CN114807745B - 一种汽车活塞销用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车活塞销用钢及其制造方法。该圆钢的化学成分质量百分数为C:0.23～0.27％，Si:≤0.06％，Mn:0.65～0.80％，Cr:0.95～1.20％，P:≤0.015％,S:≤0.005％,Mo:0.20～0.35％,Nb:0.015～0.035％,Al:0.010～0.040％,N:0.008～0.023％,O:≤15ppm,H:≤1.5ppm,(Cu+Ni)≤0.06％,(Nb/93+Al/27‑O*3/32)≥N/14余量为Fe及不可避免的杂质。经KR铁水脱硫预处理→转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气处理→小方坯连铸→连铸坯高温扩散→铸坯轧制→高温轧材入退火炉球化退火→出炉空冷→锯切→检验入库等工艺步骤，制造的圆钢直径小于φ55mm。钢材经880℃淬火，600℃回火后，350℃环境下的抗拉强度为680‑780Mpa,350℃环境下距圆钢表面10毫米位置处夏比冲击功≥108J，活塞销在汽车发动机运行时其本身温度最高能达到350℃左右。

Description

一种汽车活塞销用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种钢冶炼、轧制以及热处理的技术领域，具体涉及适于一种汽车用活塞销用钢及其制造方法。
背景技术
活塞销，是用来连接活塞与连杆的部件，它的作用是将活塞承受的力传给连杆。为顺应汽车轻量化的发展趋势，活塞销要求质量尽可能小，因此圆钢冷挤压穿孔后活塞销的壁厚要求尽可能要窄。活塞销在发动机运行过程中承受很大的周期性冲击负荷，且活塞销运行环境较为恶劣，新一代的活塞销运行时温度可达350℃，在销孔内摆动角度较小，润滑条件也较差，在此环境下需要不断的承受来自连杆与活塞往复式冲击。壁厚较窄的活塞销必须拥有足够的中温冲击性能、稳定的强度与耐磨性能。良好的中温冲击韧性、强度、耐磨性能以及冷挤压性能已经成为了新一代高性能活塞销用钢的主要发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种汽车用活塞销用钢及其制造方法，通过特定的制造方法得到的活塞销用钢拥有足够的中温冲击性能、稳定的强度与耐磨性能以及冷挤压性能。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种汽车用活塞销用钢，本发明钢种的化学成分重量百分比为C:0.23～0.27％，Si:≤0.06％，Mn:0.65～0.80％，Cr:0.95～1.20％，P:≤0.015％,S:≤0.005％,Mo:0.20～0.35％,Nb:0.015～0.035％,Al:0.010～0.040％,N:0.008～0.023％,O:≤15ppm,H:≤1.5ppm,(Cu+Ni)≤0.06％,(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：
C:是确保钢材强度所必须的元素，提高钢中的碳含量将会提高钢的强度。但过高的C含量对钢的韧性不利。本发明碳含量选择范围为0.23～0.27％。
Si:钢中的硅元素会导致钢材冷挤压过程中产生冷作硬化与晶间氧化现象。本发明控制硅含量选择范围为Si≤0.06％。
Mn:是提升钢材强度的元素。在低碳钢中添加适量的Mn，可以保证钢材达到所需的DI值与强度。因此，本发明锰含量选择范围为0.65～0.80％。
Cr:铬和铁形成连续固溶体，铬与碳可形成碳化物(Cr，Fe)7C3，该碳化物可以显著提高钢材的耐磨性能。同时，铬能显著增加钢的DI值与强度，但过高的铬会降低钢材的塑性和韧性。本发明铬含量选择范围为0.95～1.20％。
P、S:作为有害元素存在于钢中，对钢材的中温抗拉强度与中温冲击存在较大影响，应尽量降低P与S的含量。本发明磷与硫含量选择范围为P:≤0.015％,S:≤0.005％。
Mo:在钢中加入适量的Mo，可以促进钢材片状珠光体组织向球状珠光体组织的转变，从而提升球状珠光体组织的占比。本发明钼含量选择范围为0.20～0.35％。
Al:本发明中加入铝，首先起到脱氧作用，与钢中的氧相结合形成三氧化二铝，剩余的铝与钢中的氮元素结合，形成细化晶粒的质点氮化铝。本发明的铝含量选择范围为0.010～0.040％。
Nb:作为细化晶粒的元素加入钢中，与钢中剩余的N元素结合形成氮化铌质点。本发明铌含量选择范围为0.015～0.035％。
N:在钢中与铝元素、铌元素结合，形成细化钢材晶粒的质点。本发明的氮含量选择范围为0.008～0.023％，并且满足(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14。
H、O:均属于有害元素，应严格控制。尤其对钢材近表面的中温冲击性能不利。根据现有生产的条件，本发明的H、O含量选择范围为O:≤15ppm,H:≤1.5ppm。
Cu、Ni:作为残余元素存在于钢中，过高的Cu与Ni不利于钢材的冷挤压性能与DI值的稳定控制。本发明的(Cu+Ni)含量选择范围为(Cu+Ni)≤0.06％。
上述一种汽车用活塞销用钢的制备方法包含如下工艺步骤：
(1)采用KR铁水预脱硫，KR预脱硫后铁水的硫含量控制在≤0.001％；转炉采用预脱硫的铁水与优质废钢进行冶炼，铁水占比≥98％；精炼炉精炼过程依次加入锰铁、铬铁、钼铁、调整钢水的成分，然后喂入铝线进行脱氧；RH炉真空脱气处理，钢水在低真空93-133Pa环境下保持10分钟，钢水经RH真空脱氢后H≤1.5ppm，然后加入FeNb70合金，同时采用底吹氮的方式提升钢水中的氮含量至0.008～0.023％，通过连铸方型结晶器浇铸出200mm*200mm的方形铸坯。
(2)连铸方坯入加热炉加热至1200℃进行高温扩散，高温扩散时间≥4小时，高温扩散后铸坯经粗轧、中轧、精轧，粗轧、中轧、精轧全过程应在最优的塑性温度区间进行，以尽量避免轧制过程产生裂纹。所述的较优塑性温度区间的确定方法为在实验室选用该发明钢种的连铸坯试样，使用热模拟机测定该钢种1050℃-1200℃、1000℃-1150℃、950-1100℃、900-1050℃、850℃-1000℃、800-950℃、750-900℃这7个温度区间的平均延伸系数，断面收缩率，目的是寻找出高温轧制过程中较优的塑性温度区间，在该温度区间进行轧制可以有效减少钢材轧制裂纹的产生。为节约能源，提高生产效率，轧制后的高温圆钢通过轨道送入退火炉球化退火，入炉温度≥650℃。第一阶段：加热温度为770℃，此温度略高于该发明钢种的临界温度Ac1(745℃),保温时间为4小时,加热后钢材内部会形成不均匀的奥氏体与大部分未溶解的珠光体，以及未转变的铁素体基体；然后以20℃/h的温降速度降温至720℃，此过程大部分珠光体会逐步分解成均匀的、短小的片段状珠光体；第二阶段：加热温度为720℃，保温时间≥7小时，此温度略低于临界温度Ac1(745℃)，加热过程使短小的片段珠光体大多逐渐转变为球状珠光体，形成的球状珠光体均匀的分布在铁素体基体上；第三阶段：炉冷至530℃后出炉空冷，此冷却过程确保了球化组织更加稳定并且均匀分布，组织不再发生转变。
本发明针对在350℃环境下使用的高冲击性能、稳定的抗拉强度与冷挤压性能的圆钢，成分上采用低碳、低残余元素(Cu、Ni)、较窄的DI值范围、铝铌复合细化晶粒的成分设计；工艺上，采用高铁水比冶炼以降低钢中的残余元素Cu与Mo，采用高洁净钢的冶炼方式精炼与真空脱气，以200mm*200mm连铸方坯作为原料，采取1200℃高温扩散、粗轧、中轧、精轧的方式，轧制出直径小于Φ55mm的高温圆钢，然后对高温圆钢(温度≥650℃)进行球化退火，促使钢材片状珠光体向球状珠光体转变。生产出可在350℃环境下使用的汽车活塞销用圆钢。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明成分上采用低碳(C：0.23～0.27％)、低残余元素(Cu+Ni≤0.06％)、较窄的DI值范围(DI值＝2.3in-2.7in)、并且铌铝氮氧满足关系式(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14，确保钢材在350℃环境下拥有较高的冲击韧性与稳定的抗拉强度。因钢中的Nb元素与Al元素均会与N元素结合形成NbN质点与AlN质点，这两种质点均可以有效的钉扎晶界，细化钢材的奥氏体晶粒度。但钢中的O元素与Al元素的结合力远超N元素与Al元素的结合力，本发明钢中一部分Al元素不可避免的会与钢中的O元素相结合形成弥散分布的三氧化二铝夹杂物。为确保钢中有足够的NbN与AlN质点细化晶粒度，钢中必须添加足量的Nb元素与Al元素，因此(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14。若Nb/93+Al/27-O*3/32)＜N/14，钢中没有足够的NbN与AlN质点细化晶粒，钢材的奥氏体晶粒度达不到6级。
通过限定钢中Al、Nb、N、O的含量，并且本发明钢中这四种元素的含量满足关系式(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14，最终本发明钢材的奥氏体晶粒度可以稳定控制在6-9级。稳定而细小的奥氏体晶粒度有助于稳定钢材350℃环境下的抗拉强度，并且提升钢材在该环境温度下的冲击功。
(2)按照本发明生产的直径小于Φ55mm的圆钢。圆钢的组织为球状珠光体、少量片状珠光体、以及铁素体，其中球状珠光体占比30％-35％，片状珠光体占比2％-4％，其余组织为铁素体。圆钢的硬度为140HBW-160HBW，钢材的冷挤压穿孔性能较高。钢材的奥氏体晶粒度为6-9级。钢材经880℃淬火，600℃回火后，350℃环境下的抗拉强度为680-780Mpa,350℃环境下距圆钢表面10毫米位置处夏比冲击功≥108J，活塞销在汽车发动机运行时其本身温度最高能达到350℃左右，也可以理解为环境温度，环境温度达到350℃时，活塞销自身温度也会升高至350℃。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1与实施例2：
两实施例所涉及的汽车活塞销用钢及其制造方法：KR铁水脱硫预处理→转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气处理→小方坯连铸(200mm*200mm)→连铸坯高温扩散→铸坯轧制→高温轧材入退火炉球化退火→出炉空冷→锯切→检验入库。分别制造两个批次直径φ45mm、φ50mm的汽车活塞销用钢。本方法适用于制造直径φ55mm以下的圆钢。
上述实施例1涉及的铁水预处理、转炉、精炼、真空脱气、连铸、高温扩散、轧制、退火炉热处理的具体工艺为：KR铁水预脱硫后硫含量为0.0008％，转炉采用100％的预脱硫铁水进行冶炼，精炼过程加强脱氧，RH炉采用98ka低真空度脱氢10分钟，氢含量为1.2ppm。通过保护浇铸的方式浇铸出尺寸200mm*200mm的连铸方坯。连铸方坯入加热炉1200℃高温扩散，时间为5小时，经粗轧、中轧、精轧，轧制成φ45mm的圆钢，轧制后的高温圆钢通过轨道送入退火炉热处理，入炉温度为669℃。第一阶段：加热温度770℃，保温4小时，然后以20℃/h的速度降温至720℃，第二阶段：加热温度为720℃，保温时间9小时。第三阶段：炉冷至530℃后出炉空冷。
上述实施例2涉及的铁水预处理、转炉、精炼、真空脱气、连铸、高温扩散、轧制、退火炉热处理的具体工艺为：KR铁水预脱硫后硫含量为0.0006％，转炉采用100％的预脱硫铁水进行冶炼，精炼过程加强脱氧，RH炉采用96ka低真空度脱氢10分钟，氢含量为1.1ppm。通过保护浇铸的方式浇铸出尺寸200mm*200mm的连铸方坯。连铸方坯入加热炉1200℃高温扩散，扩氢时间为5小时，经粗轧、中轧、精轧，轧制成φ50mm的钢材，轧制后的高温圆钢通过轨道送入退火炉热处理，入炉温度为672℃。第一阶段：加热温度770℃，保温时间4小时，然后以20℃/h的速度降温至720℃，第二阶段：加热温度720℃，保温时间8.5小时。第三阶段：炉冷至530℃后出炉空冷。
实施例1与实施例2制得的圆钢化学成分见表1。
表1(wt％)
Figure BDA0003556196390000051
实施例1与实施例2制得的圆钢硬度、组织以及奥氏体晶粒度等级见表2。
表2
直径 硬度 组织含量 奥氏体晶粒度
实施例1 Φ45mm 153HBW 球状珠光体32％+片状珠光体3％+铁素体65％ 8.5级
实施例2 Φ50mm 156HBW 球状珠光体34％+片状珠光体2％+铁素体64％ 8.0级
实施例1与实施例2制得的圆钢经880℃淬火，600℃回火后，350℃环境下的抗拉强度以及350℃环境下距圆钢表面10毫米处的夏比冲击功见表3。
表3
直径 抗拉强度(350℃) 夏比冲击功(350℃)
实施例1 Φ45mm 739Mpa 131J
实施例2 Φ50mm 728Mpa 139J
本发明采用低碳、低残余元素(Cu、Ni)、较窄的DI值范围、铝铌复合细化晶粒的成分设计，并且成分满足(Nb/93+Al/27-O*3/32)≥N/14；工艺上，采用高铁水比冶炼以降低钢中的残余元素Cu与Mo，采用高洁净钢的冶炼方式精炼与真空脱气，以200mm*200mm连铸方坯作为原料，采取1200℃高温扩散、粗轧、中轧、精轧的方式，轧制出直径小于Φ55mm的圆钢，然后轧制后的高温圆钢采用球化退火工艺促使钢材片状珠光体向球状珠光体转变。生产出可在350℃环境下使用的汽车活塞销用圆钢，填补了国内的空白。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种汽车用活塞销用钢，其特征在于：所述钢的化学成分按重量百分比为C:0.23～0.27%，Si:≤0.06%，Mn:0.65～0.80%，Cr:0.95～1.20%，P:≤0.015%,S:≤0.005%,Mo:0.20～0.35%,Nb:0.015～0.035%,Al:0.010～0.040%,N:0.008～0.023%,O:≤15ppm,H:≤1.5ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述钢的化学成分满足Cu+Ni≤0.06%,Nb/93+Al/27-O*3/32≥N/14；
所述活塞销用钢的直径小于Φ55mm，圆钢的硬度为140HBW-160HBW；
所述钢的金相组织为球状珠光体、少量片状珠光体、以及铁素体，其中球状珠光体占比30%-35%，片状珠光体占比2%-4%，其余组织为铁素体，钢材的奥氏体晶粒度为6-9级。
2.一种如权利要求1所述的汽车用活塞销用钢的制造方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
（1）采用KR铁水预脱硫，KR预脱硫后铁水的硫含量控制在≤0.001%；转炉采用预脱硫的铁水与优质废钢进行冶炼，铁水占比≥98%；精炼炉精炼过程依次加入锰铁、铬铁、钼铁、调整钢水的成分，然后喂入铝线进行脱氧；RH炉真空脱气处理，钢水在低真空93-133Pa环境下保持10分钟，钢水经RH真空脱氢后H≤1.5ppm，然后加入FeNb70合金，同时采用底吹氮的方式提升钢水中的氮含量至0.008～0.023%，通过连铸方型结晶器浇铸出200mm*200mm的方形铸坯；
（2）连铸方坯入加热炉加热至1200℃，高温扩散时间≥4小时，高温扩散后铸坯经粗轧、中轧、精轧，最终轧制成直径小于Φ55mm的圆钢；
（3）轧制后的高温圆钢通过轨道送入退火炉球化退火，入炉温度≥650℃，加热温度为720℃-770℃，保温时间≥11小时，最后炉冷至530℃后出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的一种汽车用活塞销用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中退火分为三个阶段，第一阶段：加热温度为770℃，保温时间为4小时；然后以20℃/h的温降速度降温至720℃；第二阶段：加热温度为720℃，保温时间≥7小时；第三阶段：炉冷至530℃后出炉空冷。
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