CN108929997A

CN108929997A - 一种汽车轮毂用轴承钢及其制造方法

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Publication number: CN108929997A
Application number: CN201710383386.2A
Authority: CN
Inventors: 刘湘江; 万根节; 黄宗泽; 马强; 韩纪鹏
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-04
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP2020521053A; KR102314171B1; DE112018002705T5; KR20200003176A; CN108929997B; WO2018214863A1; JP6862578B2

Abstract

一种汽车轮毂轴承钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：碳：0.58～0.61％；硅≤0.15％；锰：0.87～0.95％；铜：0.10～0.25％；钼：0.12～0.18％；铬：0.10～0.20％；硫≤0.015％；磷≤0.015％；铝：0.008～0.015％；氧≤0.0006％；氮：0.006～0.015％；氢≤0.0001％；钛≤0.0015％；其余为铁及不可避免杂质，且，同时满足，C％+Mn％/3＝0.87～0.95，Al/N＝0.85～1.15。本发明轴承钢具有耐腐蚀、晶粒细小、纯洁度高、强韧性性能优良等特点；轴承钢的抗拉强度，800～900MPa，能保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm。

Description

一种汽车轮毂用轴承钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及轴承钢，尤其是指一种汽车轮毂用轴承钢及其制造方法。

背景技术

汽车轮毂轴承的作用是支撑车体和引导车轮旋转，它既承受轴向载荷又承受径向载荷。随着汽车轮毂轴承单元的使用范围和使用量日益增长，如今已经发展到了第三代，第一代是由双列角接触轴承组成；第二代在外滚道上有一个用于将轴承固定的法兰，可简单的将轴承套到轮轴上用螺母固定；第三代轮毂轴承单元是采用了轴承单元和防抱刹***ABS相配合。轮毂单元设计成有内法兰和外法兰，内法兰用螺栓固定在驱动轴上，外法兰将整个轴承安装在一起。第三代轮毂轴承的出现使得轮毂轴承的安装和维修更为方便，对轮毂轴承钢的性能要求也越来越高。

用于制造汽车轮毂轴承的轴承钢一般为中碳轴承钢，如采用S55C，其化学成分为：C:0.52～0.58％，Si:0.15～0.35％，Mn:0.60～0.90％，Cr≤0.20％，P≤0.030％，S≤0.035％，Ni≤0.20％，Cu≤0.30％，Ni+Cr≤0.35％。

随着锻造技术的发展，汽车轮毂毛坯由常规加热炉加热(加热介质：天然气或煤气)+自由模锻生产工艺发展到多工位高速镦锻压力机进行轴承套圈毛坯的热锻生产工艺。

新的高速镦锻工艺采用中频感应加热炉加热和塔锻工艺，塔锻工艺是将单件碾扩镦粗，然后进行塔锻，继而经过分离成外圈和内圈，外圈碾扩、内圈冲孔跚。采用新的高速镦锻工艺具有生产效率高、尺寸精度高、材料成材率高、金属流线分布好、晶粒细化、改善了金属的内部组织，然而对汽车轮毂的轴承钢材料要求更为严格。再进一步，经过某合资汽车品牌市场返回轮毂不良品的解析分类显示，常见的轮毂轴承失效模式有5种，包括疲劳失效、磨损、腐蚀、电蚀、塑性变形、裂纹。因此，轮毂轴承钢必须具有晶粒细小、均匀的硬度、耐腐蚀性能、高的纯净度(包括非金属夹杂物、残余元素和气体)，此外，还应该具有良好的镦锻性能和模具寿命，特别是后道工序的高频淬火不但要获得滚道面730～780HV的硬度，同时还要求具有一定的淬透层深度。

中国专利申请号200710045281.2和中国专利申请号201610001624.4为针对汽车轮毂的轴承钢发明专利。中国专利申请号200710045281.2是在S55C基础上进行优化的中碳碳素轴承钢，为获得较小的滚道面硬度差而缩小碳含量的范围，为细化晶粒尺寸和减少Al2O3类型夹杂物对Al含量进行限定，同时对有害元素Ti进行控制。专利申请号201610001624.4为一种微合金轿车碳素轮毂轴承钢，对用途限定以外主要添加Al元素来细化晶粒。

然而，单纯加入Al来细化晶粒往往不能达到相应的细晶粒效果；现有汽车轮毂轴承钢由于碳含量偏低不能有效改善轮毂轴承滚道面的硬度，相对应轮毂轴承钢棒材来说，中心与边缘的碳偏差过大造成轮毂轴承滚道面的硬度偏差＞50HV；现有的轮毂轴承钢纯净度控制不佳，特别是氧含量、钛含量高造成单颗球状氧化物和氮化钛类型夹杂物超过27μm，造成轮毂轴承滚道面的早期剥落和失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车轮毂轴承钢及其制造方法，该轴承钢具有耐腐蚀、晶粒细小、纯洁度高、强韧性性能优良等特点；所述汽车轮毂轴承钢抗拉强度800～900MPa，能保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

汽车轮毂轴承滚道面高频淬火后的硬度要求为730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm(不包括磨削部分)，硬度偏差≤50HV。要稳定达到以上技术指标，需要控制淬硬层深度和组织的均匀性。成分设计主要合金元素C和Mn需要合理匹配(考虑淬硬层深度和耐磨性能)，同时增加淬透性元素Mo，控制AlN在晶界弥散析出，控制Al和N元素的目的抑制晶粒长大同时还要防止出现Al₂O₃和TiN类型夹杂物出现。添加Mn和Cu元素的合金设计还为了轮毂轴承的耐腐蚀性能，防止局部的点蚀造成工作面的剥落。在晶粒尺寸细化方面的设计还包括选择添加Nb元素，配合轮毂锻造过程的二次晶粒细化可最终获得晶粒细小的组织。

具体的，本发明的一种汽车轮毂轴承钢，其化学成分重量百分比为：碳：0.58～0.61％；硅≤0.15％；锰：0.87～0.95％；铜：0.10～0.25％；钼：0.12～0.18％；铬：0.10～0.20％；硫≤0.015％；磷≤0.015％；铝：0.008～0.015％；氧≤0.0006％；氮：0.006～0.015％；氢≤0.0001％；钛≤0.0015％；其余为铁及不可避免杂质，且，同时满足，C％+Mn％/3＝0.87～0.95，Al/N＝0.85～1.15。

进一步，还包括铌：0.020～0.040％。

又，所述杂质包括：Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％或Ca≤0.0010％。

在本发明钢的成分设计中：

碳：碳元素使韧性恶化，然而，碳元素是保证轴承钢强度和耐磨性能的重要元素，在汽车轮毂轴承钢中为了保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm，必须控制0.58～0.61％的碳含量。

硅：硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，但在本钢种中较高的硅能促使铁素体晶粒粗化。本发明钢中硅控制在≤0.15％。

锰：锰能部分代替铬以保持强度，而且锰是能显著提高淬透性的主要元素。但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大的缺点，对锰的含量应加以控制。本发明钢中，发明钢中添加锰含量为0.87～0.95％并与碳元素配合，保证保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm的主要元素。

Mn和Fe形成固溶体，同时提高铁素体和奥氏体的强度；Mn使组织均匀弱碳化物形成元素，进入渗碳体取代一部分Fe原子。此外，Mn还有提高耐磨性作用。因此，经过计算相的组织和实验的研究，Mn含量控制在0.87～0.95％并与其它元素配合能起到在发明中发挥相应的作用。

铬：铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，发明钢中添加铬0.10～0.20％。

铝：铝是脱氧剂和细化晶粒元素，但试验表明，过多的Al往往会形成Al₂O₃类非金属夹杂物，这些难变形的非金属夹杂物往往会成为疲劳断裂源，影响轴承的抗冲击性能。本钢种中控制成品0.010～0.015％的是显著的技术特征。

铌：典型的细化晶粒元素，选加0.020-0.040％的铌能改善钢材的晶粒尺寸，获得良好的韧性。但，过多的铌往往会造成相应的碳化物聚集，造成韧性的降低。

氮：氮元素是本发明钢重要的合金元素，铝与氮形成AlN、铌与氮形成NbCN等细化晶粒元素在晶界析出获得7～9级的晶粒尺寸，氮含量控制在0.0060～0.015％。

铜：铜元素一般作为有害元素控制，因为铜的缺点是在热加工时容易产生热脆，特别是铜含量超过0.5％塑性显著降低。由于冶炼方式的不同，电弧炉冶炼(原料以废钢为主)往往铜含量在0.10～0.20％无需特殊控制，而转炉冶炼(原料以高炉铁水为主)铜含量一般小于0.05％需要额外添加铜合金。本发明钢中添加0.10～0.25％，能提高强度和韧性，特别是提高了大气腐蚀性能。经过实验室多轮次的实验表明，0.10～0.25％的铜能有效提高汽车轮毂轴承的耐腐蚀性能，特别是减少大气的点蚀，减少轴承的表面剥落。

钼：钼元素能使钢的晶粒细化，提高淬透性，此外还能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。为控制滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm，本发明中控制0.12～0.18％钼能起到相应的作用。

磷、硫、钛：钢中的杂质元素，会显著降低钢的塑性和韧性。特别是磷、钛危害最大，硫≤0.015％，磷≤0.010％，钛≤0.0015％。同时铅、锑、铋、氧是钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量。

本发明所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分采用电弧炉或转炉冶炼、钢包精炼、连铸浇注成铸坯；

2)轧制

铸坯加热，加热炉温度600～900℃，铸坯入炉保温20～40分钟；经过120分钟～200分钟升温至1180～1220℃，保温80～180分钟；

初轧机轧制，将铸坯轧制开坯成方钢坯；

常规轧制将方钢坯轧制至棒材：

方钢坯加热温度1160～1200℃，加热时间80分钟～120分钟；常规

轧制，控制终轧温度760～900℃。

优选的，所述钢包精炼中：炉外精炼炉钢包中加入低碱度合成渣1.5～3kg/t钢水，造渣，采用Al粒进行沉淀脱氧，Si-C粉进行渣面脱氧，每间隔15分钟加入一批，加2～3批，每批加入量0.2-0.8kg/t钢水；炉外精炼炉控制顶渣碱度2～4。

优选的，所述炉外精炼采用低碱度合成渣，合成渣成分重量百分比为：CaO 51～53％，MgO 15～19％，Al₂O₃ 5～11％，SiO₂ 22～24％，P₂O₅≤0.10％，S≤0.05％，H₂O≤0.6％，CaO/SiO₂ 2.08～2.44；合成渣粒度5～20mm。

优选的，进真空脱气前，钢水温度1580～1610℃；真空脱气前喂氮化铬丝，调整氮含量60～150ppm，喂铝丝补铝至0.015～0.025％。

优选的，真空精炼结束后，钢包镇静40分钟以上，软吹Ar，钢液采用连续浇注，控制过热度≤35℃，采用凝固末端轻压下和电磁搅拌技术改善钢材的偏析。

轮毂轴承工作承受较大的载荷，对轮毂轴承钢中不变形的夹杂物异常敏感，冶炼过程中除了控制O、Ti、S、P、H等残余元素必须降低到一定含量一下之外，还必须控制单颗的不变形的球状夹杂物，特别是最大尺寸不能超过27μm。本发明设计个性化的精炼工艺和精炼渣系，控制难变形的夹杂物尺寸和数量。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在钢中加入硅、锰、钼、铜、氮等合金元素并进行相应的成分设计。汽车轮毂轴承钢采用低碱度合成渣精炼有效控制氧化物和氮化钛类型的单颗夹杂物尺寸；采用轻压下和电磁搅拌等工艺手段有效改善偏析。

2、汽车轮毂轴承钢适合最新的高速镦锻工艺，能保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm，抗拉强度，800～900MPa。

3、汽车轮毂轴承钢晶粒度7～9级。

4、汽车轮毂轴承钢纯净度高：单颗最大夹杂物尺寸≤27μm，氧含量≤6ppm，钛含量≤0.0015％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明钢实施例成分将表1、表2，实施例钢的性能参数参见表3。

本发明制备方法采用二步法工艺：第一步：电弧炉(或转炉)初炼→钢包炉真空精炼→浇注铸坯；第二步：轧钢机热加工轧制成材。

第一步，在150吨的电弧炉中进行钢液初炼；相应吨位的钢包精炼；连铸浇注；生产出化学成分符合规定的320mm×425mm方坯。

①初炼炉：初炼炉为电弧炉。初炼炉出钢钢水达到：[P]≤0.015％，[C]≥0.10％，T≥1630℃开始出钢，出钢后期加入适量的合成渣。出钢时在钢包中加入锰铝合金(含Al量为22％)，Mn按100％回收率加到产品成分中上限。

②钢包精炼炉：炉外精炼炉(LF)加热工位，钢包中加入低碱度合成渣2kg/t造渣，采用Al粒进行沉淀脱氧，Si-C粉进行渣面脱氧，根据渣况及钢中硅含量情况调整加入量及加入批次，一般每间隔15分钟加入一批，用量0.2-0.8kg/t，使精炼过程要始终保持脱氧良好。

在LF初期调整低碱度渣，控制精炼炉顶渣碱度3-4。

真空脱气前喂氮化铬丝(调整氮含量60-150ppm)，喂铝丝补铝至0.015～0.025％；进真空脱气前钢液温度1580～1610℃，真空脱气控制低真空度(≤0.3kPa)并保持时间15min；真空结束后温度1530～1560℃。

③浇注：真空精炼结束后，钢包镇静40分钟以上，软吹Ar(Ar压力流量以液面微微颤动为宜)。钢液采用连续浇注，控制过热度≤35℃，采用末端轻压下和电磁搅拌技术改善钢材的偏析。

第二步：铸坯热送进加热炉入炉温度860℃保温35分钟；经过160分钟升温至1260～1280℃；保温160分钟；初轧机按常规轧制工艺，初轧机将合格钢锭轧制开坯成200mm×200mm方钢坯；钢坯转移至轧钢机加热炉加热温度1140℃，加热时间130分钟；终轧温度835℃。

实施本发明生产的汽车轮毂轴承钢轴承钢棒材加工成汽车轮毂轴承，经某外资汽车公司装配到某知名车型，经过测试各项性能均符合使用要求，寿命优于S55C等传统中碳轴承钢。

Claims

1.一种汽车轮毂轴承钢，其化学成分重量百分比为：

碳：0.58～0.61％；

硅：≤0.15％；

锰：0.87～0.95％；

铜：0.10～0.25％；

钼：0.12～0.18％；

铬：0.10～0.20％；

硫：≤0.015％；

磷：≤0.015％；

铝：0.008～0.015％；

氧：≤0.0006％；

氮：0.006～0.015％；

氢：≤0.0001％；

钛：≤0.0015％；

其余为铁及不可避免杂质，且，同时满足，C％+Mn％/3＝0.87～0.95，Al/N＝0.85～1.15。

2.如权利要求1所述的汽车轮毂轴承钢，其特征是，还包括铌：0.020～0.040％。

3.如权利要求1或2所述的汽车轮毂轴承钢，其特征是，所述杂质包括：Pb≤0.002％，As≤0.04％，Sn≤0.005％，Sb≤0.004％或Ca≤0.0010％。

4.如权利要求1或2或3所述的汽车轮毂轴承钢，其特征是，所述汽车轮毂轴承钢抗拉强度，800～900MPa，能保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm。

5.如权利要求1或2所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按权利要求1或2所述的成分采用电弧炉或转炉冶炼、钢包精炼、连铸浇注成铸坯；

2)轧制

铸坯加热，加热炉温度600～900℃，铸坯入炉保温20～40分钟；经过120～200分钟升温至1180～1220℃，保温80～180分钟；

初轧机轧制，将铸坯轧制开坯成方钢坯；

常规轧制将方钢坯轧制至棒材：

方钢坯加热温度1160～1200℃，加热时间80～120分钟；常规轧制，控制终轧温度760～900℃。

6.如权利要求5所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，所述钢包精炼中：炉外精炼炉钢包中加入低碱度合成渣1.5～3kg/t钢水，造渣，采用Al粒进行沉淀脱氧，Si-C粉进行渣面脱氧，每间隔15分钟加入一批，加2～3批，每批加入量0.2-0.8kg/t钢水；炉外精炼炉控制顶渣碱度2～4。

7.如权利要求5所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，所述炉外精炼采用低碱度合成渣，合成渣成分重量百分比为：CaO 51～53％，MgO 15～19％，Al₂O₃ 5～11％，SiO₂22～24％，P₂O₅≤0.10％，S≤0.05％，H₂O≤0.6％，CaO/SiO₂ 2.08～2.44；合成渣粒度5～20mm。

8.如权利要求5所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，进真空脱气前，钢水温度1580～1610℃；真空脱气前喂氮化铬丝，调整氮含量60～150ppm，喂铝丝补铝至0.015～0.025％。

9.如权利要求5所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，真空精炼结束后，钢包镇静40分钟以上，软吹Ar，钢液采用连续浇注，控制过热度≤35℃，采用凝固末端轻压下和电磁搅拌技术改善钢材的偏析。

10.如权利要求5所述的汽车轮毂轴承钢的制造方法，其特征是，所述汽车轮毂轴承钢抗拉强度，800～900MPa，能保证高频淬火滚道面的硬度达到730～780HV，滚道面的淬硬层深度达到2.0～3.5mm。