本技术涉及车辆，特别涉及一种合金渗碳钢及其制备方法、合金渗碳钢零部件及车辆。
背景技术：
1、随着我国城际高速公路运输行业的快速发展，商用车用发动机最大功率已超580马力，驱动桥负荷也越来越大，需开发高承载大扭矩机械式/自动式重型变速箱来匹配，以适应市场对可靠性、舒适性、经济性的多重要求。采用现有cr-mn系列渗碳钢生产变速箱轴齿类零件，零件渗碳后晶粒度为7.0～8.0级，抗冲击韧性及接触疲劳强度无法满足大扭矩变速箱中承受高应力零件的工况要求，常会发生高应力零件的早期失效。
2、高温真空渗碳工艺作为环保型绿色热处理技术，不仅可以有效避免常规渗碳淬火出现的表面非马氏体等组织缺陷，显著改善轴齿类零件表面质量，提高其接触疲劳强度，而且与高压气体淬火相结合，可以显著减小渗碳热处理变形，通过提高渗碳温度可减少渗碳时间有效降低能源消耗和气体消耗。然而，高温真空渗碳工艺温度通常在980℃以上，而现有cr-mn系列渗碳钢采用aln细化晶粒，当渗碳温度提高到950℃以上时，会出现晶粒长大，甚至严重的混晶现象，无法满足高温真空渗碳的工艺要求。
技术实现思路
1、本技术提供一种合金渗碳钢及其制备方法、合金渗碳钢零部件及车辆，以解决在晶粒长大，混晶严重的问题。
2、第一方面，本技术提供了一种合金渗碳钢，其化学组成包括nb、al以及基础组分，其中，nb在所述合金渗碳钢中的质量占比为w1，al在所述合金渗碳钢中的质量占比为w2，w1+w2≥0.10％。
3、在本技术的实施例中，通过在合金渗碳钢中添加nb、al，可以生成的尺寸细小、弥散分布、成分可控的氧化物夹杂作为异相析出形核点，使渗碳钢中的夹杂物分布呈现均匀且弥散分布，使钢中传统的夹杂物变害为利，细化了零件组织和晶粒度，将其应用于轴齿类零件的生产中，能够同时提高零件的强度和韧性，从而满足高应力使用工况下的轴齿类产品需求。且nb、al的质量占比之和大于0.1％，保证了钢中总析出相的含量，确保钢在加热过程中有足够的析出相，可起到有效限制晶粒长大的作用，nbc、nbn、nb(c,n)、aln等第二相粒子钉扎晶界的复合作用保证了高温渗碳晶粒度的控制效果，从而控制晶粒的大小，减少混晶的发生。
4、在一些实施例中，0.035％≤w1≤0.065％，w1的取值在此范围内，可以提高nbc、nbn或nb(c,n)析出相的含量，从而控制晶粒的大小，减少混晶的发生；和/或，
5、0.050％≤w2≤0.080％，w2的取值在此范围内，可以使得钢中有足够的al与o结合，形成大量的al2o3夹杂物，通过钙的改质，可作为钢中硫化物的形核核心，使钢中的析出相呈现弥散分布的状态，从而起到组织细化的作用；al对n具有极大的亲和力，al与o结合后剩下的al容易形成aln，在低于980℃时以析出相形式存在，可起到钉扎晶界细化晶粒的作用
6、在一些实施例中，所述合金渗碳钢还包括n，其中，al和n的质量比为(2.5～4)：1，al和n的质量比在此范围内，可以保证钢中存在nbc、nbn或nb(c,n)析出相的同时，还有更多的aln析出相，aln析出相呈现细小均匀的分布特点，在获得初始细小晶粒的同时起到进一步阻碍晶界扩展的作用，从而使得合金渗碳钢能够获得高强度和高韧性相结合的细化组织。
7、在一些实施例中，所合基础组分包括c、si、mn、p、s、cr、n、o及ca。由于钙和铝的存在，铝金属可以生成大量弥散分布的铝氧化物夹杂，钙可以对铝氧化物夹杂改质，并且钙金属溶解于钢水，能更好地与钢水中铝氧化物夹杂接触，起到改质的效果，改质成细小且弥散分布于钢水的复合夹杂物。复合夹杂物可作为硫化物形核核心，形成以铝金属氧化物为核心的复合夹杂物，可促进钢水生成取向杂乱、相互交叉连接的针状铁素体，能够为渗碳钢提供高强度和高韧性相结合的细化组织，从而控制晶粒的大小，减少混晶的发生。同时，钙金属能够与钢水中的氧元素和硫元素形成钙氧化物和钙硫化物，有效去除钢水中的自由氧，钙氧化物和钙硫化物在软吹过程中大量上浮去除，从而降低钢水中氧和硫含量。
8、需要说明的是，在本技术的一些实施例中，合金渗碳钢的化学成分按质量百分数计组成如下：c：0.17％～0.23％，si：0.10％～0.30％，mn：1.05％～1.35％，p：≤0.020％，s：0.015～0.035％，cr：1.10％～1.40％，al：0.050％～0.080％，nb：0.035～0.065％，n：0.012～0.020％，o：0.0015～0.0025％，ca：0.0005～0.0015％，其余为fe及不可避免的杂质元素，为cr-mn系渗碳钢。
9、第二方面，本技术提供了一种合金渗碳钢的制备方法用以制备第一方面的合金渗碳钢，包括以下步骤：
10、将nb原料及基础组分熔炼处理，得熔炼钢水；
11、将熔炼钢水精炼处理，得精炼钢水；
12、将精炼钢水与铝源混合，除氧脱硫，脱气，浇注，得连铸坯；
13、将连铸坯轧制，得合金渗碳钢。
14、通过在合金渗碳钢中添加nb、al，可以生成的尺寸细小、弥散分布、成分可控的氧化物夹杂作为异相析出形核点，使渗碳钢中的夹杂物分布呈现均匀且弥散分布，使钢中传统的夹杂物变害为利，细化了零件组织和晶粒度，将其应用于轴齿类零件的生产中，能够同时提高零件的强度和韧性，从而满足高应力使用工况下的轴齿类产品需求。将精炼钢水与铝源混合可以使钢中形成大量细小的氧化物夹杂物，从而起到细化晶粒的目的。铝金属对弱脱氧钢水中的自由氧进行脱氧处理，生成大量弥散分布的铝氧化物夹杂，并利用钙对铝氧化物夹杂进行改质处理，改质处理后生成细小且弥散分布于钢水的复合夹杂物；且钙金属溶解于钢水，从而能更好地与钢水中铝氧化物夹杂接触，起到改质的效果。在钢水冷却过程中所述的复合夹杂物可作为硫化物形核核心，形成以铝金属氧化物为核心的复合夹杂物，可促进钢水生成取向杂乱、相互交叉连接的针状铁素体，能够为渗碳钢提供高强度和高韧性相结合的细化组织。同时，钙金属能够与钢水中的氧元素和硫元素形成钙氧化物和钙硫化物，有效去除钢水中的自由氧，钙氧化物和钙硫化物在软吹过程中大量上浮去除，从而降低钢水中氧和硫含量。
15、需要说明的是，熔炼处理可以将优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合，采用电炉或转炉熔炼，得到熔炼钢水。精炼处理可以采用钢包炉将所述熔炼钢水进行精炼，全程吹ar搅拌，得到精炼钢水。精炼钢水与铝源混合可以是在精炼工艺结束时保留含氧量，并通过喂入钙铝包芯线(包芯包括41～45wt.％金属钙粉和55～59wt.％的金属铝粉，包覆层为1～3mm的低碳钢或纯铁)，使钢中形成大量细小的氧化物夹杂物，从而起到细化晶粒的作用。真空处理可以将精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气，炉内真空度≤66.7pa，得到真空脱气后的钢水。浇注处理可以将真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，浇注过程控制钢水过热度≤30℃，结晶器电磁搅拌，确保浇注过程无二次污染，得到连铸坯。其中过热度是指钢水的实际温度超过其熔点的温度差值。
16、在一些实施例中，所述将连铸坯轧制，得合金渗碳钢包括：
17、将连铸坯第一次轧制，冷却，得预轧制合金渗碳钢；
18、将预压制合金渗碳钢第二次轧制，得合金渗碳钢；
19、其中，第一次轧制的温度大于第二次轧制的温度。
20、通过两次轧制，且第一次轧制的温度大于第二次轧制的温度，第一次轧制可以使连铸后空冷铸坯中粗大的nb析出物重新固溶，冷却后nbc等析出相呈现细小弥散的分布状态，第二次轧制使钢中nbc等析出量不降低，充分发挥第二相粒子钉扎晶界的作用，抑制晶粒长大，从而起到细化晶粒的作用。
21、在一些实施例中，第一次轧制中：
22、连铸坯的温度为1180～1300℃，可以使钢中的nbc完全固溶；和/或，
23、连铸坯的保温时间为2～4h，可以使钢中的nbc完全固溶；和/或，
24、开轧温度为1150～1260℃，可以使钢中的nbc完全固溶；和/或，
25、终轧温度为1080～1170℃，轧制后空冷可以得到钢中nbc等析出相弥散分布的钢坯。连铸后空冷获得的铸坯含有粗大的nb析出物，钢中的nbc析出相的完全固溶温度为1060℃，当钢坯轧制的加热温度比nbc完全固溶温度高时，粗大的nb析出物在加热中固溶消失；其后，固溶的nb在连铸坯轧制后空冷时，在钢中析出细小的nbc等第二相粒子，从而起到细化晶粒的作用。
26、在一些实施例中，第二次轧制中：
27、预压制合金渗碳钢的温度为720～810℃，可以使连铸坯中的nbc等第二相粒子不致长大，仍保持细小弥散的分布状态，经低温化轧制后微细nbc析出量不降低，在后续生产过程中可充分发挥其钉扎晶界的作用；和/或，
28、预压制合金渗碳钢的保温时间为1.5～3h，可以使连铸坯中的nbc等第二相粒子不致长大，仍保持细小弥散的分布状态，经低温化轧制后微细nbc析出量不降低，在后续生产过程中可充分发挥其钉扎晶界的作用；和/或，
29、开轧温度为690～780℃，可以使连铸坯中的nbc等第二相粒子不致长大，仍保持细小弥散的分布状态，经低温化轧制后微细nbc析出量不降低，在后续生产过程中可充分发挥其钉扎晶界的作用；和/或，
30、终轧温度为640～730℃，可以使连铸坯中的nbc等第二相粒子不致长大，仍保持细小弥散的分布状态，经低温化轧制后微细nbc析出量不降低，在后续生产过程中可充分发挥其钉扎晶界的作用。
31、需要说明的是，为了使圆钢在轧制后能实现缓慢冷却，第二次轧制后上冷床温度控制为610～690℃，可以防止圆钢冷速过快或冷速不均出现组织偏析或不规则弯曲等问题。
32、第三方面，本技术提供了一种合金渗碳钢零部件，包括第一方面的合金渗碳钢，或第二方面的合金渗碳钢的制备方法制备的渗碳钢。
33、需要说明的是，在一些实施例中，将合金渗碳钢加工成合金渗碳钢零部件的方法可以是：
34、锻造：将合金渗碳钢加热至1150℃～1250℃后，经锻造成型为轴齿类零件的红热锻坯，终锻温度控制为1000℃～1100℃。
35、锻造余热奥氏体化：将终锻后的红热锻坯立即转移至加热炉中，保温温度设定为920℃～940℃，保温时间为60～90min，使锻坯充分奥氏体化，得奥氏体化后的锻坯。
36、中冷区快速冷却：将奥氏体化后的锻坯置于中冷区进行吹风强力冷却，风温为30℃～40℃，风速为12～15m/s，平均冷速为60～100℃/min，零件的风冷时间控制在180～300s，避免锻坯中的过冷奥氏体转变为先共析铁素体。
37、等温处理：将中冷后的锻件转移至等温炉中进行等温处理，等温温度设定为520℃～630℃，保温时间为1～2h。
38、出炉冷却：将等温处理后的锻坯出炉空冷。
39、锻坯粗加工→精加工→常规渗碳处理/高温真空渗碳处理→油淬/高压气淬处理→低温回火处理→磨齿→喷丸处理→磷化→成品合金渗碳钢零部件。
40、需要说明的是，合金渗碳钢零部件包括但不限于重载变速箱太阳轮、重载变速箱中间轴、内齿圈、啮合锥环、齿座、齿套类等零件以及发动机曲轴齿轮、凸轮轴齿轮等零件。
41、第四方面，本技术提供了一种车辆，包括第三方面的合金渗碳钢零部件。
1.一种合金渗碳钢，其特征在于，其化学组成包括nb、al以及基础组分，其中，nb在所述合金渗碳钢中的质量占比为w1，al在所述合金渗碳钢中的质量占比为w2，w1+w2≥0.10％。
2.如权利要求1所述的合金渗碳钢，其特征在于：
3.如权利要求1所述的合金渗碳钢，其特征在于，所述合金渗碳钢还包括n，其中，al和n的质量比为(2.5～4)：1。
4.如权利要求1所述的合金渗碳钢，其特征在于，所述基础组分包括c、si、mn、p、s、cr、n、o及ca。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述的合金渗碳钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的合金渗碳钢的制备方法，其特征在于，所述将连铸坯轧制，得合金渗碳钢包括：
7.如权利要求6所述的合金渗碳钢的制备方法，其特征在于，第一次轧制中：
8.如权利要求6所述的合金渗碳钢的制备方法，其特征在于，第二次轧制中：
9.一种合金渗碳钢零部件，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的合金渗碳钢，或如权利要求5至8任意一项所述的合金渗碳钢的制备方法制备的渗碳钢。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求9所述的合金渗碳钢零部件。
