[发明专利]一种高温渗碳钢、高温渗碳钢构件以及其制备方法

说明书

本发明针对1000℃以上的高温渗碳环境，设计了一种低成本的高温渗碳钢，其化学成分按重量百分比计包括：C：0.16‑0.20％，Si：≤0.04％，Mn：0.75‑0.90％，Cr：1.15‑1.25％，Mo：0.20‑0.30％，Al：0.040‑0.050％，N：0.0120‑0.0180％，P：≤0.025％，S：0.015‑0.025％，O：≤0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。将Al/N比控制在2.0‑4.0，将Si含量控制在较低水平，结合炼钢中的脱氧工艺和连铸中的塞棒曲线控制工艺，即可实现大生产连续浇铸，无需在高温渗碳前进行额外工艺处理，也无需严格控制渗碳前的钢材组织，大大简化了工艺流程。该高温渗碳钢的B类粗系和细系夹杂物以及Ds夹杂物的级别均在0.5以下，在1000℃‑1030℃温度下进行模拟渗碳2‑6h，无混晶出现，将该渗碳钢应用于齿轮等零部件后，可以有效保证其疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及钢铁合金领域，具体地涉及一种高温渗碳钢、高温渗碳钢构件以及其制备方法。

背景技术

国内高温渗碳技术已经在齿轮零部件公司开始应用。大量研究表明，渗碳温度由常规的920-930℃提高至950℃时，渗碳周期可降低30％左右，而渗碳温度提高至1000℃时，渗碳周期可降低55％左右。但是，常用的齿轮钢的渗碳温度达到950℃时，出现了少量粗大的奥氏体晶粒，容易导致齿轮变形极大降低了齿轮使用性能；而渗碳温度1000℃时，出现了大量粗大的奥氏体晶粒，导致齿轮零件报废。

为了使齿轮在高温渗碳后奥氏体晶粒不出现异常粗大，主要是通过添加少量的Nb、Ti、V合金，通过形成Nb(C、N)及Ti(C、N)等质点钉扎晶界，从而抑制奥氏体晶粒长大。而为了降低钢材成本，也有专利技术提出不添加Nb、V、Ti等合金元素，采用添加大量Al、N合金，将Al/N比控制在一个合适范围内，通过形成大量的AlN析出相，抑制奥氏体晶粒长大。

专利JP特開2000-160288A公开了一种渗碳钢，其钢组分的含量按重量百分比计为C 0.15-0.25％，Si 0.8％以下，Mn 1.5％以下，P 0.03％以下，S 0.005-0.03％，Ni 1.8％以下，Cr 1.5％以下，Mo 0.7％以下，Al 0.03-0.07％，Nb 0.03-0.06％，N 0.013％以上，余量为Fe和不可避免的杂质。其渗碳温度虽然可以达到1000℃以上，但该专利的渗碳钢中含有较多的Ni，从而导致成本较高，而且采用微合金Nb抑制钢组织的粗大化，容易导致导致铸坯出现裂纹。

专利JP特開2007-291497A和JP特開2008-189989A均公开了一种可在1000℃以上进行高温渗碳的钢，其钢材的组分为：C 0.1-0.3％，Nb 0.03-0.06％，Ti 0.001-0.003％，V0.005-0.015％，Al 0.06％以下，N 0.0185-0.03％。该钢材采用Nb、V、Ti微合金化抑制钢材组织的粗大化，存在铸坯易出现裂纹的问题。此外，该钢在渗碳前需要严格控制热锻和轧制条件，如热锻时的升温速度和冷却速度，以生成碳氮化物和AlN的析出量在0.01％质量以上，直径在20-80nm的复合碳氮化物总数为300个/1000微米以上的钢材组织，从而增加了生产成本。

专利JP特開2016-199784A公开了一种高温渗碳部件及其制造方法。其钢成分为：C：0.10-0.30％，Si：0.05-1.00％，Mn：0.30-2.00％，P：0.030％以下，S：0.030％以下，Cr：0.30-1.50％，Mo：0.50％以下，Al：0.016～0.060％，N：0.0085-0.030％，含有Fe和不可避免的杂质。其虽然没有添加Nb、V、Ti，降低了开裂风险。但是，该钢材需要在渗碳前的热锻工艺后严格控制以0.5℃/秒或更低的预定冷却速率进行至600至700℃的预定冷却温度，并且在冷却温度下进行加热和保持30分钟或更长时间，以控制珠光体面积和AlN析出量，从而提高了生产成本。