CN112899574A - 非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法，属于钢铁技术领域。非调质钢的成分包括：C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni、Mo、Al、V、Ti、B、N和H；其余为Fe和不可避免的杂质；其中，10≤(Ti+V)/N≤13；碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，碳当量为0.73～0.91。其能够改善现有的非调质钢强度和韧性不足的问题。

Description

非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法
技术领域
本申请涉及钢铁技术领域，具体而言，涉及一种非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法。
背景技术
半轴(驱动轴)在很多大型机械设备中都会用到，例如装载机。半轴在大型机械设备使用过程中需要承受较大载荷，一般都是采用40Cr、42CrMo等材料调质后使用，这些材料在调质处理后具有较高的强度和较强的韧性，但是这些材料采用调质工艺时成本较高。
近年来，随着降低成本的要求，半轴采用非调质钢替代调质钢渐渐成为一种趋势，由于非调质钢在强度和韧性方面与调质钢还有差距，因而需要在成分设计和工艺控制上进一步改进。
发明内容
本申请提供了一种非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法，其能够改善现有的非调质钢强度和韧性不足的问题。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种非调质钢，其成分按重量百分比计包括：C：0.34-0.39％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.00-1.30％，P≤0.025％，S：0.015-0.035％，Cr：0.40-0.60％，Cu≤0.35％，Ni≤0.20％，Mo≤0.10％，Al：0.015-0.040％，V:0.10-0.15％，Ti≤0.050％，B：0.0010-0.0025％，N：0.010-0.025％，H≤0.0002％；其余为Fe和不可避免的杂质；其中，10≤(Ti+V)/N≤13；碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，碳当量为0.73～0.91。
第二方面，本申请实施例提供一种本申请第一方面实施例的非调质钢的制备方法，包括：按照非调质钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸、加热和轧制以调整非调质钢的成分。
第三方面，本申请实施例提供一种半轴，其由本申请第一方面实施例的非调质钢加工成型后淬火得到。
第四方面，本申请实施例提供一种半轴的制备方法，包括：将本申请第一方面实施例的非调质钢加工成型，成型后进行淬火。
本申请实施例的非调质钢及其制备方法以及半轴的制备方法的有益效果包括：
本申请实施例的非调质钢中各组分比例合适，其中，C、Si、Mn是最基本的组成元素，对强度的贡献最大，但随着C、Si、Mn元素含量的提高，强度提高的同时会造成塑韧性下降，需要通过其他合金元素的作用来满足韧性要求。Ti和V是强碳氮化物形成元素，当两种元素同时加入钢中时，均会与N结合，形成TiN、VN、Ti(CN)和V(CN)等碳氮化物，当二者在钢中的含量满足10≤(Ti+V)/N≤13时可以起到细化晶粒的作用，在提高强度的同时，可以提高韧性。当Ti和V在钢中的含量不满足10≤(Ti+V)/N时，极易在冶炼过程中形成直径大于100nm的大尺寸碳氮化物，导致强度和韧性下降。当(Ti+V)/N>13时，N含量相对偏低，无法充分发挥碳氮化物析出强化作用，导致强度降低。Mn和Cr还有提高淬透性的作用，对提高半轴零件表面淬硬层深度有利。Cu容易在晶界上富集，导致热加工时容易产生热脆，在钢中一般是有害元素，应加以限制；Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。但由于Ni是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用Ni。本申请的发明人综合考虑C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Ti和V对强度和韧性的影响程度，设计出碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，并经过试验验证，在碳当量为0.73～0.91时，本申请实施例的非调质钢的强度和韧性均较优。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1的非调质钢的金相图；
图2为本申请对比例1的非调质钢的金相图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本申请实施例的非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法进行具体说明：
第一方面，本申请实施例提供一种非调质钢，其成分按重量百分比计包括：C：0.34-0.39％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.00-1.30％，P≤0.025％，S：0.015-0.035％，Cr：0.40-0.60％，Cu≤0.35％，Ni≤0.20％，Mo≤0.10％，Al：0.015-0.040％，V:0.10-0.15％，Ti≤0.050％，B：0.0010-0.0025％，N：0.010-0.025％，H≤0.0002％；其余为Fe和不可避免的杂质；其中，10≤(Ti+V)/N≤13；碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，碳当量为0.73～0.91。
C是保证本申请实施例的非调质钢强度所必需的成分。本申请实施例的非调质钢需要表面强度的同时也需要足够的心部塑韧性，同时，C是影响钢的淬透性最主要的元素之一。C含量太低钢强度不够，且不能保证良好的淬透性要求；C含量太高不能满足本申请实施例的非调质钢心部韧塑性的需求，且会导致非调质钢的实际晶粒度粗大。因此，本申请的发明人设计非调质钢的C含量为0.36-0.39％，例如，C含量为0.36％、0.37％、0.38％或0.39％。可选地，C含量为0.36-0.38％。
Si能溶于铁素体和奥氏体中提高非调质钢的硬度和强度，另外，硅和钼结合能够提高非调质钢的抗腐蚀性和抗氧化作用。但是，Si含量太高会降低钢的焊接性能。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Si含量为0.17-0.37％。例如，Si含量为0.17％、0.20％、0.23％、0.25％、0.28％、0.30％、0.35％或0.37％。可选地，Si含量为0.20-0.35％。
在炼钢过程中，Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，是保证非调质钢的使用强度所必需的成分，同时也是影响钢的淬透性的元素之一。本申请的发明人研究发现Mn含量小于1.0％时，非调质钢的强度偏低；Mn含量大于1.30％，非调质钢容易出现大块状珠光体，导致实际晶粒度不合格。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Mn含量为1.0-1.30％，例如，Mn含量为1.05％、1.10％、1.15％、1.20％、1.25％或1.3％。可选地，Mn含量为1.22-1.28％。
P是杂质元素，易偏析于晶界导致热加工性下降，过量的P会使制造变得困难。因此，本申请的发明人设计非调质钢的P含量为≤0.025％。可选地，P含量为≤0.020％。
S在钢中易于Mn形成MnS，由此提高钢的切削性。本申请的发明人研究发现，当非调质钢中的S含量小于0.015％时，钢的切削性提高的不明显。当S含量大于0.035％时，提高切削性的效果饱和，S反而在晶界偏析而成为晶界脆化的原因。因此，本申请的发明人将非调质钢的S含量设计为0.015-0.035％，例如为0.015％、0.018％、0.020％、0.022％、0.025％、0.028％、0.030％或0.035％。可选地，S含量为0.015-0.025％。
Cr在非调质钢中可以增加淬透性，对半轴在淬火过程增加淬硬层深度有利，但是Cr过高，会降低非调质钢的塑性和韧性，且成本增加。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Cr含量为0.40-0.60％，例如为0.40％、0.45％、0.50％、0.55％或0.60％。可选地，Cr含量为0.47-0.53％。
Cu在热加工时容易产生热脆，Cu含量较高时将导致非调质钢具热脆性，而使热轧加工困难。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Cu含量≤0.35％，例如为0.35％、0.32％、0.30％、0.25％、0.20％、0.15％或0.1％。
Ni能提高非调质钢的强度，且保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用Ni。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Ni含量≤0.20％，例如为0.20％、0.15％、0.10％、0.08％、0.05％、0.03％、0.02％或0.01％。
Mo在非调质钢中可以增加淬透性，并改善钢的力学性能，特别是提高韧性效果，但是非调质钢中含有Mo，容易导致非调质钢出现贝氏体。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Mo含量≤0.10％，例如为0.10％、0.08％、0.06％、0.05％、0.03％、0.02％或0.01％。可选地，Mo含量为0.03-0.05％。
足够的Al对非调质钢的脱氧有效，但本申请的发明人研究发现，如果Al含量超过0.040％，则非调质钢中含Al的非金属夹杂物会增加。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Al含量为0.015-0.040％，例如为0.015％、0.020％、0.025％、0.030％、0.035％或0.040％。为了进一步抑制Al的非金属夹杂物的生成，Al量可选地为0.015-0.025％。
少量的Ti在非调质钢中能够生成微细的TiC、TiN、Ti(CN)及TiCS等Ti系析出物，有助于晶粒的微细化，从而提高非调质钢的强度和韧性。但是本申请的发明人研究发现，这些效果在Ti含量小于0.010％时不充分，在Ti含量大于0.050％时，容易形成颗粒粗大的TiN，不仅不能细化晶粒，还会损害非调质钢的性能。因此，本申请的发明人设计非调质钢的Ti含量为0.010-0.050％，例如为0.010％、0.020％、0.030％、0.040％或0.050％。可选地，Ti含量为0.010-0.025％。
V是碳氮化物生成元素，V在高温时固溶于奥氏体中。非调质钢含有少量的V时，非调质钢轧制后冷却过程中有助于析出物的量增加及析出物的微细化，起到析出强化作用，从而提高非调质钢的强度和韧性。本申请的发明人研究发现，当V含量大于0.15％时，析出物会较粗大。因此，本申请的发明人设计非调质钢的V含量为0.10-0.15％，例如为0.10％、0.11％、0.13％或0.15％。可选地，V含量为0.11-0.14％。
N能够在非调质钢中固溶强化并与Ti、Nb及V形成弥散细小的析出相，从而提高非调质钢的强度。申请人研究发现，如果N量低于0.010％，则无法充分地提高非调质钢的强度；如果N量超过0.025％，则会在非调质钢中形成气孔缺陷，还会在高温下析出块状的氮化物、耐应力腐蚀开裂性降低。因此，申请的发明人设计非调质钢的N含量为0.010-0.025％，例如为0.010％、0.015％、0.020％、或0.025％。
另外，Ti和V均是强碳氮化物形成元素，当二者在钢中的含量满足10≤(Ti+V)/N≤13时可以起到细化晶粒的作用，在提高强度的同时，可以提高韧性。当Ti和V在非调质钢中的含量不满足10≤(Ti+V)/N，极易在冶炼过程中形成大尺寸碳氮化物(直径大于100nm)，导致强度和韧性下降。当(Ti+V)/N>13时，N含量相对偏低，无法充分发挥碳氮化物析出强化作用，导致强度降低。因此，在本申请实施例中，10≤(Ti+V)/N≤13，例如，(Ti+V)/N为10、11、12或13。
B具有抑制P的晶界偏析的效果，且具有提高晶界强度及晶粒内强度以及提高淬透性的效果，从而提高非调质钢的冲击值。申请人研究发现，当B含量小于0.0010％时不能充分地提高调质钢的冲击值，当B含量大于0.0025％时，上述效果饱和。因此，申请的发明人设计非调质钢的B含量为0.0010-0.0025％，例如为0.0010％、0.0012％、0.0015％、0.0018％、0.0020％、0.0022％或0.0025％。可选地，B含量为0.0010-0.0020％。
本申请的发明人综合考虑C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Ti和V对强度和韧性的影响程度，设计出碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，并经过试验验证，在碳当量为0.73～0.91时，本申请实施例的非调质钢的强度和韧性均较优。
示例性地，碳当量为0.73、0.75、0.78、0.80、0.83、0.85、0.88、0.90或0.91中的任一者或者任意两者之间的范围。可选地，碳当量为0.8～0.91，有利于析出细小、弥散的TiN和钒的碳氮化物颗粒(直径范围为50～100nm)。
第二方面，本申请实施例提供一种上述非调质钢的制备方法，包括：按照所述非调质钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸、加热和轧制以调整所述非调质钢的成分。
在一种可能的实施方案中，在精炼步骤中，钢种氧活度要求小于15ppm，在真空循环开始5min后加入Ti铁。
由于元素Ti的性质活泼，在非调质钢冶炼的整个过程都有可能从钢中析出。根据析出物形成的化学自由能不同，从高温到低温的析出顺序依次为：Ti2O3→TiN→Ti4C2S2→TiC。由于钢液中形成的Ti2O3尺寸较大，对性能有害，且会消耗钢中的Ti，不利于非调质钢的机械性能提高。Ti铁在真空循环开始4-6min后加入，钢水已经充分脱氧，氧活度小于15ppm，从而使钢液中基本不会析出Ti2O3析出物。示例性地，在真空循环开始5min、8min或10min加入Ti铁。
可选地，在精炼步骤的前期加入Al铁进行脱氧，Al铁与钢水的重量比为1.8～2.4kg:1t。并且，在精炼中后期均不加入Al铁，从而可以防止形成大量的Al夹杂物。示例性地，Al铁与钢水的重量比为1.8kg:1t、2kg:1t、2.2kg:1t或2.4kg:1t。
在一种可能的实施方案中，RH真空脱气步骤中，真空处理时间为20-30min，其中，高真空时间≥10min。示例性地，真空处理时间为20min、22min、25min、28min或30min。示例性地，高真空时间为10min、12min、15min或17min。
真空处理结束后，加入80-100m钙线，对夹杂物进行改性，以防止水口结瘤。并且，RH真空脱气步骤中的软吹时间为20-30min，以保证夹杂物充分上浮去除，从而提高钢水纯净度。示例性地，软吹时间为20min、22min、25min、28min或30min。
进一步地，连铸步骤中，钢水过热度为5～15℃，拉速为0.8～0.9m/min，二冷水的比水量为0.36～0.4L/kg。
根据钢中TiN析出原理，钢液中的Ti和N的浓度积必须满足一定条件时才能析出TiN，析出后的TiN大小不仅与钢液中的Ti、N的含量有关，还与过热度和铸坯凝固过程中冷却速度有关。
当钢液中Ti和N含量越高时，析出大尺寸(直径大于100nm)TiN的几率越大，同时，考虑到钢中V与N的结合，会消耗一部分N含量，所以Ti、V、N三者含量需要满足10≤(Ti+V)/N≤13，才能保证不析出大尺寸TiN。
另外，连铸步骤中的过热度越大，TiN聚集长大所需要的激活能就越小，就越容易聚集长大，故将过热度控制在5-15℃的较低范围，在保证生产不断浇的情况下，析出的TiN不容易聚集长大。示例性地，钢水过热度为5℃、8℃、10℃、12℃或15℃。
再者，理论上冷却速度越大，夹杂物尺寸越小。增加冷却速度有利于细化铸态组织和抑制大颗粒TiN的析出长大，使TiN的析出颗粒尽量细小弥散。为获得尺寸较小(直径为50～100nm)的TiN夹杂，有必要提高冷却强度。本申请实施例的非调制钢的碳当量为0.73～0.91，碳含量高，合金量大，在低过热度下，元素扩散速度慢，极易导致成分偏析，对冷却速度的控制要求高，因而，本申请实施例采用慢拉速配大比水量的方法加快冷却速度，但拉速不能过慢，过慢的拉速会导致中包温度下降过快，在本身过热度较低的情况，容易引起断浇，拉速过快又会导致冷却强度不够，故将拉速控制在为0.8～0.9m/min；比水量小无法加快冷却强度，但比水量大又会导致铸坯柱状晶粗大，铸坯内部质量差，故比水量控制在0.36-0.40L/kg。可选地，拉速为0.8m/min、0.85m/min或0.9m/min。可选地，二冷水的比水量为0.36L/kg、0.38L/kg或0.4L/kg。
本申请实施例中，钢水过热度为5～15℃，拉速为0.8～0.9m/min，二冷水的比水量为0.36～0.4L/kg，能够使TiN的析出颗粒尽量细小、弥散，对后续铸坯加热过程抑制奥氏体晶粒长大发挥作用。
可选地，结晶器的内部采用电磁搅拌，连铸末端也采用电磁搅拌，通过搅拌控制铸坯从表到里的成分均匀性。示例性地，结晶器内部的电磁搅拌参数控制为100A±10A/2.5Hz、连铸末端电磁搅拌参数控制为650A±10A/4Hz。为防止搅拌过度，还要严格控制搅拌方式，可选地，采取顺时针搅拌10-15s，再逆时针搅拌8-10s，最后顺时针搅拌10-15s的交替搅拌。
另外，经高温加热试验，加热过程中钢坯中VN、V(CN)、TiC、Ti(CN)、TiN等第二相析出质点在奥氏体中固溶的温度不一样，其中VN、V(CN)的溶解温度约为900-1100℃，而TiC的溶解温度约为1100-1200℃，TiN、Ti(CN)溶解温度在1600℃左右。在加热温度低于1100℃时，由于大量第二相析出物的存在对晶界产生“钉扎”作用，奥氏体晶粒长大非常缓慢，由于第二相析出物此时固溶度较低，对后续轧制冷却阶段沉淀强化效果不利。本申请的发明人研究发现，随着加热温度的升高，当加热至1220℃左右时，TiC和钒的碳氮化物已经完全固溶于奥氏体基体中，由于未溶解的TiN析出物颗粒对奥氏体晶界的钉扎作用，奥氏体晶粒长大受到抑制。当钢坯加热温度超过1250℃时，由于第二相析出物颗粒的体积分数大量减少，同时由于高温时第二相析出物颗粒的聚集长大，未溶的TiN等析出物颗粒尺寸也将继续增大，大尺寸TiN等析出物颗粒对奥氏体晶界的“钉扎”作用将大大减弱，因此奥氏体晶粒迅速长大，因此，为了保证微合金元素V、Ti的碳氮化物尽可能充分溶解，应保证加热温度不低于1220℃；同时考虑到加热温度过高促使奥氏体晶粒长大粗化，影响非调质钢性能的提高，综合上述几种因素考虑，本申请实施例的加热步骤中的均热段温度为1220～1240℃。示例性地，加热步骤中的均热段温度为1220℃、1230℃或1240℃。
通过将V、Ti的含量控制在10≤(Ti+V)/N≤13，使得连铸过程中尽量析出细小、弥散的TiN和钒的碳氮化物颗粒(直径范围为50～100nm)，避免析出微米级的大尺寸TiN。在此基础上，均热段温度设定在1220～1240℃，细小、弥散的TiN和钒的碳氮化物颗粒能够充分固溶，未固溶的TiN析出物颗粒对奥氏体晶界具有钉扎作用，奥氏体晶粒长大受到抑制。
进一步地，为了保证铸坯充分加热，加热步骤中的高温段保温时间为120-180min。因为加热时间短会导致铸坯断面温度梯度大，不均匀；加热时间长会导致奥氏体组织粗大。示例性地，高温段保温时间为120min、130min、140min、150min、160min、170min或180min。
进一步地，轧制步骤依次包括粗轧、精轧和终轧。
示例性地，粗轧步骤的开轧温度≥1100℃，粗轧过程前三道次压下率为12.5％、23.4％、24.7％，后六道次压下率在10～20％。通过采用大压下工艺，在高温度区存在一定量的大变形道次，使变形能够渗透至连铸坯心部，破碎心部粗大的原始奥氏体组织，减轻心部的偏析程度，即铸坯由表面到心部奥氏体充分变形、均匀化，形成细小、均匀的奥氏体晶粒。
示例性地，终轧步骤的温度为900-950℃。
终轧步骤的温度对Ti的析出影响较大，将显著影响非调制钢的力学性能。当终轧步骤的温度较低时，将使更多的TiC颗粒在精轧时的奥氏体区析出，相比在铁素体析出，这种析出相较大，对强度贡献不大，而且会导致在轧后冷却析出的TiC粒子不足，沉淀强度效果较弱。另外，终轧步骤的温度较高时，变形累积作用弱并造成晶粒较粗及析出较大颗粒的TiC相，二者共同的作用造成非调制钢的韧性较差。终轧步骤的温度控制在900-950℃，能够提高非调制钢的韧性和强度。示例性地，终轧步骤的温度为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃或、950℃。
进一步地，为了更好地避免TiC、VN等第二相析出物析出和长大，可选地，轧制步骤后进行穿水冷却，其中，穿水冷却时采用水箱供水，每组水箱的水流量为110～130m3/h，压力为7～10Mpa，穿水后铸坯的返红温度为700～750℃。轧制后快速冷却，有利于快速冷到相变温度区间，从而避免TiC、VN等第二相析出物析出和长大。示例性地，穿水冷却步骤中可采用两组或三组水箱，每组水箱的水流量为110～130m3/h，例如为110m3/h、120m3/h或130m3/h。示例性地，水压力为7Mpa、8Mpa、9Mpa或10Mpa。可选地，穿水后铸坯的返红温度为700℃、710℃、720℃、730℃、740℃或、750℃。
可选地，穿水冷却后在冷床进行冷却，冷床的冷却温度为590-620℃，冷床的步进速度为1～2步/min。
本申请的发明人通过试验发现590-620℃是VN、TiC在铁素体中析出的最佳温度区间，其带来的沉淀强化效果最大，VN、TiC粒子析出过程需要充分的时间，析出过程随着保温时间的延长在相当长一段时间内一直存在。因此，冷却温度和冷床的步进速度是影响VN、TiC粒子在铁素体中析出最重要的参数。冷床的冷却温度为590-620℃，冷床的步进速度为1～2步/min，能够达到缓冷的效果，以VN、TiC为主的析出物在铁素体晶界和晶粒内位错上析出，使钢的强度显著上升。但是，如果缓冷温度偏低，将抑制第二相质点的析出，导致析出量减少；若缓冷温度过高，则组织粗化，铁素体晶粒发生回复软化，位错强化效果减弱，还会导致析出物聚集长大，降低钢的强度。示例性地，冷床的冷却温度为590℃、600℃、610℃或620℃。示例性地，冷床的步进速度为1步/min或2步/min。
可选地，在冷床冷却后，还包括消磁处理，将非调制钢的消磁量控制在≤30GS。因为非调制钢的磁性过大，会导致半轴产品两端滚齿加工过程中花键部位吸附大量的铁屑很难清除，结果会造成内齿测量精度偏差大。
第三方面，本申请实施例提供一种半轴，其由本申请实施例的非调质钢加工成型后淬火得到。
第四方面，本申请实施例提供一种半轴的制备方法，包括：将本申请实施例的非调质钢加工成型，然后进行淬火。
示例性地，淬火采用中频感应淬火，其中，中频电压为600V，输出功率为45KW，工件移动速度230±3mm/min，花键处停留3-4s。
由本申请实施例的非调质钢加工成型后淬火得到的半轴具有较好的强度和韧性，淬硬层深度为5-10mm。
以下结合实施例对本申请的非调质钢及其制备方法、半轴及其制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法依次包括以下步骤：
将原料在转炉中进行冶炼得到120t铁水，然后将铁水进行精炼，在精炼前期加入240kgAl铁进行真空脱氧，真空脱氧5min加入Ti铁精炼得到钢水。
将钢水在真空下处理30min，其中，高真空时间为15min。真空处理结束后，喂入90m钙线，对夹杂物进行改性。然后进行软吹25min，使得夹杂物上浮并去除。
将钢水过热度控制在10℃，拉速控制在0.85m/min，将钢水连铸成铸坯。其中，连铸过程中的二冷水比水量为0.38L/kg。结晶器内伴随电磁搅拌，电磁搅拌的工艺条件为100A/2.5Hz；连铸末端采用电磁搅拌，电磁搅拌的工艺条件为650A/4Hz。
将铸坯进行加热，其中均热段温度为1227℃，高温段加热时间为162min。
加热后将铸坯进行粗轧、精轧和终轧，粗轧的开轧温度为1100℃，终轧温度为920℃。
终轧后将铸坯在线穿水冷却，穿水冷却采用两组水箱，两组穿水量为分别为117m3/h和113m3/h，压力分别为8.5Mpa和8.53Mpa，穿水后返红温度控制在728℃。
穿水冷却后将铸坯在温度为600℃的冷床上进行冷却，冷床的步进速度为1步/min。
在冷床冷却后进行消磁处理得到非调质钢。
实施例2
本实施例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1219℃，高温段加热时间为146min，两组水箱的穿水流量均为124m3/h，压力分别为9.53Mpa和9.6Mpa，穿水后返红温度在725℃。
实施例3
本实施提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1221℃，高温段加热时间为158min，两组水箱的穿水流量分别为110m3/h和111m3/h，压力分别为7.81Mpa和7.84Mpa，穿水后返红温度在740℃。
实施例4
本实施例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于二冷水的比水量为0.34L/kg。
实施例6
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于二冷水的比水量为0.43L/kg。
实施例7
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于连铸步骤时的拉速为0.7m/min。
实施例8
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于连铸步骤时的拉速为1.0m/min。
实施例9
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于终轧步骤的温度为980℃。
实施例10
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于终轧步骤的温度为880℃。
实施例11
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段的温度为1210℃。
实施例12
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段的温度为1250℃。
实施例13
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于冷床的冷却温度为580℃。
实施例14
本实施例提供一种非调质钢，其成分与实施例1相同，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于冷床的冷却温度为630℃。
实施例15
本实施例提供一种半轴，其制备方法如下：将实施例1的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度231mm/min，花键处停留3s。
实施例16
本实施例提供一种半轴，其制备方法如下：将实施例2的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度229mm/min,花键处停留3s。
实施例17
本实施例提供一种半轴，其制备方法如下：将实施例3的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度232mm/min，花键处停留3s。
实施例18
本实施例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1121℃，高温段加热时间为144min，两组水箱的穿水流量均为114m3/h，压力分别为9.1Mpa和9.16Mpa，穿水后返红温度在735℃。
实施例19
本实施例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1110℃，高温段加热时间为120min，两组水箱的穿水流量均为84m3/h，压力分别为4.33Mpa和4.35Mpa，穿水后返红温度在805℃。
实施例20
本实施例提供一种半轴，其制备方法如下：将实施例18的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度231mm/min,花键处停留3s。
实施例21
本实施例提供一种半轴，其制备方法如下：将实施例19的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度200mm/min，花键处停留3s。
对比例1-对比例4
对比例1-对比例4提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法依次包括以下步骤：
将原料在转炉中进行冶炼得到120t铁水，然后将铁水进行精炼，在精炼前期加入240kgAl铁进行真空脱氧，真空脱氧5min加入Ti铁精炼得到钢水。
将钢水在真空下处理30min，其中，高真空时间为15min。真空处理结束后，喂入90m钙线，对夹杂物进行改性。然后进行软吹25min，使得夹杂物上浮并去除。
将钢水过热度控制在10℃，拉速控制在0.85m/min，将钢水连铸成铸坯。其中，连铸过程中的二冷水比水量为0.38L/kg。结晶器内伴随电磁搅拌，电磁搅拌的工艺条件为100A/2.5Hz；连铸末端采用电磁搅拌，电磁搅拌的工艺条件为650A/4Hz。
将铸坯进行加热，其中均热段温度为1221℃，高温段加热时间为150min。
加热后将铸坯进行粗轧、精轧和终轧，粗轧的开轧温度为1100℃，终轧温度为920℃。
终轧后将铸坯在温度为600℃的冷床上进行冷却，冷床的步进速度为1步/min。
在冷床冷却后进行消磁处理得到非调质钢。
对比例6
本对比例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与对比例5基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1150℃，高温段加热时间为180min。
对比例7
本对比例提供一种非调质钢，其成分如表1所示，其制备方法与实施例1基本相同，其不同之处仅在于均热段温度为1162℃，高温段加热时间为166min，两组水箱的穿水流量分别为134m3/h和133m3/h，压力分别为10.9Mpa和10.93Mpa，穿水后返红温度在712℃。
对比例8
本对比例提供一种半轴，其制备方法如下：将对比例5的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度261mm/min，花键处停留3s。
对比例9
本对比例提供一种半轴，其制备方法如下：将对比例6的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度263mm/min,花键处停留3s。
对比例10
本对比例提供一种半轴，其制备方法如下：将对比例7的非调质钢锯切下料，两端钻中心孔。然后进行表面车削，两端滚齿加工花键轴。再进行中频感应淬火、喷砂和校直。其中，感应淬火的工艺条件如下：中频电压600V，输出功率45KW，工件移动速度261mm/min,花键处停留3s。
表1.实施例1-4、18-19以及对比例1-7的非调质钢的化学成分(wt％)
Figure BDA0002904433490000181
Figure BDA0002904433490000191
表1(续).实施例1-4、18-19以及对比例1-7的非调质钢的化学成分(wt％)
Ti Al B N (Ti+V)/N Ceq
实施例1 0.0150 0.023 0.0015 0.0116 11.67 0.83807
实施例2 0.0148 0.020 0.0017 0.0121 11.47 0.85253
实施例3 0.0149 0.021 0.0014 0.0127 10.49 0.83669
实施例4 0.0155 0.021 0.0014 0.0115 11.17 0.77989
实施例18 0.0331 0.025 0.0017 0.0137 11.52 0.86736
实施例19 0.0191 0.018 0.0016 0.0120 11.34 0.83899
对比例1 0.035 0.021 0.0015 0.0114 15.35 0.86335
对比例2 0.015 0.020 0.0017 0.014 8.21 0.85505
对比例3 0.014 0.024 0.0016 0.011 11.27 0.71345
对比例4 0.045 0.022 0.0017 0.016 12.19 0.92145
对比例5 0.0310 0.021 0.0017 0.0123 13.05 0.85735
对比例6 0.0022 0.019 0.0017 0.0056 21.11 0.80881
对比例7 0.0292 0.0235 0.0014 0.0052 27.36 0.83946
试验例1
对实施例1-14、18-19以及对比例1-7的非调质钢的屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、抗冲击性能、布氏硬度、晶粒度和带状组织等级进行测试，其结果如表2所示。
表2.实施例1-14、18-19以及对比例1-7的非调质钢的性能测试结果
Figure BDA0002904433490000201
从表2的结果可以看出，实施例1-3的非调质钢具有较好的强度和韧性，强韧性匹配较好，其中，韧性体现在伸长率、断面收缩率和冲击功性能。对比实施例1-3以及实施例4的结果发现，实施例4的非调质钢的屈服强度和抗拉强度比实施例1-3的非调质钢偏低，说明Ceq在0.8～0.91范围内有利于增加非调质钢的屈服强度和抗拉强度。对比实施例1和实施例5-14的结果发现，实施例5-14的非调质钢的强度和韧性匹配性较差，与实施例1相比存在明显不足。另外，对比实施例18-19和实施例1-3发现，实施例18-19成分与实施例1-3相近，实施例18-19的加热温度与实施例1不同，实施例18-19的晶粒度指标较好，但强度和韧性偏低，强韧性匹配较差。通过对比例1-7性能可以看出，如果成分不能同时满足10≤(Ti+V)/N≤13和Ceq在0.73～0.91的范围时，强度和韧性的匹配性较差，强度高的但是韧性差，韧性好的但是强度较差。通过以上实施例和对比例的实验结果可以看出，本申请实施例的非调质钢的和工艺需要同时满足一定条件下，才能得到较理想的强韧性匹配效果。
试验例2
采用显微硬度法测量对实施例15-17、20-21以及对比例8-10的半轴的淬硬层深度进行测试，其结果如表3所示。其中，显微硬度法的测试步骤包括：用显微硬度计沿非调质钢圆钢的直径方向从表面到心部连续检测硬度，画出硬度梯度图，硬度值突然明显下降到一定值对应的距离为淬硬层深度。
表3.实施例15-17、20-21以及对比例8-10的半轴的淬硬层深度
Figure BDA0002904433490000211
Figure BDA0002904433490000221
结果分析：从表3的结果可以看出，半轴的淬硬层深度主要受感应淬火时工件移动速度影响，从结果看，实施例15-17以及实施例20的工件移动速度为227～233mm/min之间，淬硬层深度在正常范围波动，对比例8-10的工件移动速度大于233mm/min时，淬硬层深度明显降低，实施例21的工件移动速度小于227mm/min时，淬硬层深度明显上升，超出标准上限要求。
试验例3
对实施例1和对比例1的非调质钢进行金相检测，其金相图如图1和图2所示。
以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非调质钢，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：C：0.34-0.39％，Si：0.17-0.37％，Mn：1.00-1.30％，P≤0.025％，S：0.015-0.035％，Cr：0.40-0.60％，Cu≤0.35％，Ni≤0.20％，Mo≤0.10％，Al：0.015-0.040％，V:0.10-0.15％，Ti≤0.050％，B：0.0010-0.0025％，N：0.010-0.025％，H≤0.0002％；其余为Fe和不可避免的杂质；
其中，10≤(Ti+V)/N≤13；
碳当量Ceq＝C+0.07Si+0.16Mn+0.19Cu+0.17Ni+0.20Cr+0.5Ti+1.0V，所述碳当量为0.73～0.91。
2.根据权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，所述碳当量为0.8～0.91。
3.一种如权利要求1或2所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，包括：按照所述非调质钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸、加热和轧制以调整所述非调质钢的成分。
4.根据权利要求3所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，在所述精炼步骤中，钢种氧活度要求小于15ppm，在真空循环开始5min后加入Ti铁；
和/或，在所述精炼步骤的前期加入Al铁进行脱氧，所述Al铁与钢水的重量比为1.8～2.4kg:1t。
5.根据权利要求3所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤中，钢水过热度为5～15℃，拉速为0.8～0.9m/min，二冷水的比水量为0.36～0.4L/kg。
6.根据权利要求3所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，所述加热步骤中的均热段温度为1220～1240℃；可选地，所述加热步骤中的高温段保温时间为120～180min。
7.根据权利要求3所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，所述轧制步骤依次包括粗轧、精轧和终轧，所述终轧步骤的温度为900-950℃。
8.根据权利要求3或7所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，所述轧制步骤后进行穿水冷却，其中，穿水冷却时采用水箱供水，每组水箱的水流量为110～130m3/h，压力为7～10Mpa，穿水后铸坯的返红温度为700～750℃；
可选地，所述穿水冷却后在冷床进行冷却，所述冷床的冷却温度为590-620℃，所述冷床的步进速度为1～2步/min。
9.一种半轴，其特征在于，其由权利要求1或2所述的非调质钢加工成型后淬火得到。
10.一种半轴的制备方法，其特征在于，包括：将权利要求1或2所述的非调质钢加工成型，然后进行淬火。
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