CN113846262B

CN113846262B - 一种汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN113846262B
Application number: CN202010599520.4A
Authority: CN
Inventors: 刘慧芳; 郑坚敏; 骆素珍
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2040-06-28
Also published as: CN113846262A

Abstract

一种汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管及其制造方法，其成分质量百分比为：C 0.32～0.37％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.6～0.9％，Cr 0.9～1.2％，Mo 0.15～0.3％，Ti 0.005～0.01％，Al 0.02～0.05％，余量为Fe和其它不可避免的杂质；且，需要同时满足：(C+Mn/6)＝0.42～0.48％；(Mo+Cr)＝1.1～1.35％。本发明所述无缝钢管的屈服强度350～450MPa，抗拉强度550～650MPa，延伸率≥22％；无缝钢管的高载扭疲寿命≥2600次(扭矩1824Nm，频率0.8Hz)；中载扭转疲劳寿命≥56000次(扭矩1152Nm，频率2Hz)；静扭破坏扭矩≥3240Nm。所述钢管具有良好的塑性，满足后续旋锻加工要求，又满足传动轴服役所需的高、中载扭疲和静态扭疲测试。

Description

一种汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管制造，特别涉及一种汽车用整体式空心传动半轴管及其制造方法。

背景技术

汽车传动半轴是在车辆上用来传递给车轮动力的关键汽车零部件。它的一端连接车轮，另一端连接变速箱中的差速器或分动器中的差速器。它的作用是把发动机输出的扭矩，由变速箱传递给车轮，从而驱动车辆；同时传动轴可以随车轮的转向及车轮的跳动来摆动角度和横向滑移。

传动半轴作为汽车等速万向传动轴总成的重要组成部件，在工作过程中承受高频、高扭矩的周期载荷作用。

空心轴管相比传统实心半轴具有轻量化、高扭转刚度、高临界转速和高疲劳寿命等优点，已广泛用于现代高性能轿车中。

整体式空心传动半轴管即MTS轴管，采用旋锻工艺加工出的整体空心式汽车传动半轴，具有在最低重量的情况下，自然弯曲频率和扭转刚度的最高潜在协调性。

中国专利公开号CN104962838A公开了“一种高强度钢、汽车传动半轴用高强塑无缝钢管及其制造方法”，其化学成分为C：0.07-0.15％；Si：0.1-1.0％；Mn：2.0-2.6％；Ni：0.05-0.6％；Cr：0.2-1.0％；Mo：0.1-0.6％；B:0.001-0.006％；Cu：0.05-0.50％；Al：0.015-0.060％；Nb：0.02-0.1％；V：0.02-0.15％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。采用冷拔或冷轧方式生产，钢管采用空淬+回火，强度1000MPa以上。但该传动半轴管用于非整体式传动半轴。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车用整体式空心汽车传动半轴管及其制造方法，既保证钢管具有良好的塑性，满足后续旋锻加工要求，又满足传动轴服役所需的高、中载扭疲和静态扭疲测试。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管，其化学成分质量百分比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质；且，需要同时满足：

(C+Mn/6)＝0.42～0.48％；

(Mo+Cr)＝1.1～1.35％。

本发明所述汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管的显微组织为铁素体+珠光体，其中珠光体中的渗碳体为片状。

所述传动半轴无缝钢管的屈服强度350～450MPa，抗拉强度550～650MPa，延伸率≥22％。

所述传动半轴无缝钢管的高载扭疲寿命≥2600次(扭矩1824Nm，频率0.8Hz)；中载扭转疲劳寿命≥56000次(扭矩1152Nm，频率2Hz)；静扭破坏扭矩≥3240Nm。

在本发明所述汽车传动半轴管的成分设计中：

C：是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。当C含量太低时，提高钢的强度和硬度的效果不明显，但是当C含量太高时，又会大大降低钢的韧性。本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.32～0.37wt.％。

Si：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度。然而，一旦硅含量超过0.4wt.％时则会大大降低钢管的韧性，尤其是钢管的低温冲击韧性。因此，应该将Si含量控制为0.2～0.4wt.％。

Mn：主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小相变临界冷却速度，但是当Mn含量过高时，材料中的组织偏析倾向严重。为充分发挥Mn的有益作用并抑制其有害作用，故在本技术方案中将Mn含量设定为0.6～0.9wt.％。材料碳当量是影响其后续热处理后强度的关键因素，其中碳、锰是低合金钢碳当量的主要部分，(C+Mn/6)太低会影响轴管的强度及安全性能，(C+Mn/6)太高会影响材料的塑性，进而影响其旋锻加工。因此，将其范围进行控制在0.42％≤(C+Mn/6)≤0.48％。

Cr：是中强碳化物的形成元素。其可以提高钢的强度和淬透性，同时还能提高材料的抗腐蚀性和耐磨性。由于Cr含量太高会大幅度提高钢的硬度，而降低钢的韧性和塑性，所以需要对Cr元素的添加进行控制，将其含量控制为0.9～1.2wt.％。

Mo：在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用。Mo含量达到0.05wt.％时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，考虑到成本因素，其含量控制在0.15～0.3wt.％。为保证传动轴高速运行中安全地传递更大的扭矩，同时降低轴管自重，旋锻后采用调质热处理提高钢管的强度。成分Cr和Mo的添加是有效提高轴管强度和淬透性的方法之一，但对整体式空心传动轴管而言，强度太高会降低材料的韧性，影响后续的旋锻加工，因此对其上下限进行控制，1.1％≤(Mo+Cr)≤1.35％。

Ti：强碳氮化物形成元素，加入少量Ti的目的是形成TiN、TiC在均热和再加热过程中可以细化奥氏体晶粒，进而提高钢的强度和疲劳性能；若含量太高，对钢的成形性不利，同时考虑到成本因素，将其含量控制在0.005～0.01wt.％。

Al：Al是良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒，本技术方案将其控制在0.02～0.05％。

P、S是本发明严格控制的有害元素。它们易形成夹杂物，一方面对材料的强度和韧性不利，另一方面，容易导致冷加工时产生缺陷以致断裂，因此必须严格限制，尽量控制P≤0.015wt.％，S≤0.005wt.％。

本发明所述的汽车用整体式空心传动半轴无缝钢管的制造方法，其包括如下步骤：

1)管坯制造

按上述成分冶炼、铸造获得管坯；

2)热穿孔，通过轧管机、张力减径机获得热轧态母管；

3)母管退火，退火温度为700～750℃，退火时间30～60min；

4)酸洗、润滑；

5)冷轧，轧到成品规格，轧制延伸系数1.5～3；

6)成品热处理

在保护气氛下对成品管进行退火热处理，退火温度830～880℃，保温10～20min后以30～50℃/min的冷却速度冷却至Ar1下。

优选的，所述步骤2)中，管坯加热温度1240～1290℃，均热30～90min。

优选的，所述步骤5)冷轧工序中，轧制延伸系数2～2.5。

优选的，所述步骤6)成品热处理工序中，保护气氛为氮基混合气体N₂₊H₂₊CO，CO含量比例3.5～5％，H₂含量比例10～20％，其余为N₂，同时，炉内氧含量≤10ppm，露点≤-10℃。

在本发明所述制造方法中：

本发明所述的母管退火工艺，没有采用较高温度的完全或不完全退火，而是采用700～750℃，主要基于两点考虑：一是高温热处理容易导致钢管内外壁脱碳，后续不易处理，且影响成品管的扭疲寿命；二是在前工序热轧基础上，采用此温度段热处理，相当于高温回火，对降低钢管的硬度和塑性的提升有很好的效果，有利于后续冷加工的变形。

本发明所述的热处理工艺，将钢管加热到Ac3以上30～80℃，使其组织转变为奥氏体，保温10～20min，使奥氏体组织充分均匀化，再通过上述一定的冷却速度以控制最终组织中铁素体和渗碳体的比例以及碳化物的形态，从而达到一定的力学性能且碳化物形态仍为片状。

本发明所述的热处理气氛是氮基混合气体N₂₊H₂₊CO，CO含量比例3.5～5％，H₂含量比例10～20％，其余为N₂，同时，炉内氧含量≤10ppm，露点≤-10℃。在该气氛条件下，钢管的内外壁不发生脱碳现象。表面脱碳会降低钢管的表面硬度，从而在后续服役过程中交变应力的载荷下易萌生微裂纹，从而降低轴管的疲劳寿命。

本发明所述的汽车用整体式空心传动半轴无缝钢管，满足如下力学性能要求：屈服强度350～450MPa，抗拉强度550～650MPa，延伸率≥22％。

同时：满足传动轴管所需的高、中载扭转及静态扭转寿命：

(1)高载扭转疲劳寿命≥2600(试验条件：扭矩1824Nm，频率0.8Hz)；

(2)中载扭转疲劳寿命≥56000(试验条件：扭矩1152Nm，频率2Hz)；

(3)静扭破坏扭矩≥3240Nm。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明成分上通过微量Ti元素的添加以细化晶粒，提高轴管强度，对C+Mn/6和Mo+Cr上下限范围的限制，既达到了期望的强度，又确保其具有一定的韧性。在工艺控制上，采用低温中间退火和成品保护气氛条件下热处理温度和冷速的控制，使钢管内外表无脱碳，既具有良好的塑性，满足后续旋锻加工要求，又满足传动轴服役所需的高、中载扭疲和静态扭疲测试。

附图说明

图1为本发明实施例4的微观组织照片；

图2为对比例2的微观组织照片；

图3为对比例3的微观组织照片。

具体实施方式

下面将根据具体实施例对本发明所述的整体式空心汽车传动半轴管及其制造方法做出进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

本发明所述汽车用整体式空心传动半轴无缝钢管实施例的成分参见表1，其中余量为Fe和其他不可避免的杂质。表2示出了实施例1～6和对比例中主要步骤的工艺参数。所述实施例和对比例的力学性能如表3所示。

综合表1～表3可见，由于实施例1-6具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产，拉伸性能均满足标准要求，尤其是满足传动轴后续服役所需的各类扭疲寿命测试。

而对比例1因化学成分某些化学元素质量百分配比超过了本发明的技术方案所限定的范围，导致强度偏高，塑性下降，对后续旋锻加工不利。而对比例2和对比例3的成品热处理冷却速度和热处理温度分别低于本发明限定的范围。对比例2的冷却速度过低，组织中珠光体含量减少，对扭疲寿命有一定影响。对比例3保温温度过低，组织未完全奥氏体，渗碳体分解为点状渗碳体，继而球化，结果其中载扭疲寿命不能满足使用要求。

表1

表2

表3

Claims

1.一种汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管，其化学成分质量百分比为：

C 0.32～0.37％，

Si 0.2～0.4％，

Mn 0.6～0.9％，

Cr 0.9～1.2％，

Mo 0.15～0.3％，

Ti 0.005～0.01％，

Al 0.02～0.05％，

其余为Fe和其他不可避免的杂质；且，需要同时满足：

(C+Mn/6)＝0.42～0.48％；

(Mo+Cr)＝1.1～1.35％；

所述传动半轴用无缝钢管的显微组织为铁素体+珠光体，其中珠光体中的渗碳体为片状；

所述传动半轴用无缝钢管的屈服强度350～450MPa，抗拉强度550～650MPa，延伸率≥22％；

所述传动半轴用无缝钢管在扭矩1824Nm、频率0.8Hz条件下的高载扭转疲劳寿命≥2600次；在扭矩1152Nm、频率2Hz条件下中载扭转疲劳寿命≥56000次；静扭破坏扭矩≥3240Nm。

2.如权利要求1所述的汽车用整体式空心传动半轴用无缝钢管的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

1)管坯制造

按权利要求1所述成分冶炼、铸造获得管坯；

2)热穿孔，通过轧管机、张力减径机获得热轧态母管；

3)母管退火，退火温度为700～750℃，退火时间30～60min；

4)酸洗、润滑；

5)冷轧，轧到成品规格，轧制延伸系数1.5～3；

6)成品热处理

在保护气氛下对成品管进行退火热处理，退火温度830～880℃，保温10～20min后以30～50℃/min的冷却速度冷却至Ar1下；

所述保护气氛为氮基混合气体N₂+H₂+CO，CO含量比例3.5～5％，H₂含量比例10～20％，其余为N₂，同时，炉内氧含量≤10ppm，露点≤-10℃。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中，管坯加热温度1240～1290℃，均热30～90min。

4.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述步骤5)冷轧工序中，轧制延伸系数2～2.5。