[发明专利]齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种齿轮钢材料生产工艺及其装置，特别是涉及一种轮钢轧材扎后热处理方法及其装置，应用于齿轮钢产品生产制造领域。

背景技术

齿轮钢是制造汽车变速箱、驱动后桥等传动零部件的关键材料，对包括带状组织在内的各项冶金指标均有很高的要求。齿轮钢中的带状组织，是指沿轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与珠光体为主的带彼此堆叠而成的组织形态，是钢材内部缺陷。带状组织的存在会使钢材的力学性能呈各向异性，沿着带状方向的性能优于其横向性能，即垂直带状方向塑性、冲击韧性和断面收缩率显著降低。含带状组织的齿轮钢切削加工时会加速刀具的磨损，渗碳过程会造成渗碳层不均匀，淬火过程中条带之间会产生内应力，容易引起齿轮的淬火畸变甚至产生裂纹。

Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系列是容易形成带状组织的齿轮钢种，尤其对于大规格方坯生产的直径在100mm以上的Cr-Mo，Cr-Ni-Mo系列齿轮钢棒材，普遍存在较严重的带状组织，且不易消除，一般要求带状组织≤3级。

枝晶偏析是带状组织形成的根本原因。齿轮钢钢液在凝固过程以树枝状方式长大，由于选分结晶导致枝晶干和枝晶间化学成分不均匀，枝晶间后凝固富集较多的C、Mn、Cr、Mo等合金元素，而枝晶干位置先凝固合金元素偏低。在铸坯轧制时粗大枝晶沿变形方向拉长，逐渐与变形方向一致，形成碳和合金元素的贫化带和富集带，在轧后缓慢冷却过程铁素体优先在合金元素贫化带形核，并向两侧合金元素富集带排碳，最后富集带形成珠光体，从而形成铁素体+珠光体带状组织。

通常通过优化连铸工艺、轧前对铸坯进行长时间高温均匀化退火，降低合金元素偏析程度，以减轻带状组织。但在连铸阶段改善枝晶偏析程度非常有限，高温均匀化过程铸坯烧损严重，高能耗，不理想。此外公布号为CN101381803A实用新型专利提出控制不同轧制工艺及参数减轻带状组织级别，但对于大规格棒材适用性较差，且不同钢铁企业受生产装备和条件限制，实际工艺实施难以进行。当前生产技术装备下，降低轧后冷速会加速带状组织的级别，提高冷速有利于改善带状组织。公布号为CN102876868A提出高温均匀化，增大奥氏体晶粒，轧后冷床入口处进行风冷提高低碳锰钢性能和均匀性。但对于淬透性较高的Cr-Mo及Cr-Ni-Mo等系列齿轮钢极易得到贝氏体组织导致硬度偏高，增加了齿轮钢的下料难度，降低了刀具使用寿命。齿轮钢的最佳切削硬度范围在160-230HB,现行棒材轧后控冷不足，夏季冷速慢带状组织严重，冬季冷速快棒材硬度偏高，组织性能不稳定，因此现行齿轮钢生产工艺难以满足高品质齿轮钢钢种的生产要求，采用传统轧后冷床空冷工艺齿轮钢带状级别一般只能控制在2.5级左右，见图5，从微观金相照片可见，齿轮钢带状倾向依然比较明显。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法及轧后在线控冷冷床装置，尤其适用于大规格连铸坯轧制且轧制参数不易调整条件下生产规格为φ40~200mm的齿轮钢棒材，带状组织能控制在2级以内，提高齿轮钢棒材组织均匀性，同时满足齿轮钢棒材下料加工的硬度要求。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种齿轮钢带状组织与硬度在线控制方法，控制齿轮钢棒材终轧温度为900～980℃，轧后采用三段冷却方式控制齿轮钢棒材的轧后冷速，完成三段冷却处理工艺的齿轮钢棒材最终制成齿轮钢材料成品，其冷却处理工艺的具体工艺过程为：

a. 第一段预冷却工艺过程：使轧后高温齿轮钢棒材首先进行空冷，将齿轮钢棒材表面温度冷至800~830℃，目的在于降低棒材因轧制引起的心表温差，使齿轮钢棒材预冷停留130s以上，将齿轮钢棒材的心表温差控制在150℃以内，同时延长高温区停留时间增大奥氏体晶粒为6.5~8级，为后段控冷做准备；

b．第二段强制冷却工艺过程：对经过第一阶段预冷却工艺过程的齿轮钢棒材再进行强制风冷，棒材快速穿过Fe-C相图上的α+γ两相区，有效抑制高温区先共析铁素体的带状析出，控制齿轮钢棒材表面温度风冷至620~680℃，根据齿轮钢棒材的钢种和规格确定齿轮钢棒材的终冷温度、冷却速度、强制冷却停留时间和冷风对流强度；