CN111778443A - 一种非调质钢及其制造汽车转向节的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非调质钢及其制造汽车转向节的方法，其各组分含量的质量百分比为：C：0.35～0.39％；Si：0.50～0.70％；Mn：1.30～1.55％；P≤0.015％；S：0.015～0.060％；Cr：0.10～0.30％；V：0.10～0.15％；Al：0.01～0.05％；Nb：0.020～0.035％；Ti：0.015～0.035％；N：0.015～0.020％；Ni≤0.25％；Mo≤0.10％；Sn≤0.03％；Cu≤0.20％；其余为Fe及杂质。本发明通过一种易切削高强高韧性微合金化非调质钢代替41CrS4(或42CrMo)调质钢用于汽车转向节的控锻控冷制造工艺的实施，取消了调质热处理工序，降低成本10～20％，同时还改善了转向节的切削加工性能，其技术水平达到国际先进水平。

Description

一种非调质钢及其制造汽车转向节的方法
技术领域
本发明涉及汽车金属材料加工应用领域，具体属于一种非调质钢及其制造汽车转向节的方法。
背景技术
非调质钢是通过微合金化、控轧(锻)控冷等强韧化方法，取消了调质热处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量结构钢，是非调质中碳微合金结构钢的简称，又称微合金化钢，其发展是在20世纪70年代因石油危机的推动发展起来的，非调质钢开发应用的主要驱动力是其成本大幅降低：①非调质钢是在中碳锰钢中添加少量的微合金化元素Nb、V、Ti、B等，通过析出强化或细晶强化来提高钢材的使用强度。它不需要太多提高淬透性的Cr、Mo、Ni等贵重合金元素，合金成本明显降低；②取消了调质热处理工艺，节约了能源，提高了零件的生产制造效率；③铁素体+珠光非调质钢，通过加硫冶炼改善了切削加工性能，大幅度减少了零件的加工费用。
非调质钢由于具有一系列优点，在汽车工业得到广泛的应用，国外的德国、瑞典和日本对非调钢的研究与应用比较好，1972年德国THYSSEN公司开发了第一个热锻微合金化中碳钢49MnVS3(铁素体+珠光体，抗拉强度Rm＞850MPa) 代替40CrMn调质钢主要用作奔驰汽车发动机曲轴，大众公司用27MnSiVS6非调质钢制造的轿车连杆年产250万件左右，德国目前汽车行业中曲轴、连杆、半轴、转向节、转向臂等锻件70％以上采用非调质钢制造；瑞典Volvo汽车制造厂每年约消耗3万吨非调质钢制造汽车零部件；美国福特、意大利菲亚特及俄罗斯伏尔加汽车都采用非调质钢来制造曲轴、连杆等零件。在新品种与新技术的开发及推广方面，近几年日本占领了世界领先地位，日本目前汽车制造业中90％以上的曲轴、连杆均已采用了非调质钢制造。
乘用车连杆、曲轴、转向节、前轴、半轴等非调质钢进行开发并扩大应用数量和范围，其抗拉强度Rm在600～900MPa，与国外发达国家相比应用数量，种类及高性能还有较大差距，特别是在重型汽车高性能热锻非调钢的应用领域还有一定差距。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种非调质钢及采用非调质钢制造汽车转向节的方法，为克服现有技术中高性能非调质钢开发及工业应用扩展的问题，该非调质钢型号命名为37MnSiVSQ。
本发明的技术方案如下：
一种非调质钢37MnSiVSQ，各组分的质量百分比为：
C：0.35～0.39％；Si：0.50～0.70％；Mn：1.30～1.55％；P≤0.015％；S：0.015～0.060％； Cr：0.10～0.30％；V：0.10～0.15％；Al：0.01～0.05％；Nb：0.020～0.035％；Ti：0.015～0.035％；N：0.015～0.020％；Ni≤0.25％；Mo≤0.10％；Sn≤0.03％；Cu≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，其成分还含有H和O，含量为：H≤2.0ppm，O≤15ppm。
进一步地，非调质钢37MnSiVSQ冶炼步骤如下：
S11：电炉或转炉炼钢；
S12：钢包精炼LF；
S13：钢包真空脱气VD或RH；
S14：连铸；
S15：控轧控冷。
进一步地，非调质钢37MnSiVSQ的微观组织主要为铁素体和珠光体。
进一步地，铁素体的体积百分含量为10～30％，奥氏体平均晶粒度6～10级，珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
一种汽车转向节，采用非调质钢37MnSiVSQ制造，步骤如下：
S21：冶炼非调质钢37MnSiVSQ；
S22：控锻控冷锻造；
S23：机加工。
进一步地，步骤S22：控锻控冷锻造中，具体包括以下步骤：
S22～1：下料；
S22～2：感应加热；
S22～3：镦粗；
S22～4：预成型；
S22～5：成型；
S22～6：切边；
S22～7：校正；
S22～8：控制冷却；
S22～9：堆冷；
S22～10：抛丸。
进一步地，步骤S22～8在完成所述步骤S22～7后立即进行，控制冷却速度 2～5min/S冷至550～650℃，然后堆冷缓慢冷至室温。
本发明具有以下有益效果：
1.通过本发明一种非调质钢37MnSiVSQ的冶炼制备的非调质钢，力学性能优秀，其力学性能抗拉强度Rm＝850～1100MPa,屈服强度Rel≥580MPa,延伸率 A≥10％，断面收缩率Z≥25％，冲击功AKu≥41J；
2.通过本发明一种非调质钢37MnSiVSQ的冶炼制备的非调质钢，可实现窄成分和高纯洁度冶炼控制，并实现大压缩比(压缩比≥12)和低温控轧(控制终轧温度800～900℃)控冷工艺的实施，获得高强高韧性非调质钢的性能。
3.采用本发明非调质钢37MnSiVSQ代替41CrS4(或42CrMo)制造汽车转向节的方法，取消了传统的调质热处理工序，降低成本10～20％，同时还改善了转向节的切削加工性能，其技术水平达到国际先进水平。
附图说明
图1是本发明的一种非调质钢制造的汽车转向节轴杆1/2R部位金相组织图。
图2是本发明的一种非调质钢制造的汽车转向节轴杆1/2R部位带状组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种非调质钢37MnSiVSQ，各组分的质量百分比为：
C：0.35～0.39％；Si：0.50～0.70％；Mn：1.30～1.55％；P≤0.015％；S：0.015～0.060％； Cr：0.10～0.30％；V：0.10～0.15％；Al：0.01～0.05％；Nb：0.020～0.035％；Ti：0.015～0.035％；N：0.015～0.020％；Ni≤0.25％；Mo≤0.10％；Sn≤0.03％；Cu≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，其成分还含有H和O，含量为：H≤2.0ppm，O≤15ppm。
其成分设计原理如下所述：
C：0.35％～0.39％，决定非调质钢(37MnSiVSQ)强度的重要元素。保证钢的强度，碳是最有效且成本廉价的元素，能够与强碳化物形成元素V、Ti、Nb、 Mo等结合形成碳化物起到沉淀强化和细晶强化的作用，既有利于钢材强度增加，又有利于阻止再结晶，提高再结晶温度；碳含量提高可增加珠光体体积分数，结果具有较高的强度但是韧性较低，因此综合考虑成本和钢材性能，将C的含量限定在0.35％～0.39％范围内。
Si：0.50％～0.70％，提高非调质钢韧性的重要元素，对钢水脱氧具有良好作用。大部分微合金化非调质钢Si的含量大约在0.30％左右，提高Si含量既可以显著固溶强化铁素体，又可以促进铁素体的形成，有利于提高韧性，但Si含量大于0.80％时降低该钢的疲劳强度，易使钢中形成带状组织，使横向性能低于纵向性能，因此综合考虑，将Si的含量限定在0.50％～0.70％。
Mn：1.30～1.55％，提高非调质钢的强度，改善韧性的重要合金元素。Mn元素还可以提高VC和VN在奥氏体中的溶解度，有助于其在铁素体中析出，当Mn 含量＞1.0％时，有利于细化珠光体，并减小珠光体片层间距，使珠光体中渗碳体片的厚度减薄，改善钢的韧性，但当Mn含量≥2％时，将提高该钢珠光体的体积分数，降低韧性，因此综合考虑，将Mn的含量限定在1.30～1.55％。
S：0.015～0.060％，改善切削性能，S与Mn结合形成的硫化物具有显著提高切削性能的效果，非调质钢通过添加硫并进行钙或碲的处理可以获得一种有利的硫化物形状和分布，该硫化物呈断粒状分布在晶内，在高温锻造(或热轧)时具有一定的塑性，可以避免锻压(或热轧)成型的热脆性，利于成型；钢经锻压(或热轧)成型后微观组织形成了较多的韧窝结构，在后续切削加工时，刀具切削到该区域由于受力不均而使得铁屑呈“C”形断落，从而避免铁屑缠绕刀具致刀具早期磨损现象，可实现自动化加工排屑功能。增加硫含量还可提高晶间铁素体含量从而改善韧性，依据切削性的要求综合考虑将S的含量限定在0.015～0.060％。
Cu：≤0.20％，改善钢的耐蚀能力，非调质钢可通过添加Cu来提高钢材的强度，但当Cu含量＞0.2％时，易产生“铜脆”现象，在高温锻造过程中易产生锻造裂纹，Cu与其他合金元素相比，相对成本较高，因此综合考虑钢材性能和成本因素，将Cu含量限定在≤0.20％。
Ni：≤0.25％，提高钢的强度，降低钢的低温脆性的重要合金元素，可以强化铁素体并降低共析珠光体的碳含量，细化和增多珠光体，还可以提高钢的疲劳强度，降低钢的缺口敏感性，Ni与其他合金元素相比，相对成本较高，因此综合考虑钢材性能和成本因素，将Ni含量限定在≤0.25％。
Cr：0.10％～0.30％，提高非调质钢强度的重要合金元素，同时对塑韧性影响不大。
Mo：≤0.10％，细化晶粒，提高非调质钢强度的作用，Mo与Cr结合可大大提高非调质钢的淬透性，还可以提高钢的冲击韧性。但当Mo＞0.1％时易出现铁素体δ相或其他脆性相而降低非调质钢的韧性，综合考虑将Mo含量限定在≤0.1％。
Al：0.01～0.05％，钢液中加入适量的Al，可以生成稳定的AlN，能够拟制 Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大，钢液中Al、Ti、或V进行固氮处理后使氮固定在AlN、TiN或VN中进行析出强化，Al的含量一般限定在0.01～0.05％。
N：0.015％～0.020％非调质钢中经济有效的微合金化元素，非调质钢的冶炼通过增氮处理促进VN粒子大量析出(与碳相比，氮与钒有更强的亲和力，且氮化物更稳定)，可有效细化奥氏体晶粒，促进晶内铁素体(IGF)的析出，有效的分割粗大的珠光体团，提高非调质钢的冲击韧性，并且还能促进钢中V(C、N) 的析出，有效钉扎奥氏体～铁素体晶界，细化了铁素体组织。对微钛处理非调质钢，增氮还提高TiN颗粒的稳定性，阻止奥氏体晶粒长大，充分利用廉价而丰富的氮，可节约贵重金属钒合金，降低非调质钢的成本。含钒非调质钢中较为经济可靠的增氮方法是采用美国钒公司开发的钒氮合金(Nitrovan)添加剂：包含80％V，12％或16％N，8％或4％C，该方法添加方便，钒氮回收率高，一般钒的回收率达到95％，氮的回收率达到70％，应用Nitrovan12,每增加0.01％V可带入钢中10ppm的氮，因此，钒氮合金Nitrovan是非调质钢的一种经济又有效的添加剂。
V：0.10％～0.15％，非调质钢最常用也是最有效的强化元素。在Nb、V、Ti 三种微合金化元素中，V具有较高的溶解度，在钢中通过形成细小析出相主要起沉淀强化和细晶强化的作用。V还是钢的脱氧剂，与O和N都具有很大的亲和力，也是强碳化物元素形成VC，VC在非调质钢中弥散度很高，且稳定，由于 VC高度弥散分布可阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊接性。但当V＞0.3％时，钢的回火脆性增大，综合考虑将V的含量限定在0.10％～0.15％。
Nb：0.020％～0.035％，添加Nb元素并通过奥氏体未再结晶区的低温轧制既有利于V(C，N)在晶界内及位错上大量的弥散析出，为铁素体提供了大量形核位置，可获得均匀细小的先共析铁素体，细化了非调质钢晶粒，提高了强度，又增加了未再结晶区宽度，改善了轧制工艺性，其中Nb(C，N)在轧钢时可以“钉扎”晶界，且固溶Nb由于其原子半径比Fe大得多，在晶界富集浓度可达到 1％以上(原子比)，而晶内较低，使Nb具有强烈的“拖拽”晶界移动的能力，这两种作用让Nb具有阻止晶粒长大的效果。采用Nb～V～Ti复合微合金化可促进Nb(C，N)析出并钉扎晶界，拟制终轧或终锻过程中奥氏体的再结晶，使奥氏体再结晶终止温度可上升到950℃，使奥氏体向铁素体转变温度下降，利于先共析铁素体的晶粒细化。Nb～V～Ti微合金化非调质钢经850～900℃奥氏体未再结晶区低温轧制或锻造(变形率＞20％)可降低珠光体片层间距至50～100nm和渗碳体层片厚度至30～100nm，从而显著提高了非调质钢的高强高韧性。Nb～V～Ti复合微合金化非调质钢在900～1100℃之间的热加工道次之间不发生再结晶，也可通过累加变形量使奥氏体晶粒达到高形变而成薄“铁饼”状，在轧后控冷阶段γ→α转变时为α形核提供大量晶界面，通过提高γ晶粒的非再结晶形变量来提高相变后的铁素体晶粒度，提高非调质钢的强韧性。综合考虑将Nb的含量限定在 0.020％～0.035％。
Ti：0.015％～0.035％，非调质钢重要的微合金化元素之一，在Nb、V、Ti微合金化碳氮化物中，TiN最稳定，对控制奥氏体晶粒长大最有效，当氮含量达到150～200ppm时，钢中Ti：N接近或低于1：1，TiN有效的控制晶粒长大的粗化温度可提高到1300℃以上。钢中增氮减少了TiN颗粒在高温奥氏体中的溶解，阻碍了其通过Ostald熟化机制的长大过程，从而提高了TiN颗粒的稳定性。但其含量不易过高，不然TiN颗粒粗大，不仅不能够阻止晶粒长大，而且会损害钢的切削加工性能和疲劳寿命，综合考虑将Ti的含量限定在0.015％～0.035％。
上述的一种非调质钢37MnSiVSQ，其冶炼步骤如下：
S11：电炉或转炉炼钢；
S12：钢包精炼LF；通常，LF是在ASEA～SKF法和VAD法的基础上改进而来的，它采用氩气搅拌，在大气下用石墨电极埋弧加热，再加上白渣精炼技术，组合而成；
S13：钢包真空脱气VD或RH；通常，VD是VacuumDegassing的缩写，是最早的真空脱气设备，主要由钢包、真空室、真空***组成，基本功能就是抽真空使钢水脱气。
S14：连铸；
S15：控轧控冷。通过上述组分方案和冶炼方法制得的非调质钢，微观组织基体为珠光体+铁素体(见附图1)，不允许存在马氏体+贝氏体；珠光体为片层状珠光体，铁素体为断续网状铁素体；珠光体相比例≥75％；其晶粒度为6～10级；，带状组织≤2.5级(见附图2)；该非调质钢微观组织包括在基体内部及晶界处弥散分布的析出物V(C，N)颗粒，还包括AlN,Nb(C,N),Ti(C，N)等析出物；其力学性能抗拉强度Rm＝850～1050MPa,屈服强度Re0.2≥600MPa,延伸率A≥12％，断面收缩率Z≥25％，冲击功AKu≥30J。
冶炼出的非调质钢37MnSiVSQ的微观组织主要为铁素体和珠光体。
其中，铁素体的体积百分含量为10～30％，奥氏体平均晶粒度6～10级，珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
一种汽车转向节，采用非调质钢37MnSiVSQ制造，步骤如下：
S21：冶炼非调质钢37MnSiVSQ；
S22：控锻控冷锻造；
S23：机加工。
具体地，步骤S22：控锻控冷锻造，包括以下步骤：
S22～1：下料；
S22～2：感应加热；
S22～3：镦粗；
S22～4：预成型；
S22～5：成型；
S22～6：切边；
S22～7：校正；
S22～8：控制冷却；
S22～9：堆冷；
S22～10：抛丸。
上述的S22～8：控制冷却在完成所述S22～7：校正后立即进行，控制冷却速度2～5min/S冷至550～650℃，然后堆冷缓慢冷至室温。
实施例2
使用本发明的一种非调质钢37MnSiVSQ制造汽车转向节的方法：
冶炼非调质钢37MnSiVSQ：通过电炉或转炉炼钢→钢包精炼LF→钢包真空脱气VD→连铸→控轧控冷制备
Figure RE-GDA0002061142370000091
圆钢；
对上述冶炼制造出的非调质钢37MnSiVSQ控锻控冷锻造：
对制造的非调质钢37MnSiVSQ圆钢进行锯切下料→感应加热→镦粗→预成型→成型→切边→校正→控制冷却→堆冷→抛丸，其中锻造控锻控冷工序中，工件在锻造校正后立即进行强风冷却，控制冷却速度冷至550℃～650℃堆冷缓慢冷至室温，制得转向节毛坯；
最后对转向节毛坯进行机械加工。
上述的非调质钢37MnSiVSQ质量百分比为：
C：0.35；Si：0.70；Mn：1.54；P：0.005；S：0.060；Cr：0.12；V：0.10； Al：0.039；N：0.0177；Nb：0.026；Ti：0.034，Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03； Cu≤0.20，其余为Fe及不可避免的杂质。
【O】＝13.5ppm，【H】＝1.4ppm；终锻温度为850～900℃，并进行力学性能检测分析：抗拉强度Rm＝930MPa,屈服强度Re0.2＝640MPa,延伸率A＝21％，断面收缩率Z＝51％，冲击功AKu＝60J。
本实施例为本发明的最优实施例。
实施例3
与实施例2不同的是，其非调质钢37MnSiVSQ质量百分比为：C：0.39； Si：0.56；Mn：1.36；P：0.010；S：0.04；Cr：0.26；V：0.15；Al：0.02；N： 0.0150；Nb：0.020；Ti：0.015，Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20，其余为 Fe及不可避免的杂质。
【O】＝15.7ppm，【H】＝1.1ppm；终锻温度为1000～1050℃，并进行力学性能检测分析：抗拉强度Rm＝970MPa,屈服强度Re0.2＝673MPa,延伸率A＝18％，断面收缩率Z＝24％，冲击功AKu＝38J。
实施例4
与实施例2不同的是，其非调质钢37MnSiVSQ质量百分比为：C：0.39； Si：0.56；Mn：1.36；P：0.010；S：0.04；Cr：0.26；V：0.15；Al：0.02；N：0.0150；Nb：0.020；Ti：0.015，Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20，其余为 Fe及不可避免的杂质。
【O】＝15.7ppm，【H】＝1.1ppm；终锻温度为920～950℃，并进行力学性能检测分析：抗拉强度Rm＝880MPa,屈服强度Re0.2＝638MPa,延伸率A＝20％，断面收缩率Z＝50％，冲击功AKu＝52J。
实施例5
与实施例2不同的是，其非调质钢37MnSiVSQ质量百分比为：C：0.39； Si：0.56；Mn：1.36；P：0.010；S：0.04；Cr：0.26；V：0.15；Al：0.02；N： 0.0150；Nb：0.020；Ti：0.015，Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20，其余为 Fe及不可避免的杂质。
【O】＝15.7ppm，【H】＝1.1ppm；终锻温度为850～900℃，并进行力学性能检测分析：抗拉强度Rm＝903MPa,屈服强度Re0.2＝635MPa,延伸率A＝22％，断面收缩率Z＝46％，冲击功AKu＝60J。
实施例6
与实施例2不同的是，其非调质钢37MnSiVSQ质量百分比为：C：0.38； Si：0.60；Mn：1.43；P：0.009；S：0.024；Cr：0.16；V：0.10；Al：0.010；N： 0.0150；Nb：0.020；Ti：0.015，Ni≤0.25；Mo≤0.10；Sn≤0.03；Cu≤0.20，其余为 Fe及不可避免的杂质。
【O】＝11ppm，【H】＝1.1ppm；终锻温度为870～920℃，并进行力学性能检测分析：抗拉强度Rm＝927MPa,屈服强度Re0.2＝656MPa,延伸率A＝20％，断面收缩率Z＝45％，冲击功AKu＝32J。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非调质钢，其特征在于，各组分的质量百分比为：
C：0.35～0.39％；Si：0.50～0.70％；Mn：1.30～1.55％；P≤0.015％；S：0.015～0.060％；Cr：0.10～0.30％；V：0.10～0.15％；Al：0.01～0.05％；Nb：0.020～0.035％；Ti：0.015～0.035％；N：0.015～0.020％；Ni≤0.25％；Mo≤0.10％；Sn≤0.03％；Cu≤0.20％；其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种非调质钢，其特征在于，其成分还含有H和O，含量为：H≤2.0ppm，O≤15ppm。
3.根据权利要求1所述的一种非调质钢，其特征在于，冶炼步骤如下：
S11：电炉或转炉炼钢；
S12：钢包精炼LF；
S13：钢包真空脱气VD或RH；
S14：连铸；
S15：控轧控冷。
4.根据权利要求3所述的一种非调质钢，其特征在于，所述非调质钢命名为：37MnSiVSQ，所述非调质钢的微观组织主要为铁素体和珠光体。
5.根据权利要求4所述的一种非调质钢，其特征在于，所述铁素体的体积百分含量为10～30％，奥氏体平均晶粒度6～10级，所述珠光体为微细珠光体形态，珠光体片层间距≤200nm。
6.一种汽车转向节，采用权利要求1～5任一所述的非调质钢制造，其特征在于，步骤如下：
S21：冶炼非调质钢；
S22：控锻控冷锻造；
S23：机加工。
7.根据权利要求6所述的一种汽车转向节，其特征在于，
所述S22：控锻控冷锻造中，具体包括以下步骤：
S22～1：下料；
S22～2：感应加热；
S22～3：镦粗；
S22～4：预成型；
S22～5：成型；
S22～6：切边；
S22～7：校正；
S22～8：控制冷却；
S22～9：堆冷；
S22～10：抛丸。
8.根据权利要求7所述的一种汽车转向节，其特征在于，所述步骤S22～8在完成所述步骤S22～7后立即进行，控制冷却速度2～5min/S冷至550～650℃，然后堆冷缓慢冷至室温。
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