3A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在800℃保温10小时后带状消除程度金相照片；

图3B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在800℃保温10小时后晶粒长大金相照片；

图4A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在900℃保温10小时后带状消除程度金相照片；

图4B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在900℃保温10小时后晶粒长大金相照片；

图5A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1000℃保温10小时后带状消除程度金相照片；

图5B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1000℃保温10小时后晶粒长大金相照片；

图6A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1100℃保温10小时后带状消除程度金相照片；

图6B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1100℃保温10小时后晶粒长大金相照片；

图7A为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1200℃保温10小时后带状消除程度金相照片；

图7B为18CrNiMo7-6高铁齿轮钢热锻态试样在1200℃保温10小时后晶粒长大金相照片；

图8为本发明的消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理工艺曲线；

图9为实施例1中18CrNiMo7-6钢坯原组织照片；

图10为实施例1中18CrNiMo7-6钢坯按照本发明的方法进行热处理后的组织照片；

图11为实施例2中18CrNiMo7-6钢坯原组织照片；

图12为实施例2中18CrNiMo7-6钢坯按照本发明的方法进行热处理后的组织照片；

图13为实施例3中18CrNiMo7-6钢坯原组织照片；

图14为实施例3中18CrNiMo7-6钢坯按照本发明的方法进行热处理后的组织照片；

图15为对比例中18CrNiMo7-6钢坯采用常规退火方法进行热处理后的组织照片。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

本文使用的术语“该”“所述”“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。术语“优选的”“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特征时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开的所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。

需要说明的是：通常意义上的带状偏析组织是指低碳钢经热轧后，铁素体和珠光体沿着变形方向呈条带状组织；但本发明中要消除的带状偏析组织是指钢水结晶时所形成的枝晶偏析经锻轧后马氏体组织中出现的条带状组织。

本发明的技术思路：

首先，确定高铁齿轮钢带状偏析的特征。对带状偏析组织进行了显微镜、电镜分析，确定带状偏析是由成分中的碳与合金元素贫化带与富集带交替分布形成，如图1A、图1B、图1C所示。

将Φ250mm规格的18CrNiMo7-6热锻态试样分别在800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃保温10小时固溶热处理，明确了高铁齿轮锻坯热锻态原始组织和在各个温度下的带状组织消除及晶粒长大情况(图2A-图7B)。

通过对18CrNiMo7-6的齿轮锻坯固溶热处理得知：如图3A、图4A所示，800℃、900℃时碳化物带状偏析基本未变化；如图5A所示，1000℃时碳化物发生部分溶解；如图6A、图7A所示，1100℃、1200℃时碳化物带状偏析溶解消除。

同时，根据晶粒度显微组织显示，1100℃以下的温度保温10小时，随着温度的升高，晶粒逐渐长大(图2B、图3B、图4B、图5B)，1100℃晶粒度长大到4级(图6B)，而1200℃保温10小时后，组织中晶粒长大明显，晶粒度为0级(图7B)，存在成品材锻造中晶粒遗传风险。

本发明根据固溶热处理后带状消除和晶粒长大的结果，提供了一种消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理方法。

具体的，如图8所示，本发明的消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理方法采用三级温度梯度对钢坯进行热处理：

其中，第一阶段保温温度为580-620℃，时间为2-2.5h，目的让钢坯进行预热，减少冷坯快速升温而造成的心部与表面热应力差。

在第一阶段保温过程中，当保温温度大于620℃时，则冷坯升温速度太快，会增加钢坯心部与表面内应力差；当保温温度小于580℃时，则增加升温到第2阶段的时间，造成不必要的能源浪费。当时间大于2.5h时，则钢坯心部与表面温度已一致，继续加热会造成不必要的能源浪费；当时间小于2h时，则钢坯心部与表面温度不一致，易产生应力差。

在一些优选的实施方式中，第一阶段保温温度为600-610℃，时间为2-2.2h。

在一些更优选的实施方式中，第一阶段保温温度为600℃，时间为2h。

其中，第二阶段保温温度为900-920℃，时间为2-2.5h，借此，使钢坯表面和心部温度保持一致并使碳化物发生逐步溶解，同时，不会因升温太快使表面晶粒异常长大，最终达到表面和心部晶粒大小一致。

在第二阶段保温过程中，当保温温度大于920℃时，则使钢坯表面晶粒长大，与心部晶粒大小不一致；当保温温度小于900℃时，则钢中碳化物不发生溶解，影响最终带状组织的消除效果。当时间大于2.5h时，则会因保温时间长使钢坯表面晶粒长大，并造成能源浪费；当时间小于2h时，则钢坯心部与表面温度达不到一致，易产生应力差。

在一些优选的实施方式中，第二阶段保温温度为900-910℃，时间为2-2.2h。

在一些更优选的实施方式中，第二阶段保温温度为900℃，时间为2h。

其中，第三阶段保温温度为1100-1150℃，时间为10-12h，从而让钢坯中碳化物发生充分溶解，同时在此温度下晶粒没有异常长大。

在第三阶段保温过程中，当保温温度大于1150℃时，则晶粒发生异常长大；当保温温度小于1100℃时，则碳化物不能充分溶解。当时间大于12h时，则表面晶粒异常长大；当时间小于10h时，则碳化物不能充分溶解。

一些优选的实施方式中，第三阶段保温温度为1100-1120℃，时间为10-11h。

在一些更优选的实施方式中，第三阶段保温温度为1100℃，时间为10h。

其中，第三阶段保温结束后，将钢坯空冷将至350℃以下，优选为320℃以下，最优选为≤300℃。

其中，本发明采用台车式热处理炉对钢坯进行热处理。

优选的，第三阶段保温结束后台车快速开出热处理炉，使钢坯全截面方向的温度空冷降至≤300℃以下。

在一些优选的实施方式中，从所述第一阶段保温温度到所述第二阶段保温温度的加热速度≤100℃/h。当加热速度大于100℃/h时，则钢坯表面温度会升高快，造成表面温度与心部温度不一致，形成热应力。

在又一些优选的实施方式中，从所述第二阶段保温温度到所述第三阶段保温温度的加热速度≤120℃/h。当加热速度大于120℃/h时，则钢坯表面温度会升高快，造成表面温度与心部温度不一致，形成热应力且表面晶粒会长大明显。

经实践，本发明的消除Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢带状偏析的热处理方法，采用三级温度梯度保温试验，能够使Cr-Ni-Mo齿轮锻坯全截面方向碳化物带状偏析消除，表面和心部晶粒一致，晶粒无异常长大，同时保证良好的横纵向同向性能。

另一方面，本发明还提供了一种Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢，其采用上述的热处理方法进行处理。

优选的，按重量百分比计，所述Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢包括：C 0.15％-0.21％、Si≤0.40％、Mn 0.50％-0.90％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.50％-1.80％、Mo 0.25％-0.35％、Ni 1.40％-1.70％、Cu≤0.20％，其余为铁及不可避免的杂质。

所述Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢的牌号为18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo、27CrNiMo中的一种，优选为18CrNiMo7-6。

经检测，采用本发明的热处理方法对Cr-Ni-Mo高铁齿轮钢处理后，钢坯中无带状偏析，经淬、回火热处理后具有良好的横纵向同向性能，横纵向性能比可达到0.90以上。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。

实施例1

钢坯规格为：250mm(直径)×6000mm(长)的高铁齿轮18CrNiMo7-6。

钢坯热处理前组织照片见图9。

钢坯成分如下：C：0.15wt％、Si：0.21wt％、Mn：0.54wt％、P：0.005wt％、S：0.002wt％、Cr：1.56wt％、Mo：0.27wt％、Ni：1.51wt％、Cu：0.01wt％。

钢坯热处理步骤依次如下：

钢坯进台车式热处理炉温度：600℃；

20：00钢坯入台式热处理炉，钢坯入炉后炉温下降至370℃，经过40min炉温升回至600℃；

20：40开始第一温度台阶保温计时；

22：40保温结束后，设定炉温升温速度为100℃/h，次日1：40炉温升到900℃；

1：40开始第二温度台阶保温计时；

3：40保温结束后，设定炉温升温速度为120℃/h，5：20炉温升到1100℃；

5：20开始第三温度台阶保温计时；15：20出炉空冷，次日2：20钢坯温度为263℃。

性能分析

钢坯经热处理后Φ250mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取金相试样，试样经磨抛后用硝酸酒精腐蚀，在光学显微镜下观察带状偏析组织，根据GB/T13299评级为0级，如图10所示。

钢坯经热处理后在Φ250mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取横、纵向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，冲击缺口为“V”型，横纵向冲击值比为0.95。如表1所示。

表1横、纵向冲击值

实施例2

钢坯规格为：300mm方(截面)×4300mm(长)的27CrNiMo

钢坯热处理前组织照片见图11。

钢坯成分(％)如下：C 0.26、Si 0.29、Mn 0.81、P 0.002、S 0.001、Cr 1.00、Mo0.27、Ni 1.13、V 0.04、Cu 0.01。

钢坯热处理步骤依次如下：

钢坯进台车式热处理炉温度：610℃

19:20钢坯入台式热处理炉，钢坯入炉后炉温下降至290℃，经过74min炉温升回至610℃；

20:34开始第一温度台阶保温计时；

22:45保温结束后，设定炉温升温速度为100℃/h，次日1:45炉温升到910℃；

1:45开始第二温度台阶保温计时；

3：12保温结束后，设定炉温升温速度为120℃/h，5：45炉温升到1110℃；

5:45开始第三温度台阶保温计时；16：00出炉空冷，次日7：30钢坯温度为230℃。

性能分析

钢坯经热处理后在300mm方27CrNiMo钢坯对角线1/4处取金相试样，试样经磨抛后用硝酸酒精腐蚀，在光学显微镜下观察带状组织，评级为0级，如图12所示。

钢坯切成200mm方试块，经热处理后在27CrNiMo钢坯对角线1/4处取横、纵向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，冲击缺口为“U-5mm深”型，横纵向冲击值比为0.94。如表2所示。

表2横、纵向冲击值

实施例3

钢坯规格为：150mm(直径)×6000mm(长)的高铁齿轮18CrNiMo7-6。

钢坯热处理前组织照片见图13。

钢坯成分如下：C：0.16wt％、Si：0.23wt％、Mn：0.57wt％、P：0.006wt％、S：0.003wt％、Cr：1.59wt％、Mo：0.27wt％、Ni：1.50wt％、Cu：0.01wt％。

钢坯热处理步骤依次如下：

钢坯进台车式热处理炉温度：600℃；

9:00钢坯入台式热处理炉，钢坯入炉后炉温下降至380℃，经过36min炉温升回至600℃；

9:36开始第一温度台阶保温计时；

11:40保温结束后，设定炉温升温速度为100℃/h，次日2:40炉温升到900℃；

2:40开始第二温度台阶保温计时；

4:50保温结束后，设定炉温升温速度为120℃/h，6:30炉温升到1110℃；

6:30开始第三温度台阶保温计时；16:35出炉空冷，次日1:30钢坯温度为255℃。

性能分析

钢坯经热处理后在Φ150mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取金相试样，试样经磨抛后用硝酸酒精腐蚀，在光学显微镜下观察带状偏析组织，根据GB/T13299评级为0级，如图14所示。

钢坯经热处理后在Φ150mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取横、纵向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，冲击缺口为“V”型，横纵向冲击值比为0.92。如表3所示。

表3横、纵向冲击值

对比例

钢坯规格为：250mm(直径)×6000mm(长)的高铁齿轮18CrNiMo7-6。

钢坯成分如下：C：0.17wt％、Si：0.27wt％、Mn：0.56wt％、P：0.010wt％、S：0.002wt％、Cr：1.55wt％、Mo：0.29wt％、Ni：1.52wt％、Cu：0.01wt％。

钢坯锻造完热退火，钢坯退火热处理步骤依次如下：

钢坯进台车式热处理炉温度：120℃；

11:20钢坯入台式热处理炉随炉加热，经过6.5h温度升至690℃；

17:50开始690℃温度台阶保温计时；

次日9:36保温结束后，设定炉温降温速度为60℃/h，3:00炉温降到400℃；

3:00出炉空冷至室温。

性能分析

钢坯经热处理后在Φ250mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取金相试样，试样经磨抛后用硝酸酒精腐蚀，在光学显微镜下观察带状偏析组织，根据GB/T13299评级为0级，如图15所示。

钢坯经热处理后在Φ250mm高铁齿轮钢坯1/2半径处取横、纵向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，冲击缺口为“V”型，横纵向冲击值比为0.56。如表4所示。

表4横、纵向冲击值

本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应视为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。