CN111101069A - 汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法 - Google Patents

汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法，其中，所述汽车、发动机传动零件用钢材在钢中加入适量的锰、铬、钼等微合金元素，合金含量较低，钢液纯净，具有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃，制备方法中，热处理后能得到较高表面硬度和疲劳性能，冲击韧度等，可用于制造汽车、发动机传动零件等。

Description

汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢材制备技术领域，特别提供了一种汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法。
背景技术
传统汽车、发动机零件制备工艺如下：电炉冶炼—VOD精炼—连铸—高速棒线材生产线—冷拔—热处理—无缝管，厚度规格为2.0mm～10.0mm。传统汽车、发动机零件存在冷变形时塑性低、焊接性能差、疲劳寿命低以及价格昂贵的问题。
传统的汽车、发动机传动零件制造成本高，使企业的经济效益被大幅压缩，面临生存危机，亟需研究开发能满足汽车、发动机传动零件专用钢材实际生产制造和性能要求的替代材料，以降低企业生产成本。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种汽车、发动机传动零件用钢材及其制备方法，以解决现有汽车、发动机传动零件用钢材成本高、性能差的问题。
本发明一方面提供了汽车、发动机传动零件用钢材，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.30～0.40wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：0.60～1.0wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.020wt％、Cr：0.80～1.20wt％、Mo：0.15～0.35wt％、Al：0.015～0.055wt％、N：0.0010～0.0050wt％、Ca：0.0010～0.0050wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明另一方面提供了上述汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁、钼铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.030％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤15ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1240℃，保温时间为30～40分钟；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤600℃，冷却模式采用第六组开冷，间歇冷却模式；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～950℃淬火、400～500℃回火，得目标钢材。
优选，步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
进一步优选，步骤6)中，还包括F1、F2机后小除鳞的步骤。
进一步优选，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5。
本发明提供的汽车、发动机传动零件用钢材，在钢中加入适量的锰、铬、钼等微合金元素后，可在钢材表面形成致密、附着性很强的氧化层，能够阻碍外部气体和氧化物往里扩散，保护氧化层下面的基体，在保护层和钢材基体表面间形成约20μm～50μm厚的氧化物致密层，这层致密氧化层阻止外界环境空气中氧和水向钢基体渗入，防止钢铁材料氧化层的侵蚀，提高了钢铁材料的耐磨损能力，从而提高钢材的耐疲劳性能。该钢材在化学成分设计上，合金含量较低，钢液纯净，在保证强塑性的基础上，节约成本，提高其市场竞争力，同时也能节省大量合金成本。
下面给出钢材中各成分的作用：
C是提高钢的强度的元素，为使钢材的强度达到1000MPa以上的水平，需要含有0.30wt％以上的C含量，同时还要保证具有良好的耐磨性能、焊接性能、冲压性能和耐疲劳性能等，因此，本发明中将C的含量控制在0.30～0.40wt％。
P是抑制钢冷脆性最有效的合金元素之一，它在钢中能加速钢的均匀溶解和Fe2+的氧化速率，有助于在钢表面形成致密氧化物保护膜，成为腐蚀介质进入钢基的保护屏障。钢中的P含量超过0.020wt％会使韧性大幅下降，造成冷脆性增加，因此，本发明将P的含量控制在0.003～0.020wt％之间。
Cr含量的提高有利于细化晶粒，Cr、Mo复合强化，能够提高钢材的耐疲劳性能，在钢材表面形成Cr2O3致密的氧化层，提高钢的钝化能力，当氧化层/金属界面的α～FeOOH中Cr含量超过5％时，能有效抑制腐蚀性阴离子的侵入；同时添加Cr元素还可以阻止Fe3+向Fe2+的转化，提高钢材的耐磨性能和疲劳性能，本发明将Cr的含量控制在0.80～1.20wt％的范围。
Si通常作为脱氧剂添加，可同时提高钢材的强度，同时还可以提高钢材表面的黏附性能，提高钢的耐磨性和疲劳性能。然而，当添加超过0.4wt％会使钢材韧性下降，因此，本发明将Si含量控制在0.10～0.40wt％之间。
Ca加入钢中可以改善钢的整体耐磨性能，在钢中加入微量Ca，可以形成CaO和CaS复合化合物，促进氧化层转化为致密、保护性好的保护性覆膜。本发明将Ca的含量控制在0.0010～0.0050wt％。
Mn能提高钢材的强度，是提高淬透性的主要元素之一，可以在一定程度上提高钢的耐磨性能和疲劳性能，然而，用量过多会降低钢材的韧性和焊接性，因此，本发明将其含量控制在0.60～1.0wt％。
S对钢的耐疲劳性能起不良作用，但是与锰、铬和钼等复合可以形成氧化层，提高钢材的耐磨性能和疲劳性能，本发明将其含量控制在0.003～0.010wt％之间。
Al是钢中重要的脱氧剂，往钢水中添加一定量的铝，铝和氧在高温条件下，反应生成三氧化二铝，以残渣的形式漂浮在钢水表面，清除残渣控制钢水中的含氧量，可以有效地减少钢中的杂质，改善钢的品质，起着重要的作用。本发明中，将其含量控制在0.015～0.055wt％之间。
N：钢材在冶炼过程中能够脱去部分的有害气体杂质及机械杂质，改善钢的性能，提高钢材的质量，如果N含量过高会影响钢材的冲击韧性，引起失效硬化。因此，本发明将其含量控制在0.0010～0.0050Wt％。
本发明提供的汽车、发动机传动零件用钢材具有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃；热处理后能得到较高表面硬度和疲劳性能，冲击韧度等，主要用于制造汽车、发动机传动零件等。
本发明提供的汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，利用ERW管代替无缝管，解决了现有的传动件冷变形时塑性低、焊接性能差以及价格昂贵的问题。本发明提出的钢材合理选用化学成分并合理配比，结合轧制工艺设计，生产的热轧钢板用于制造ERW直缝焊管，再经热处理后能得到较高表面硬度和耐疲劳性能，冲击韧度等，可用于生产车辆和发动机的传动件，如：汽轮发电机的转子、主轴、重载荷的传动轴，大断面零件等。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
本发明提供了一种汽车、发动机传动零件用钢材，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.30～0.40wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：0.60～1.0wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.020wt％、Cr：0.80～1.20wt％、Mo：0.15～0.35wt％、Al：0.015～0.055wt％、N：0.0010～0.0050wt％、Ca：0.0010～0.0050wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明还提供了上述汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁、钼铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.030％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤15ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；优选，浇钢过程投入轻压下功能；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃，板坯热过热装，剩余板坯放库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1240℃，保温时间为30～40分钟，能够充分保证合金元素的完全融解，使高强钢在轧制时有较好的强塑积以及良好的板形，满足轧制工艺要求，控制加热炉炉膛气氛，减少铸坯氧化铁皮的生成，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；调整精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤600℃，可获得较细小均匀的组织，冷却模式采用第六组开冷，间歇冷却模式；还可以根据带钢表面的实际情况，选择性的投入F1、F2机后小除鳞；同时，优化调整机架间冷却水量的控制，优选，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5，能够改善钢材的金相组织和物理性能，提高最终产品质量；通过合理的加热温度、较高的终轧温度、中温卷取温度等措施保证板形优良；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～950℃淬火、400～500℃回火，得目标钢材。
实施例1
按如下质量百分比制备汽车、发动机传动零件用钢材：C：0.30～0.40wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：0.60～1.0wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.020wt％、Cr：0.80～1.20wt％、Mo：0.15～0.35wt％、Al：0.015～0.055wt％、N：0.0010～0.0050wt％、Ca：0.0010～0.0050wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
制备方法如下：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁、钼铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.030％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤15ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；浇钢过程投入轻压下功能；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃，板坯热过热装，剩余板坯放库内缓冷区；
5)加热炉加热
加热温度为1200℃，保温时间为40分钟，能够充分保证合金元素的完全融解，使高强钢在轧制时有较好的强塑积以及良好的板形，满足轧制工艺要求，控制加热炉炉膛气氛，减少铸坯氧化铁皮的生成，保证加热温度均匀，为保证板型提供基础；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；调整精轧模型的负荷分配，保证轧制稳定性；终轧温度：850℃；卷取温度500℃，可获得较细小均匀的组织，冷却模式采用第六组开冷，间歇冷却模式；还可以根据带钢表面的实际情况，选择性的投入F1、F2机后小除鳞；同时，优化调整机架间冷却水量的控制，其中，步骤6)中，精轧压缩比≥4.5，能够改善钢材的金相组织和物理性能，提高最终产品质量；通过合理的加热温度、较高的终轧温度、中温卷取温度等措施保证板形优良；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850℃淬火、400℃回火，得目标钢材。
实施例2
按如下质量百分比制备汽车、发动机传动零件用钢材：C：0.30～0.40wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：0.60～1.0wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.020wt％、Cr：0.80～1.20wt％、Mo：0.15～0.35wt％、Al：0.015～0.055wt％、N：0.0010～0.0050wt％、Ca：0.0010～0.0050wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
步骤5)中，加热温度为1240℃，保温时间为30分钟；
步骤6)中，终轧温度：900℃；卷取温度：600℃；
步骤8)中，淬火温度为950℃、回火温度为500℃。
对比例1
采用背景技术中的制备工艺制备无缝管：
电炉冶炼—VOD精炼—连铸—高速棒线材生产线—冷拔—热处理—无缝管。
分别对实施例1和实施例2制得的符合目标组分范围的钢材与对比例1制得的钢材进行性能测试。
测试结果如下表所示：
牌号 屈服强度R<sub>t0.5</sub> 抗拉强度R<sub>m</sub> 伸长率％A
标准 ≥850 ≥1000 ≥7
实施例1 915 1180 15
实施例2 905 1150 14
对比例1 880 1055 8
结论：本发明提供的钢材在力学性能上，各项指标达到要求，且富余量较充足；疲劳性能、冲击韧性、焊接性能，达到用户使用要求；同时，成本较低，成品质量和成品率较高，具有很好的经济效益。

Claims (5)

1.汽车、发动机传动零件用钢材，其特征在于，按质量百分比，由如下成分组成：C：0.30～0.40wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：0.60～1.0wt％、S：0.003～0.010wt％、P：0.003～0.020wt％、Cr：0.80～1.20wt％、Mo：0.15～0.35wt％、Al：0.015～0.055wt％、N：0.0010～0.0050wt％、Ca：0.0010～0.0050wt％，其余为Fe和其他不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)铁水预处理
对铁水进行预处理，保证入炉铁水中S的质量比≤0.003％，扒净渣后入转炉；
2)转炉冶炼
采用精料废钢与铁水进行冶炼；转炉拉碳一次命中、避免点吹；出钢采用高锰、硅铁、钼铁，出钢前钢包氩气吹扫，控制出钢口、避免散流，钢包中Als的质量含量为0.010～0.030％；钢包中N≤30ppm；
3)LF精炼
LF处理过程保持微正压，增N量≤15ppm；LF采用活性石灰、萤石造还原渣，控制吹氩强度，避免钢液裸露；采用硅钙线钙处理，喂CaSi线400米～500米，使夹杂物充分球化，改善产品性能；
4)连铸
全程进行保护浇注，开浇前采用氩气吹扫中包，浇注过程做到无钢液裸露，严格控制水口吸N，控制增N≤4ppm；采用高碱度中包渣，以便钢中夹杂物的去除；浇钢过程保持恒拉速；连铸过热度控制目标不大于30℃；
5)加热炉加热
加热温度为1200～1240℃，保温时间为30～40分钟；
6)热连轧轧制、卷取，得钢板
荒轧选择3+3模式控制；终轧温度：≥850℃；卷取温度≤600℃，冷却模式采用第六组开冷，间歇冷却模式；
7)ERW制管
利用步骤6)得到的钢板进行ERW制管，得ERW直缝焊管；
8)热处理
对步骤7)制得的ERW直缝焊管进行850～950℃淬火、400～500℃回火，得目标钢材。
3.按照权利要求2所述的汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，其特征在于：步骤4)中，浇钢过程投入轻压下功能。
4.按照权利要求2所述的汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，其特征在于：步骤6)中，还包括F1、F2机后小除鳞的步骤。
5.按照权利要求2所述的汽车、发动机传动零件用钢材的制备方法，其特征在于：步骤6)中，精轧压缩比≥4.5。
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CN101514433A (zh) * 2007-03-16 2009-08-26 株式会社神户制钢所 低温冲击特性优异的汽车用高强度电阻焊钢管及其制造方法
CN101845596A (zh) * 2009-03-24 2010-09-29 宝山钢铁股份有限公司 一种x80管线钢用宽厚板及其制造方法
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Patent Citations (5)

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