CN101376948A - 一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢的制造方法，包括如下步骤：a)轴承钢的成分质量百分比为：C 0.55～0.58、Si0.15～0.35、Mn 0.80～0.85、P≤0.030、S≤0.015、Cr 0.10～0.20、Ni≤0.25、Cu≤0.20、Mo≤0.08、Al 0.008～0.015、Ti≤30ppm、O≤15ppm，其余为Fe和不可避免杂质；b)冶炼，电炉初炼+钢包炉精炼+真空脱气，c)连铸成钢坯，d)轧制。本发明采用的工艺流程与现有技术相比，流程明显缩短，生产成本降低；生产的汽车轮毂轴承抗冲击和抗扭转性能，耐磨性和疲劳寿命良好。

Description

一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及汽车用钢及其生产方法，尤其是汽车轮毂用中碳轴承钢的方法。

背景技术

汽车轮毂轴承是汽车底盘系统的重要部件之一，其品质直接关系到汽车的安全性、稳定性及可靠性。传统的汽车轮毂轴承结构是两套轴承，要求汽车装配工人自行选配游隙，填装润滑脂，常造成游隙调整不准，润滑脂易受污染等问题。第一代轮毂轴承单元将两套轴承设计成一套轴承，调整好游隙，装好润滑脂，降低了加工、装配成本。传统的汽车轮毂轴承和第一代轮毂轴承单元都采用高碳铬轴承钢生产。第二代(第三代)汽车轮毂轴承单元是在第一代汽车轮毂轴承单元的基础上，将轴承外圈与法兰盘集成为一体。考虑到法兰盘将承受一定的冲击载荷和扭转载荷，耐磨性较差的低碳钢不适用汽车轮毂，而耐磨性能较好的高碳铬轴承钢，抗冲击和扭转性能较差，因此将带法兰盘的内、外圈改用中碳钢生产。与滚子接触的内侧采用高频感应淬火，提高其硬度和耐磨性。

简而言之，生产汽车轮毂的中碳轴承钢不但需要有一定的抗冲击和抗扭转性能，与其它轴承钢一样，还需要有高的耐磨性和长寿命。

以往带法兰盘的内、外圈，采用G4051 S55C钢生产，1993年的JIS(日本钢铁标准)提供的S55C化学成分见表1：

            表1

 

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Ni+Cr
									0.52～0.58	0.15～0.35	0.60～0.90	≤0.030	≤0.035	≤0.20	≤0.20	≤0.30	≤0.35

随着汽车制造商对轮毂材料的要求越来越高，表1提供的S55C钢成分存在如下问题：1、C、Mn的下限成分太低，当钢材的C、Mn成分都处在下限时，高频淬火后的硬度达不到HV700～800的零件要求，造成高频淬火后的滚道面上硬度低，影响其耐磨性能。2、S含量上限太高，造成硫化物含量高，影响其疲劳寿命。3、对以氧化物形式存在的O含量和Al含量未加以控制，导致钢中夹杂物含量高，降低了疲劳寿命。

韩国某钢厂对上述S55C钢的化学成分进行了优化，其化学成分质量百分比为：C 0.4～0.7、Si 0.1～0.4、Mn 0.4～1.00、P≤0.015、S≤0.010、Cr0.1～0.4、Al 0.025～0.028，O≤10ppm。

上述化学成分存在以下问题：

1.Al含量较高，易造成钢中氧化物夹杂增加，且影响轮毂的疲劳寿命，还会造成连铸过程中的水口结瘤。当结瘤物被冲入结晶器，会造成钢中大颗粒夹杂。

2.对Ti含量未加以控制，Ti含量过高，会产生大颗粒TiN或TiCN，这种菱形的坚硬的夹杂物对轮毂轴承的疲劳寿命十分有害。

汽车轮毂用中碳轴承钢的生产一般采用连铸大方坯→轧制方坯→轧制成材的工艺路线。上述韩国某钢厂就采用高炉→铁水预处理→转炉吹炼→LF→RH→连铸大方坯→轧制120方坯→轧制成材的工艺流程。该制造工艺的优点是：连铸坯到材的压缩比大，钢材的芯部质量有保障。

但是，上述工艺存在的问题是：

连铸大方坯需要开坯后才能轧制成材，生产成本较高。一般说来，连铸大方坯开坯成小方坯的内在质量明显好于连铸小方坯。但采用连铸小方坯直接轧制成材，省去了开坯工序，可明显降低生产成本。但对质量要求很高的汽车轮毂轴承用钢来说，要想做到一火成材，存在不少的技术难点。首先为了满足中心疏松C≤2级，必须降低连铸坯的缩孔级别，而连铸大方坯压缩比大，中心疏松不易超标；其次要解决铝镇静钢连铸浇钢顺行(水口不能堵塞)又不能加钙的矛盾(加钙后含铝的夹杂物变性，不易堵塞水口，但含钙的夹杂物对轴承的疲劳寿命十分有害)，而连铸大方坯的浇钢水口大，产生堵塞的可能性减小。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢及其制造方法，生产流程明显缩短，生产成本降低。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢，其成分质量百分比为：

C     0.55～0.58

Si    0.15～0.35

Mn    0.80～0.85

P     ≤0.030

S     ≤0.015

Cr    0.10～0.20

Ni    ≤0.25

Cu    ≤0.20

Mo    ≤0.08

Al    0.008～0.015

Ti    ≤30ppm

其余为Fe和不可避免杂质；

其中，O≤15ppm。

在本发明的成分中，

Al，含量控制在0.008～0.015％范围内，Al含量过低，会导致钢材晶粒粗大，影响使用性能；Al含量过高会增加钢中Al₂O₃夹杂的含量，影响钢材纯净度；Al含量过高还会在连铸过程造成水口结瘤，若结瘤物被冲入结晶器，可能使钢中产生大颗粒夹杂物，对钢材的使用危害极大；一旦结瘤严重还可能造成水口堵塞，导致连铸失败。

Ti，含量控制在不大于30ppm的范围内，Ti含量过高，会产生大颗粒TiN(或TiCN)，这种菱形的坚硬的夹杂物在轮毂轴承的冲击、抗转作用下会产生应力裂纹并使裂纹扩张，最终导致轮毂轴承失效。如果该夹杂物出现在轮毂轴承的滚道上或滚道的近表层，在交变应力的作用下会产生疲劳剥落，影响其抗耐磨性能并导致轴承失效。当Ti含量≤30ppm时，如图1所示，对疲劳寿命的影响会显著减小。

本发明低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢的制造方法，包括如下步骤：

a)轴承钢的成分质量百分比为：C 0.55～0.58、Si 0.15～0.35、Mn0.80～0.85、P≤0.030、S≤0.015、Cr 0.10～0.20、Ni≤0.25、Cu≤0.20、Mo≤0.08、Al 0.008～0.015、Ti≤30ppm、O≤15ppm，其余为Fe和不可避免杂质；

b)冶炼，电炉初炼+钢包炉精炼+真空脱气，钢包精炼过程的脱氧采用沉淀脱氧加扩散脱氧，成分调整采用逼近法将成分调整至规格中限；真空脱气在高真空下保持20～25分钟，真空结束后喂铝线0.008％，软吹氩10～20分钟；

c)连铸成钢坯，钢液浇铸温度：液相线温度+56～61℃，从钢包到结晶器的整个过程中，高温钢水始终处于与大气隔离的保护状态；

d)轧制，加热：加热温度900～1250℃，加热时间≥3h，温差≤40℃；然后进行常规轧制。

另，本发明轧制后的堆桩温度为300-400℃，防止硬度超标准。

在本发明中，

解决铝镇静钢不加钙连铸的问题：将Al含量控制在0.008～0.015％范围内，既可保证晶粒度细于5级，又可保证浇钢顺行，基本不发生液位波动。

连铸工序中，从大包到结晶器的整个过程中，高温钢水始终处于与大气隔离的保护状态。结晶器和二冷末端，采用电磁搅拌。连铸坯拉速、过热度及二冷段冷却强度的选择应有利于去除气体、夹杂物，均匀成份和温度，减轻偏析(正偏析和负偏析)；连铸坯规格满足一火成材要求；铸坯边长允许偏差、对角线长度之差和弯曲度应满足相应轧机需求。

为了使钢材的中心疏松C≤2级，本发明在连铸坯的末端进行电磁搅拌，减轻连铸坯的中心缩孔和偏析。但如果冷却强度、拉速、过热度、电搅强度等参数选择不当，会造成铸坯和钢材出现负偏析(白亮带)。由于轮毂轴承的外圈是不规则变形，“白亮带”可能延伸至滚道的工作面，导致工作面的硬度不均匀，影响轮毂轴承的使用寿命。曾经发生过因此导致的质量异议，“白亮带”和基体的硬度相差约10％。本发明通过对末端电磁搅拌的电流强度、旋转方式以及连铸冷却水量，拉速、过热度等参数进行反复的试验优化，较好的解决了这一难题，改进后提供钢材约3万吨，用户未提出因“白亮带”导致的质量异议。

轧后可采用穿水，减轻棒材表面擦伤。控制轧制支数和节奏，即要求冷床上最多只能摆放2车料，一车料在甩直板上，一车料在冷剪输入辊道上，都以密排方式操作；冷床各区域要尽快完成锯切(一般工艺采用剪切)、横移、输送、收集、捆扎、吊运和堆桩工序操作，尽可能保证较高的堆桩温度；满足HB≤241的要求。

本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：

1、将铝控制在0.008～0.015％的范围内，可同时保证钢材晶粒细小、氧化物类夹杂少，连铸过程顺行。

2、钛控制在≤30ppm的范围内，可减少对轮毂轴承疲劳寿命十分有害的TiN(TiCN)夹杂物数量和尺寸，参见图1。

3、采用电炉冶炼+连铸+连轧工艺，生产流程短，成本低。

与韩国专利相比，本发明C的控制范围进一步加严。众所周知，这将使轮毂轴承滚道面的硬度差进一步缩小，但控制难度加大。

本发明采用的工艺流程为：电炉→LF→VD→连铸钢坯→轧制成材。与现有技术如韩国专利相比，流程明显缩短，生产成本降低；生产的汽车轮毂轴承抗冲击和抗扭转性能，耐磨性和疲劳寿命良好。

附图说明

图1为钛含量对疲劳寿命的影响。

具体实施方式

实施本发明方法，采用三步法生产工艺流程：冶炼(电炉初炼+钢包炉精炼+真空脱气)；连铸；连轧，成功生产了汽车轮毂用中碳轴承钢；成分参见表2。

第一步，在EBT型(EBT，偏心底出钢技术)电炉(EAF)中进行钢液初炼，在容量与之匹配的钢包炉进行吹氩精炼，在容量与之匹配的钢包炉进行真空脱气处理：

初炼炉配料、冶炼及出钢按常规工艺；钢包炉精炼过程中保证钢液不裸露渣面；升温化渣，顶渣熔化呈液态时，分1～2批加入石灰2～4Kg/t，同时钢包渣面分2～3批加入Fe—Si粉进行顶渣的钢液扩散脱氧；

温度达到1530～1550℃时，取样调整成份(碳调整至0.55～0.58％，目标值0.56％；锰调整至0.80～0.85％，目标值0.82％；)；喂铝线25～35Kg/t(将铝调整至0.035％)；

当成分调整至规格中限(目标值)，温度达到1610～1620℃时，将钢包吊入VD工位；钢包吊入VD工位后取样、喂铝线0.20～0.40Kg/t(将Al加至0.040％)；合盖抽真空，控制进泵速度，避免大沸腾导致放气，真空度达到50～140Pa后保持20～25分钟；破真空后喂铝0.008％，均匀后取样分析，根据温度情况软吹氩(钢液不裸露)10～20分钟(常规工艺无此操作)，达到清洗钢液的目的；

取样分析，微调C、Mn、Si、Cr等元素至成分规格中限(在绝大多少情况下，此时的成分已经调整到位)；吊包温度：第一包1540～1545℃，跟包1535～1540℃。

第二步，将高温钢液连铸(CC)成合格钢坯：

钢液浇铸温度，液相线温度+56～61℃，第一包为液相线温度+61～66℃，中间包过热度，液相线温度+10～40℃；

从大包到结晶器的整个过程中，高温钢水始终处于与大气隔离的保护状态：大包钢水到中间包，采用吹氩密封长水口；中间包钢水到结晶器，采用侵入式水口；中间包和结晶器，用保护渣覆盖；

结晶器和二冷末端，采用电磁搅拌；确保铸坯的C偏析C/C_o≤1.10，等轴晶比≥45％，各类裂纹出现率≤2.5％。成材后低倍评级满足S、R、C不大于2级。

第三步，将合格钢坯轧制成合格钢材：

连铸坯准备：220mm×220mm×(4800mm～6000mm)，连铸坯规格应满足一火成材要求；铸坯边长允许偏差、对角线长度之差和弯曲度应满足相应轧机需求。

均热段温度控制在中下限；表面氧化铁皮清除干净，进行常规轧制；

                     表2

Claims (3)

1.一种低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢，其成分质量百分比为：

C             0.55～0.58

Si            0.15～0.35

Mn            0.80～0.85

P             ≤0.030

S             ≤0.015

Cr            0.10～0.20

Ni            ≤0.25

Cu            ≤0.20

Mo            ≤0.08

Al            0.008～0.015

Ti            ≤30ppm

其中，O≤15ppm

其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢的制造方法，包括如下步骤：

a)轴承钢的成分质量百分比为：C 0.55～0.58、Si 0.15～0.35、Mn0.80～0.85、P≤0.030、S≤0.015、Cr 0.10～0.20、Ni≤0.25、Cu≤0.20、Mo≤0.08、Al 0.008～0.015、Ti≤30ppm、O≤15ppm，其余为Fe和不可避免杂质；

b)冶炼，电炉初炼+钢包炉精炼+真空脱气，钢包精炼过程的脱氧采用沉淀脱氧加扩散脱氧，成分调整采用逼近法将成分调整至规格中限；真空脱气在高真空下保持20～25分钟，真空结束后喂铝线0.008％，软吹氩10～20分钟；

c)连铸成钢坯，钢液浇铸温度：液相线温度+56～61℃，从钢包到结晶器的整个过程中，高温钢水始终处于与大气隔离的保护状态；

d)轧制，加热：加热温度900～1250℃，加热时间≥3h，温差≤40℃；然后进行常规轧制。

3.如权利要求2所述的低成本高纯净度汽车轮毂用中碳轴承钢的制造方法，其特征是，轧制后的堆桩温度为300-400℃。

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