CN104264040A - 一种非调质钢及其制造方法以及采用该非调质钢制造的曲轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非调质钢，其化学元素质量百分配比为：C：0.37-0.43％；Si：0.55-0.65％；Mn：1.46-1.56％；V：0.07-0.13％；Nb：0.015-0.035％；N：0.012-0.017％；余量为铁和其他不可避免的杂质；其中C、Mn和V元素还满足C+Mn+V≥1.95％。本发明还公开了一种非调质钢的制造方法。另外，本发明还公开了一种曲轴，其采用本发明所述的非调质钢制成。本发明所述的非调质钢及采用其制成的曲轴具有优良的强韧性。

Description

一种非调质钢及其制造方法以及采用该非调质钢制造的曲轴

技术领域

本发明涉及一种冶金产品及其制造方法，尤其涉及一种非调质钢及其制造方法。

背景技术

汽车曲轴用非调质钢是在中、低碳锰钢中添加合金元素，通过工艺控制，使得钢中发生细晶强韧化，沉淀析出强化以及相变强化作用，使其强度达到调质钢的水平，同时又具有一定的塑韧性。

非调质钢起源于第二次石油危机，在节能减排的动力推动下结合微合金化技术，德国蒂森公司开发了第一个非调质锻钢49MnVS3。随后国外的钢铁公司建立了一系列的非调质钢，并形成了国际标准牌号，近年来日本研究非调质钢最为活跃，处于世界先进水平。我国于20世纪90年代相继开发了F45MnV、F35MnVN、35MnVS、40MnVS等非调质钢。近几年来，国内众多汽车公司先后采用35MnVS、38MnVTi、42VS、40MnVS等非调质钢来代替55钢、40MnB、45钢、40Cr钢，以应用于CA6102连杆、CA141半轴、滑动叉、轻型车扭臂等零件的试验研究。

从汽车产业的发展来看，随着汽车行业越来越重视环保减重，非调质钢在汽车零部件上的应用也将越来越多，越来越广泛。发明人通过对国内外非调质钢标准牌号的性能对比中发现，随着非调质钢的强度升高，其塑性指标均会产生下降，当其抗拉强度超过800MPa时，其延伸率下降到了12％。

公开号为CN1730703A，公开日为2006年2月8日，名称为“一种非调质碳素结构钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种非调质碳素结构钢及其制造方法，其中，该结构钢的各元素成分(wt.％)为：C：0.42-0.50％，Si：0.17-0.37％，Mn：0.50-0.80％，V：0.03-0.30％，Ti：0.005-0.040％，N：0.005-0.020％，Al：0.005-0.050％，S≤0.035％，P≤0.035％，余量为Fe。该专利文献所涉及的结构钢通过复合微合金化作用，并结合相应的控轧控冷工艺来改善非调质钢强度有余而韧性不足的缺陷。

公开号为CN101275199A，公开日为2008年10月1日，名称为“高性能低成本非调质钢”的中国专利文献公开了一种非调质钢，其化学元素质量百分含量为(wt.％)的成份组成：C:0.30-0.55、Si:0.2-0.8、Mn:0.8-1.7、P:0.0001-0.02、S:0.0001-0.15、N/Al:0.2-1.8，余量由Fe及不可避免的杂质。上述中国专利文献所公开的非调质钢利用Ti、Al的固溶及弥散强化来提高钢的强度。在该专利文献中公开了N/Al＝0.2-0.18，并加入一定量的Ti，但是对于车用轴类零件来说，钢中的Al含量较高，容易在钢中形成Al的氧化物类夹杂，从而造成发纹类的缺陷发生，进而影响了钢材料的疲劳性能。

公开号为CN101603155A，公开日为2009年12月16日，名称为“汽车轴头用微合金非调质钢”的中国专利文献也公开了一种非调质钢，其各化学元素的质量百分含量为：C：0.27-0.37、Si：0.15-0.35、Mn：0.80-1.40、P：0-0.030、S：0.040-0.070、Cr：0.30-0.80、V：0.08-0.18、Cu：0-0.30、Ni：0-0.20；以及余量为Fe和不可避免的杂质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非调质钢，其兼具有较高的强度和较高的塑韧性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非调质钢，其化学元素质量百分配比为：

C：0.37-0.43％；

Si：0.55-0.65％；

Mn：1.46-1.56％；

V：0.07-0.13％；

Nb：0.015-0.035％；

N：0.012-0.017％；

余量为铁和其他不可避免的杂质；

其中C、Mn和V元素还满足C+Mn+V≥1.95％。

本技术方案中不可避免的杂质主要是指P元素和S元素。P作为钢中的有害元素，理论上是越低越好，在本技术方案中可以将P元素的含量控制在0.025wt.％以下。S是热脆性元素，对于锻造曲轴来说，其含量不宜过多，同时当S元素较高时，会降低材料的横向冲击性能，因此，在本技术方案中可以将S元素的含量控制在0.025wt.％以下。

本发明所述的非调质钢中的各化学元素的设计原理为：

C：C对钢的强韧性影响较大，钢的塑韧性随着C含量的增加而降低，为此，C含量越低则钢的塑韧性越好。不过，C元素又是保证钢的强度的重要元素。如果C含量较低时，其强度不足，当C的含量控制在0.37-0.43wt.％时，既能保证钢具有较高的强度，同时其塑韧性又不会出现明显的降低。

Si：Si是提高钢的强度的合金元素。在其它元素一定的情况下，通过增加Si元素，能够在一定程度上提高钢的强度，但是随着Si含量的进一步增加，容易在钢中生成马氏体组织，鉴于此，对于本发明所述的非调质钢来说，需要将Si含量控制在0.55-0.65wt.％。

Mn：Mn除了作为合金元素能够提高强度之外，在一定的范围含量之内添加Mn还对提高钢的韧性有一定的帮助。当Mn含量较低时，其提高强度的表现不足，当Mn含量较高时，即超过一定的范围含量时，既不利于提高钢的韧性，也不利于提高钢的强度。故而，将本发明所述非调质钢中Mn元素的含量控制为1.46-1.56wt.％。

V：V是重要的析出强化元素。向钢中加入V含量过低，其强化效果并不明显。适量添加V含量可以在不影响钢的塑韧性的情况下，在铁素体和奥氏体中的析出物能够大幅度地提高了钢材料的强度，不过，添加太多的V就会增加合金添加成本，为此，在本发明的非调质钢中的V含量的控制范围为0.07-0.13wt.％。

Nb：向钢中添加的Nb元素所形成的NbN或Nb(N、C)，由于熔点较高，是稳定的第二相粒子，能够阻止奥氏体再结晶时的晶粒长大，起到细化晶粒的作用。可是当Nb含量低于0.015wt.％时，在锻造过程中抑制晶粒长大的作用并不明显，当Nb含量超过0.035wt.％时，在晶界上析出的粒子过多而弱化了晶界，降低了材料的韧性，对于此，需要将本发明的非调质钢中的Nb元素含量控制为0.015-0.035wt.％。

N：N与合金元素V、Nb等容易生产氮化物或氮碳化物，将晶粒细化，进而通过析出强化来提高钢的强韧性；反之，钢中的N含量过高，则容易产生空隙缺陷。基于此，本发明所述的非调质钢中N的含量应该控制在0.012-0.017wt.％的范围之间。

在本发明的技术方案中，C、Mn和V是非调质钢的主要强化元素。发明人通过实验发现，当C+Mn+V<1.95％时，微观组织中的铁素体含量较高，由此获得的非调质钢的强度不足。也就是说，如果不能满足上述约束条件，本技术方案中的钢就无法达到本案所要求达到的强度。

进一步地，本发明所述的非调质钢中的微观组织为铁素体+珠光体。

更进一步地，上述铁素体的体积百分数为10-17％。

更进一步地，上述微观组织还包括在晶界和/或晶内析出的Nb的化合物。Nb的化合物在晶界析出可以起到细化晶粒的作用，而其在晶内析出则可以促进晶内铁素体的形成。

更进一步地，上述析出的Nb的化合物为NbN和/或Nb(N、C)。

由于NbN和/或Nb(N、C)的析出物的熔点较高，是稳定的第二相粒子，其能够阻止奥氏体再结晶时的晶粒长大，起到细化晶粒的作用，从而提高了材料的韧性。

进一步地，本发明所述的非调质钢的抗拉强度≥880MPa，延伸率≥16％，面缩率Z≥35％，纵向冲击功AKv≥30J。

本发明所述的非调质钢添加了微合金元素，例如，通过N的复合微合金化，结合Nb、N和V的析出强化和细晶强化的作用，在保证钢材料塑韧性的前提下，大幅度地提高了钢材料的强度水平。

此外，本发明的目的还在于提供一种涉及以上的非调质钢的制造方法，其包括步骤：冶炼→精炼→模铸→轧制→锻造→热处理→控制冷却；其中，在上述控制冷却步骤中，以20-30℃/min的速度冷却到650-700℃，然后空冷。

在上述各化学元素成分的合理设计的基础上，本发明所述的非调质钢的制造方法通过采用热处理步骤并控制冷却速度和冷却温度的工艺，在不降低钢材料塑韧性的前提下来提高钢材料的强度。

进一步地，在本发明所述的非调质钢的制造方法中，在上述热处理步骤中，进行890-920℃的正火热处理。

进一步地，在本发明所述的非调质钢的制造方法中，在上述锻造步骤中，控制终锻温度为920-960℃，以获得锻坯。

更进一步地，在本发明所述的非调质钢的制造方法中，在上述轧制步骤中，控制终轧温度为950-1000℃。

相应地，本发明还提供了一种采用由上文所述的非调质钢制成的曲轴。本发明所述的曲轴兼具优良的塑韧性和较高的强度，适合应用于汽车领域的相关零部件的制造。

较之于现有技术中的非调质钢，本发明所述的非调质钢兼具有较高的强度和优良的塑韧性，其抗拉强度(Rm)≥880Mpa，屈服强度(RP0.2)≥550Mpa，延伸率(A)≥16％，面缩率(Z)≥35％，纵向冲击性能(AKv)≥30J。

本发明所述的非调质钢的制造方法由于采用了控冷工艺，在保证非调质钢塑韧性的基础上提高了该非调质钢的强度，使得非调质钢既具有较高的强度，又具有良好的塑韧性能。此外，通过本发明所述的非调质钢的制造方法所获得的非调质钢特别适用于生产制造汽车领域中的曲轴等汽车热锻零部件。本发明所述的曲轴兼具有较高的强度和优良的塑韧性。

附图说明

图1显示了C+Mn+V之和对本发明所述的非调质钢的抗拉强度的影响走势图。

图2显示了C+Mn+V之和对本发明所述的非调质钢的延展率的影响走势图。

图3显示了C+Mn+V之和对本发明所述的非调质钢的冲击韧性的影响走势图。

图4显示了钢中Si元素含量超过了本案限定的范围时，钢的微观组织。

图5为本发明实施例A3中的非调质钢的微观组织图。

具体实施方式

下面将根据具体实施例和说明书附图对本发明所述的非调质钢及其制造方法以及由该非调质钢制成的曲轴做出进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

图1-图3显示了F＝C+Mn+V对钢的强韧性的影响，从图1-图3中可以看出钢的强度指标随着F值的增大而增大，而钢的延伸率和纵向冲击功随着F值的增大而降低。当C+Mn+V<1.95％时，组织中的铁素体含量较高，强度不足870MPa，因此根据本技术方案的发明目的，需要将F值限定为≥1.95％，而之所以没有限定F值的上限是因为本案已经通过限定C、Mn、V各元素的上限来保证了钢种满足塑韧性指标。因此本技术方案在满足C+Mn+V≥1.95％，同时满足C0.37-0.43％，Mn1.46-1.56％，V0.07-0.13％时，能够在满足塑韧性要求的同时满足强度要求。

实施例A1-A7以及对比例B1

按照下述步骤制造实施例A1-A7和对比例B1中的非调质钢：

1)冶炼：控制冶炼时出钢温度约为1640-1660℃；

2)精炼：精确控制实施例A1-A7和对比例B1中的各化学元素的质量百分配比如表1所示；

3)模铸：控制模铸开始温度为1530-1560℃，并铸成坯件；

4)轧制：控制铸坯进行热轧，控制终轧温度为950-1000℃；

5)锻造：控制终锻温度为920-960℃，以获得锻坯；

6)热处理：对锻坯进行正火热处理，控制正火热处理的温度为890-920℃；

7)控制冷却：以20-30℃/min的速度冷却到650-700℃，然后空冷。

最终获得实施例A1-A7和对比例B1中的非调质钢，各步骤中具体工艺参数详细参见表2。

表1列出了本案实施例A1-A7和对比例B1中的非调质钢的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt.％，余量为Fe和除了P和S元素之外的其他不可避免的杂质)

*注：F＝C+Mn+V，其中，C、Mn和V元素的含量均为质量百分含量。

图4显示了钢中Si元素含量超过了本案限定的范围时(图3中的钢的Si元素含量为0.7wt％)，钢的微观组织。从图4中可以看出，由于Si元素的含量超过了0.65wt.％，使得钢中出现了马氏体组织，有损于钢的塑韧性。

表2列出了本案实施例A1-A7和对比例B1的非调质钢的制造方法的工艺参数。

表2.

表3列出了本案实施例A1-A7中的非调质汽车曲轴钢的力学性能参数。

表3.

从表3中可以看出，虽然对比例B1与本案各实施例A1-A7的纵向冲击功指标差别不大，但是其屈服强度只有520Mpa，抗拉强度只有800Mpa，远低于本案实施例，由此可见对比例不能实现强度和塑韧性的兼顾。而本技术方案的实施例A1-A7中的非调质钢具有较高的屈服强度和抗拉强度，优良的延伸率，优良的面缩率Z和较好的冲击性能AKv，能够实现强度和塑韧性的兼顾。

图5显示了本发明实施例A3的非调质钢的微观组织。如图5所示，该非调质钢的微观组织为铁素体和珠光体，同时有少量的Nb的化合物析出，Nb化合物在晶界析出起到了细化晶粒的作用，而其在晶内析出则可以促进晶内铁素体的形成。

与现有技术中的非调质钢相比较，本发明所述的非调质钢的塑韧性水平能够达到与之相同的水平，并且其强度明显高于现有的非调质钢的强度水平。

通过本发明所述的非调质钢制成的曲轴能够满足汽车轻量化对高强韧性材料的要求。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种非调质钢，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：C：0.37-0.43％；Si：0.55-0.65％；Mn：1.46-1.56％；V：0.07-0.13％；Nb：0.015-0.035％；N：0.012-0.017％；余量为铁和其他不可避免的杂质；其中C、Mn和V元素还满足C+Mn+V≥1.95％。

2.如权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，其微观组织为铁素体+珠光体。

3.如权利要求2所述的非调质钢，其特征在于，所述铁素体的体积百分数为10-17％。

4.如权利要求2所述的非调质钢，其特征在于，所述微观组织还包括在晶界和/或晶内析出的Nb的化合物。

5.如权利要求4所述的非调质钢，其特征在于，所述析出的Nb的化合物为NbN和/或Nb(N、C)。

6.如权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，其抗拉强度≥880MPa，延伸率≥16％，面缩率Z≥35％，纵向冲击功AKv≥30J。

7.如权利要求1～6中任意一项所述的非调质钢的制造方法，其特征在于，包括步骤：冶炼→精炼→模铸→轧制→锻造→热处理→控制冷却；其中，在所述控制冷却步骤中，以20-30℃/min的速度冷却到650-700℃，然后空冷。

8.如权利要求7所述的非调质钢的制造方法，其特征在于，在所述热处理步骤，进行890-920℃的正火热处理。

9.如权利要求7所述的非调质钢的制造方法，其特征在于，在所述锻造步骤中，控制终锻温度为920-960℃。

10.如权利要求7所述的非调质钢的制造方法，其特征在于，在所述轧制步骤中，控制终轧温度为950-1000℃。

11.一种曲轴，其采用如权利要求1～6所限定的非调质钢制成。