CN111945078A - 一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，钢带材料各质量份额如下：碳1.4‑1.9％、硅≤3.5％、锰1.0‑1.3％、磷0.1≤0.2％、硫0.2≤0.35％、铬0.8‑1.10％、铝0.2‑0.5％、钼≤1％、铜≤0.20％；其制造方法包括如下步骤：步骤1：按照钢带材料各质量份额，根据能影响材料性能的化学成分，选择钢带材料各质量份额含量范围内的碳、磷、硫在相同工艺的情况下进行轧制退火；步骤2：分别选择不同等级的带状组织的热轧卷在相同的工艺条件下进行轧制和退火；步骤3：选取带状组织等级为2.5的热轧母卷，厚度8.0mm母卷，按照不同变形量进行轧制；步骤4：经过轧制后的材料，采取不同温度和保温时间进行退火。实行多次轧制和多次退火工艺，使得零件的结构更加复杂和合理，而且由于强度较低形成性很好，可大幅度提高材料表面的耐磨性。

Description

一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法

技术领域

本发明涉及冷轧钢带技术领域，具体为一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法。

背景技术

汽车的动力源泉就是发动机，而发动机的动力则来源于气缸内部。发动机气缸就是一个把燃料的内能转化为动能的场所，可以简单理解为，燃料在汽缸内燃烧，产生巨大压力推动活塞上下运动，通过连杆把力传给曲轴，最终转化为旋转运动，再通过变速器和传动轴，把动力传递到驱动车轮上，从而推动汽车前进。

汽车摇臂体连杆是用来推动气门打开的装置。由于早期的发动机上用的这个装置外形若如同一根细杆，又称气门挺杆。随着现代汽车发动机技术的发展，更多的轿车发动机采用了顶置凸轮轴结构，在此种结构中，基本取消了那种传统的长气门挺杆，取而代之的是由凸轮轴驱动的结构更为紧凑的液压挺杆，或直接由凸轮轴驱动气门摇臂进而控制气门的开闭。由于连杆与凸轮轴接触，无间隙运行，其寿命要求达到1000万次以上。

发动机工作时，当气门关闭，机油经连杆体侧面的油孔和柱塞的孔道进入住塞腔，推开单阀直入连杆体腔(高压仓)，柱塞便在连杆体的油压及弹簧的作用下上升，压紧气门推杆。发动机一次做功，连杆需连续工作4次，且球体和轴承孔需要承受较高压力，这就意味着材料需要更高的耐磨性，较低的表面缺陷。提高材料表面抗疲劳能力。

摇臂体连杆因为结构复杂，存在180度折弯两处，90度折弯两处，球体一处，轴承孔两处。因此对材料的性能要求较高。包括高延伸率，低屈强比等。

汽车摇臂体连杆因其成型工艺较为复杂，在材料选择上较为考究。国产传统工艺上，选择的材质是35CrMo或者40Cr，冲压成型后调质处理。期发展中，为提高零件表面疲劳寿命，采取表面镀铬的方式。其特点是整体强度高，但由于整体强度高，成形圧力大。国外公司诸如美国伊顿和德国舍弗勒公司，都采取的是16MnCr5优质低合金渗碳钢，利用了低碳低合金的优质成型性能，使得零件的结构更加复杂和合理，而且由于强度较低形成性很好，而且经过渗碳处理后，可大幅度提高材料表面的耐磨性。

当今世界，汽车日益成为人们日常生活中不可缺少的一部分。同时，由于汽车行业在国民经济中基础性、支柱性、先导性和战略性的作用，我国政府和行业主管部门历来都对通信行业的发展十分重视，2015年国内汽车年销售量达到2450万辆；预计2016年强增加至2600万辆以上，无疑会给精冲钢行业带来巨大需求。其中以冷轧钢带为原材料的汽车冲压行业以前生产效率高、质量稳定、成本低成为汽车零部件生产主要发展发展方向。精冲材料因为连续生产，同时受模具限制，因此表面、厚度公差及性能要求都非常高。目前，虽然国际国内都有关于16MnCr5的相关技术标准，但由于零件成型工艺复杂，按照标准内性能指标并不能满足摇臂体连杆的使用范围，此外标准中针对显微组织、微量元素的控制等，并未作出明确规定。由于产品的特殊性，使用常规16MnCr5进行冲压时易发生开裂。因此需要对材料化学成分、显微组织与力学性能指标都需要重新调整，在满足产品性能要求。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，用于解决技术背景提出的虽然国际国内都有关于16MnCr5的相关技术标准，但由于零件成型工艺复杂，按照标准内性能指标并不能满足摇臂体连杆的使用范围，此外标准中针对显微组织、微量元素的控制等，并未作出明确规定的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，钢带材料各质量份额如下：碳1.4-1.9％、硅≤3.5％、锰1.0-1.3％、磷0.1≤0.2％、硫0.2≤0.35％、铬0.8-1.10％、铝0.2-0.5％、钼≤1％、铜≤0.20％；

钢带材料具体要求如下：抗拉强度370-420Mpa、屈服强度260-300Mpa、延伸率>30％、硬度<130HV10、表面粗糙度<Ra0.2、屈强比<0.6、球化率100％；

碳是钢铁材料的主要合金元素，因此钢铁材料也可以称为铁碳合金。碳在合金加工中起着很重要的作用，碳在钢材中的主要作用是：

1.形成固溶体组织，提高钢的强度，如铁素体、奥氏体组织，都溶解有碳元素；

2.形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。如渗碳体，即Fe₃C，就是碳化物组织。

因此，碳在钢材中，含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低。

因此，含碳量的高低决定了钢材的用途：低碳钢(含碳量＜0.25％)，一般用作型材及冲压材料；中碳钢(含碳量＜0.6％)，一般用作机械零件；高碳钢(含碳量＞0.7％)，一般用作工具、刀具及模具等。

硅在炼钢过程中为还原剂和脱氧剂存在，所以镇静钢一般有1.5～3.0％的硅。如果钢中的硅含量超过0.5％就算含有了含硅的合金元素，硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故常用做弹簧钢。合金含量高可提高钢的耐热性和抗腐蚀性，住含硅量在1％～4％的低碳钢，具有极高的导磁性，常用于电器工业和矽钢片。但随着硅含量的增加，会降低钢的焊接性能。

锰(Mn)：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰3.0－0.50％。在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。含锰11－14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

磷(P)：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.45％(该数值是越小越好)，优质钢要求更低些。

硫(S)在钢中一般认为它是残存在钢中的有害兀素之一。硫(S)主要用于降低钢的延展性及韧性，损害钢的抗蚀性，对焊接也有不利影响等。所以在优质钢中，其含量控制在0.45％以下，就是在普通钢中也不得大于0.55％(在侧吹碱性转炉钢中，放宽为不大0.65％)。硫在钢中形成MnS后，在低温轧制时，MnS会沿轧制方向拉伸延长，使钢的各向异性加大，对横向冲击影响严重，对塑性也有较大的影响，特别是对钢板的Z向性能影响很大，严重时导致钢板出现分层。含硫高时，钢板抗H₂S晶间腐蚀能力大大降低，容易出现氢致裂纹。但在某种条件下，害处可以转化为益处，如在含硫易切钢中，就是提高其硫和锰的含量，形成较多的硫化锰(MnS)微粒，以改善钢的切削加工性。砸和碲在周期表中和硫同族，性能颇为相似，在钢中的作用也相似。

为克服钢中硫的危害，必须严格控制钢中硫含量，实现超低硫冶炼，才能满足高品质中厚板的质量要求。

铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08A钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能,合理控制铝(Al)的含量也是比较重要的研究，对优化材料性能、提高材料的整体性能有重要的作用。

铬(Cr)：在结构钢和工具钢中，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，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。铬(Cr)如果在零件的表面可以有效提高其耐磨性，同时铬(Cr)在芯部可以提高零件中心的韧性，含铬(Cr)量高的材料适合扭曲旋转工件的使用，所以对铬(Cr)元素的测量及其控制也是钢材加工的重要因素。

钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变，蠕变是衡量刚才特性的一个重要指标，特别是长期工作在高温的环境下的刚才，对此元素要进行精密细致的研究才可以，钼(Mo)的多少直接影响材料在高温环境下工作的使用寿命，所以其在衡量原料性能方便至观重要。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。

铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5％塑性显著降低。当铜含量小于0.50％对焊接性无影响。所以在加工钢材的时候需要根据需求设置铜(Cu)的含量，可提高材料的耐腐蚀性，同时对铜(Cu)元素的控制可以有效控制材料的可塑性，对材料的综合性能的提高有显著意义。

其制造方法包括如下步骤：

步骤1：按照钢带材料各质量份额，根据能影响材料性能的化学成分，选择钢带材料各质量份额含量范围内的碳、磷、硫在相同工艺的情况下进行轧制退火，进行抗拉强度试验、屈服强度试验、延伸率试验、硬度测试、表面粗糙度测试、屈服比测试和球化率分析，确定材料是否符合钢带材料具体要求；

步骤2：分别选择不同等级的带状组织的热轧卷在相同的工艺条件下进行轧制和退火，确保冷轧钢带满足钢带材料具体要求；

步骤3：选取带状组织等级为2.5的热轧母卷，厚度8.0mm母卷，按照不同变形量进行轧制，采取相同的退火工艺进行退火，锁定最佳形变量(最佳变形量以变形最小为标准)；

步骤4：经过轧制后的材料，采取不同温度和保温时间进行退火，锁定最佳退火温度和退火时间。此处根据对材料的要求采取不同温度和保温时间进行退火。

退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。准确的说，退火是一种对材料的热处理工艺，包括金属材料、非金属材料。而且新材料的退火目的也与传统金属退火存在异同。

为提高本发明的实用性优选的，适于汽车摇臂体连杆16MnCr5的冷轧钢带。冷轧钢带性能稳定，且冷轧钢带质量好，经过多次试验用于市场。

为提高本发明的实用性优选的，所述步骤3中的变形量为：5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％中的任意一种。

为提高本发明的实用性优选的，所述步骤2中的带状组织的评级为1.5、2.0、2.3、2.5、3.0、3.5中的任意一种等级。

为提高本发明的实用性优选的，钢带材料各优选的质量份额如下：碳1.8％、硅2.5％、锰1.2％、磷0.15％、硫0.3％、铬1％、铝l0.35％、钼0.5％、铜0.15％。

为提高本发明的实用性优选的，所述的退火工艺为将材料加热到一定温度，保温12小时，然后随炉缓慢冷却。要求退火前原始组织为细片状珠光体，不含有渗碳体网，主要是为了组织的均匀化，提高了材料的稳定性。

为提高本发明的实用性优选的，所述温度为20～30℃、40～50℃，温度根据需要进行调整，用于降低硬度、均匀组织、改善切削加工性为淬火作组织准备。

为提高本发明的实用性优选的，所述的退火工艺采用设的设备为真空退火炉，可以防止在退火的时候氧化作用，降低退火的效果，退火后的材料结构均匀，有效提高了材料的稳定性。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，具备以下有益效果：

本发明提升了特殊钢种的开发进度，形成超厚精冲冷轧钢带的生产流水线，广泛用于汽车零部件等厂商，属于低投资、高回报项目，有非常好的新一代精冲材料切入市场，推动冷轧精冲材料的技术更新，对产业化探索具有良好的指导作用。能够带动相关产业化及冷轧行业的技术革新，对材料发展的意义重大。按照本发明制作的冷轧钢带质量稳定，且加工出来的质量好、性能优越；有效解决技术背景提出的虽然国际国内都有关于16MnCr5的相关技术标准，但由于零件成型工艺复杂，按照标准内性能指标并不能满足摇臂体连杆的使用范围，此外标准中针对显微组织、微量元素的控制等，并未作出明确规定的问题。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，钢带材料各质量份额如下：碳1.4-1.9％、硅≤3.5％、锰1.0-1.3％、磷0.1≤0.2％、硫0.2≤0.35％、铬0.8-1.10％、铝0.2-0.5％、钼≤1％、铜≤0.20％；

钢带材料具体要求如下：抗拉强度370-420Mpa、屈服强度260-300Mpa、延伸率>30％、硬度<130HV10、表面粗糙度<Ra0.2、屈强比<0.6、球化率100％；钢带材料必须满足以上所有的要求。

球化率以石墨为例。在金相检验中，通常所见到的是几种形态的石墨共存。在这种情况下，评定石墨的球化质量须用球化率来解决。所谓球化率，是指在规定的视场内，所有石墨球化程度的综合指标。它反映该视场内所有石墨接近球状的程度。

抗拉强度是金属由均匀塑性形变向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有(或很小)均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。符号为Rm(GB/T 228-1987旧国标规定抗拉强度符号为σb)，单位为MPa。

屈服强度，是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2％残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。

延伸率(δ)：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。工程上常将δ≥5％的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等；而把δ≤5％的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下)，它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺***中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。

屈强比是指材料的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值，屈强比太高则结构为脆性破坏，脆性破坏在土木里是严禁的，因为破坏时结构没有明显的变形产生即破坏，难以预防。受到地震力时，钢材首先达到屈服强度且强度不断发展，结构产生变形，这个变形为肉眼可见，结构破坏的先兆出现，人们得以提前发现并预防，屈强比越大，机械零件越好(考虑节约材料，减轻重量)屈强比可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数。

其制造方法包括如下步骤：

步骤1：按照钢带材料各质量份额，根据能影响材料性能的化学成分，选择钢带材料各质量份额含量范围内的碳、磷、硫在相同工艺的情况下进行轧制退火，进行抗拉强度试验、屈服强度试验、延伸率试验、硬度测试、表面粗糙度测试、屈服比测试和球化率分析，确定材料是否符合钢带材料具体要求；

步骤2：分别选择不同等级的带状组织的热轧卷在相同的工艺条件下进行轧制和退火，确保冷轧钢带满足钢带材料具体要求；

步骤3：选取带状组织等级为2.5的热轧母卷，厚度8.0mm母卷，按照不同变形量进行轧制，采取相同的退火工艺进行退火，锁定最佳形变量；退火后的材料结构均匀，有效提高了材料的稳定性。

步骤4：经过轧制后的材料，采取不同温度和保温时间进行退火，锁定最佳退火温度和退火时间。退火后的材料结构均匀，有效提高了材料的稳定性。

为提高本发明的实用性进一步地，适于汽车摇臂体连杆16MnCr5的冷轧钢带。

为提高本发明的实用性进一步地，所述步骤3中的变形量为：5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％中的任意一种。

为提高本发明的实用性进一步地，所述步骤2中的带状组织的评级为1.5、2.0、2.3、2.5、3.0、3.5中的任意一种等级。

为提高本发明的实用性进一步地，钢带材料各优选的质量份额如下：碳1.8％、硅2.5％、锰1.2％、磷0.15％、硫0.3％、铬1％、铝l0.35％、钼0.5％、铜0.15％。

为提高本发明的实用性进一步地，所述的退火工艺为将材料加热到一定温度，保温12小时，然后随炉缓慢冷却。要求退火前原始组织为细片状珠光体，不含有渗碳体网。

为提高本发明的实用性进一步地，所述温度为20～30℃、40～50℃，温度根据需要进行调整，用于降低硬度、均匀组织、改善切削加工性为淬火作组织准备。

为提高本发明的实用性进一步地，所述的退火工艺采用设的设备为真空退火炉，可以防止在退火的时候氧化作用，降低退火的效果，退火后的材料结构均匀，有效提高了材料的稳定性。

本发明提升了特殊钢种的开发进度，形成超厚精冲冷轧钢带的生产流水线，广泛用于汽车零部件等厂商，属于低投资、高回报项目，有非常好的新一代精冲材料切入市场，推动冷轧精冲材料的技术更新，对产业化探索具有良好的指导作用。能够带动相关产业化及冷轧行业的技术革新，对材料发展的意义重大。实行多次轧制和多次退火工艺，使得零件的结构更加复杂和合理，而且由于强度较低形成性很好，而且经过渗碳处理后，可大幅度提高材料表面的耐磨性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，

钢带材料各质量份额如下：碳1.4-1.9％、硅≤3.5％、锰1.0-1.3％、磷0.1≤0.2％、硫0.2≤0.35％、铬0.8-1.10％、铝0.2-0.5％、钼≤1％、铜≤0.20％；

钢带材料具体要求如下：抗拉强度370-420Mpa、屈服强度260-300Mpa、延伸率>30％、硬度<130HV10、表面粗糙度<Ra0.2、屈强比<0.6、球化率100％；

其制造方法包括如下步骤：

步骤1：按照钢带材料各质量份额，根据能影响材料性能的化学成分，选择钢带材料各质量份额含量范围内的碳、磷、硫在相同工艺的情况下进行轧制退火，进行抗拉强度试验、屈服强度试验、延伸率试验、硬度测试、表面粗糙度测试、屈服比测试和球化率分析，确定材料是否符合钢带材料具体要求；

步骤2：分别选择不同等级的带状组织的热轧卷在相同的工艺条件下进行轧制和退火，确保冷轧钢带满足钢带材料具体要求；

步骤3：选取带状组织等级为2.5的热轧母卷，厚度8.0mm母卷，按照不同变形量进行轧制，采取相同的退火工艺进行退火，锁定最佳形变量；

步骤4：经过轧制后的材料，采取不同温度和保温时间进行退火，锁定最佳退火温度和退火时间。

2.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，适于汽车摇臂体连杆16MnCr5的冷轧钢带。

3.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，所述步骤3中的变形量为：5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，所述步骤2中的带状组织的评级为1.5、2.0、2.3、2.5、3.0、3.5中的任意一种等级。

5.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，钢带材料各优选的质量份额如下：碳1.8％、硅2.5％、锰1.2％、磷0.15％、硫0.3％、铬1％、铝l0.35％、钼0.5％、铜0.15％。

6.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，所述的退火工艺为将材料加热到一定温度，保温12小时，然后随炉缓慢冷却，要求退火前原始组织为细片状珠光体，不含有渗碳体网。

7.根据权利要求6所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，所述温度为20～30℃、40～50℃，温度根据需要进行调整，用于降低硬度、均匀组织、改善切削加工性为淬火作组织准备。

8.根据权利要求1所述的一种发动机气门摇臂用冷轧钢带的制造方法，其特征在于，所述的退火工艺采用设的设备为真空退火炉。