CN101787484A - 铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢及其生产方法。该带钢中各化学成分按重量百分数计为C：0.09～0.15、Si≤0.01、Mn：0.25～0.55、P≤0.015、S≤0.015、Al：0.02～0.06，余量为Fe及不可避免的杂质。其生产方法包括铁水脱硫、转炉冶炼、吹氩、连铸、板坯加热、热连轧、层流冷却、卷取、酸洗、冷轧、罩式全氢炉退火、平整和精整等步骤。经对本发明带钢的力学综合性能检测发现，其不仅具有很高强度和良好的硬度，而且具有优良的粘结性和较高的表面精度，并且其生产工艺简单、生产成本低廉。

Description

铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及冷轧带钢，具体地指一种铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢及其生产方法。

背景技术

冷轧带钢是用于制作各种汽车发动机曲轴主轴瓦、连杆瓦等铜铅复合型轴瓦的钢背专用钢，对轴瓦起着支撑作用，影响轴瓦的疲劳强度和使用寿命，是制造轴瓦必不可少的材料。不同材料类型的轴瓦的生产工艺也不相同，对冷轧带钢的要求也不同。一般铜铅轴瓦的生产工艺如下：冷轧带钢剪切→冷轧带钢打毛→在冷轧带钢毛面布铜铅合金粉末→850℃左右烧结→轧制→冲压成轴瓦→轴瓦内表面(铜铅合金层)镗削。轴瓦内表面镗削是为了达到轴瓦所要求的壁厚精度，轴瓦厚度公差要求在0.007～0.01mm的范围内。轴瓦外表面(钢背)无镗削工艺，只要保证轴瓦的外观以及其与气缸的贴合度即可。

目前，我国轴瓦厂家生产轴瓦所用的冷轧精密带钢主要靠进口国外的优质碳素结构钢或采用普通冷轧钢板作原料。然而，普通冷轧钢板作原料的轴瓦钢背材料强度不够，晶粒粗大，在烧结过程中容易发生起皱现象。并且，如果轴瓦钢背材料成分设计不合理，如C含量偏高，在轴瓦钢背烧结工艺的加热和急速冷却过程中，钢背会产生魏氏组织，则轴瓦在使用过程中很容易开裂而导致报废。如Si含量过高，钢板表面洁净度就会不足，那么铜铅和冷轧带钢双层金属的粘结强度就会降低，导致轴瓦分层，这是轴瓦材料的致命缺陷，直接影响轴瓦的使用寿命。随着现代汽车的承载量不断加大，现有冷轧带钢的强度和硬度已不能满足轴瓦承载性的要求，轴瓦在实际工作中经常出现疲劳破损。虽然选用国外的优质碳素结构钢可以部分解决上述问题，但存在价格较贵、生产成本高、生产周期长等的问题。例如：专利申请号为DE19981034361的德国专利公开了一种含钛、氮和低铝的用于制造精密深冲硬化构件的冷轧带钢生产方法，该方法生产的轴瓦钢背材料采用添加微合金元素Ni、Ti的方法来满足材料的强度和塑性。专利申请号为JP19960179995的日本专利公开了一种用于覆层或背衬的具有易加工性和良好淬透性的薄钢板生产方法，其生产轴瓦钢背材料采用添加微合金元素B的方法来满足材料的强度和塑性。这些元素在钢板高温下固溶在钢基中，在随后的热轧及冷轧退火中以NiCN、TiCN、BCN等第二相颗粒形式析出，这些纳米级的细小颗粒可以有效阻止晶粒长大或粗化，从而获得晶粒尺寸细小的组织结构，达到保持良好延伸率和细晶强化效果。但是，添加这些微合金元素不仅增加材料的成本，而且给生产工艺的控制带来困难。并且，这两份专利文献中均未对决定着轴瓦使用寿命的双金属粘结强度(即轴瓦钢背与合金粘合的牢固强度)的性能参数情况做相应介绍。双金属粘结强度是轴瓦产品质量标准中的关键技术指标。轴瓦国家标准给出了轴瓦钢背与轴瓦合金粘结强度的概念和意义，即轴瓦钢背与轴瓦合金在单位粘合面积上所能承受的最大载荷。轴瓦国家标准规定，当更换轴瓦壳体及合金材料时以及改变合金浇注、轧制或者烧结方式、参数，改变机械加工方法，改变热处理规范时，都必须检验轴瓦的粘结强度。其粘结强度不得低于80MPa。依据GB/T6396-1995，粘结强度可按下面公式计算：σ＝4P/π(d₂ ²-d₁ ²)MPa，式中P为钢背与合金断裂载荷(N)，d₂为试样外径(mm)，d₁为试样内径(mm)。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢及其生产方法。该带钢不仅具有很高强度和良好的硬度，而且具有优良的粘结性和较高的表面精度，并且其生产工艺简单、生产成本低廉。

为实现上述目的，本发明所设计的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢，其特殊之处在于：该带钢中各化学成分按重量百分数计为：C：0.09～0.15、Si≤0.01、Mn：0.25～0.55、P≤0.015、S≤0.015、Al：0.02～0.06，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述带钢中，优选的各化学成分按重量百分数计为：C：0.12、Si≤0.005、Mn：0.25～0.55、P≤0.015、S≤0.015、Al：0.02～0.06，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的生产方法，包括铁水脱硫、转炉冶炼、吹氩、连铸、板坯加热、热连轧、层流冷却、卷取、酸洗、冷轧、罩式全氢炉退火、平整和精整的步骤，其特殊之处在于：

所述转炉冶炼步骤中，钢水的出钢温度控制在1630～1670℃，出钢结束温度控制在1600～1640℃；

所述吹氩步骤中，吹氩时间控制在5～10min；

所述连铸步骤中，浇注温度控制在1540～1550℃；

所述热连轧步骤中，加热温度控制在1180～1220℃、粗轧温度控制在1070～1130℃、终轧温度控制在860～900℃、卷取温度控制在640～680℃；

所述层流冷却步骤中，采用前段冷却方式进行冷却；

所述冷轧步骤中，压下率控制在50～60％；

所述罩式全氢炉退火步骤中，退火温度控制在680～720℃；

所述平整步骤中，平整延伸率控制在1.0～1.4％。

以下就本发明的化学成分及生产方法进行分析说明：

(1)化学成分

C是理想的间隙强化元素，其价格低廉，强化效果十分明显，C含量越高对强化效果越好。但C含量过高，由于轴瓦双金属的特殊生产工艺，即高温加热和急冷工序导致晶粒粗大，钢背容易形成魏氏组织，使强度降低而脆性增大，导致轴瓦使用过程中产生开裂。本发明材料中C的重量百分含量的上限值为0.15，下限值为0.09，它不仅能增强薄壁轴瓦的机械强度，而且可使轴瓦与机体座孔表面很好地贴合，本发明材料中C的重量百分含量优选值是0.12。

Al也是价格低廉的强韧化元素，具有强烈的细化晶粒作用，A1在炼钢过程中起到脱氧作用，Al在钢中与氮形成细小均匀的AlN，在热轧和冷轧连续退火过程中，阻止晶粒长大，以获得细小的铁素体晶粒金相组织，本发明中Al的重量百分含量控制在0.02～0.06，能对细化晶体起到很好的作用。

Si元素在本发明中没有设计为强化元素，因为带钢中Si元素含量过高，则易在钢材表面形成稳定致密的氧化物，严重影响铜铅合金的附着性，使轴瓦双金属发生分层现象。本发明将Si重量百分含量控制为≤0.01远低于普通冷轧钢的硅含量，较好的方案控制为≤0.005，能提高钢背材料表面洁净度，从成分上提高了轴瓦双金属的粘结强度，避免了双金属分层，提高了轴瓦的使用寿命。

Mn元素是常规的强韧化元素，作为奥氏体形成元素，可以扩大奥氏体区，降低终轧温度，推迟奥氏体转变，还可以同时起到细化晶粒的作用。考虑到成本和强度要求，本发明将Mn重量百分含量限定为0.25～0.55。

除C、Al、Mn以外，钢中未添加其它元素，S、P等元素均为钢中残余元素。S、P均为有害元素，其含量越低越好，S重量百分含量控制为≤0.015，P重量百分含量控制为≤0.015。

(2)生产方法

本发明的关键工艺技术参数如下：

a、铁水脱硫

硫是有害元素，钢中硫元素常以硫化锰形式存在，这种硫化物夹杂对钢的低温冲击韧性十分不利，并造成材料的各向异性，另外，如果带钢中硫含量偏高，会消耗过多的锰元素，影响材料的强韧化效果，或增加材料的成本。因此，硫含量越低越好。铁水通过脱硫处理，其硫的重量百分含量控制在0.005以下。

b、转炉炼钢

经过工业转炉顶底复合吹炼试验钢，考虑到满足本钢种要求和大生产需要，设定出钢目标温度为1650℃左右，原因如下：出钢温度首先取决于所炼钢种的凝固温度，而凝固温度要根据钢种的化学成分而定。设定出钢温度要根据包括凝固温度、钢液过热度、出钢过程温降、出钢完毕至精炼开始之前的温降、钢水精炼过程温降、钢水精炼完毕至开浇之前的温降、钢水从钢包至中间包的温降等因素的影响，本专利申请根据成分确定凝固温度以及实际生产中各段的温降，计算出上述的出钢目标温度。本钢种通过凝固温度计算公式计算为1524℃，而本发明设定出钢目标温度为1650℃左右，其它温度损耗根据大生产经验值，过热度约为20℃，出钢过程温降约为30℃，出钢完毕至精炼开始之前的温降约为8℃，吹氩精炼温降约为39℃，钢水精炼完毕至开浇之前的温降约为4℃、钢水从钢包至中间包的温降约为25℃。本发明控制钢水出钢温度在1630～1670℃范围，能很好地满足生产要求。

c、吹氩

氩气是转炉炼钢复吹和钢包吹氩精炼工艺的主要气源。钢包吹氩搅拌的作用表现为：一、能促进钢水温度均匀，从炼钢炉流到钢包的钢水，在钢包内的温度分布是不均匀的，钢包吹氩搅拌促使钢包钢水温度均匀，这样连铸过程中钢水温度稳定均匀，有利于提高铸坯内部质量，使结晶器内坯壳生长均匀，避免开浇水口冻钢断流。二、能均匀钢水成分，出钢时在钢包内加入大量的铁合金后，钢包里的成分不均匀，吹氩搅拌可使钢水成分均匀。具体操作时，在出钢过程就开始吹氩搅拌，在吹氩搅拌过程中根据快速分析提供的钢水成分而进行成分微调，以使钢的成分控制范围更窄，确保钢板性能均匀。三、能促使夹杂物上浮，搅动的钢水促进了钢中非金属夹杂物碰撞长大，上浮的氩气泡能够吸收钢中的气体，同时粘附悬浮于钢水中的夹杂物并带至钢水表面被渣层所吸收。本发明所述吹氩处理时间控制在5～10分钟，能够起到很好的技术效果。

d、连铸

所述连铸时采用保护浇注措施，大、中包采用长水口氩封保护浇注，中包钢流通道氩封，使用镁质材料和碱性中包保护渣，结晶器用绝热型保护渣；浇注温度为1540～1550℃，能保证钢水连续顺利浇注。

e、板坯加热

本发明的钢板合金元素含量不高，也未添加微合金化元素，为防止板坯过热或过烧，加热温度保持在1180～1220℃范围内。高温加热不仅能源消耗大、加热炉损伤大，而且钢板氧化严重，给轧钢除磷带来压力和困难。

f、热轧

热轧时粗轧温度控制在1070～1130℃范围，终轧温度设计在860～900℃范围内，可在保证钢板奥氏体单相区轧制以获得均匀的晶粒尺寸。钢板卷取温度设计在640～680℃范围内，是为保证一定的晶粒尺寸。

g、冷轧

钢板冷轧原始厚度为2.5～6.0mm，成品厚度在1.0～3.0mm，钢板的冷轧压下率控制在50～60％。

h、罩式全氢炉退火

罩式全氢炉退火是本发明获得铁素体+适量渗碳体组织结构的关键工艺，其工艺模式为：外卷温度控制在680～720℃，卷芯温度控制在600～640℃。

I、平整

产品的厚度精度直接影响轴瓦双金属加工精度和加工性能，厚度波动会使复合轧制时轧制压力不均导致粘结强度和产品精度下降，影响轴瓦制造工艺，造成废品。本发明采用光辊平整以保证表面粗糙度要求，实物粗糙度Ra≤0.6μm，厚度公差在-0.02～0mm范围内，提高了所生产的轴瓦外观质量。要严格控制平整辊质量和平整延伸率指标，平整延伸率为1.0～1.4％，保证了轴瓦以及轴瓦合金层的厚度精确性和冷轧带钢的力学性能，提高了轴瓦的耐磨性和抗咬和性。在生产轴瓦双金属带时，冷轧带钢一面经过打毛，有利于提高粘结强度，另一面由于冷轧带钢表面粗糙度低，表面质量好，光滑美观。

本发明的优点在于：所研制的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢是一种以C-Mn常规元素为主、降低硅元素含量的优质冷轧碳素钢，并且未添加任何微合金化元素或贵重元素，降低了生产成本。其生产时，采用铁水预处理、转炉复吹及炉外精炼等技术来纯净钢质，采用控制轧制和控制冷却工艺获得热轧态细晶组织，经相关道次及特定压下率的冷连轧后，进行罩式全氢炉退火处理，获得组织为铁素体+渗碳体，渗碳体尺寸及分布均匀，不会产生魏氏组织，在汽车发动机轴瓦的高温使用环境下，也不会导致轴瓦裂纹出现而发生抱瓦现象。经对本发明带钢的力学综合性能检测发现：该带钢既具有良好的冲压性能、很高的强度和硬度，又具有优良的粘结性、较高的表面精度。

附图说明

图1为本发明的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的金相组织结构图片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的冷轧精密带钢及其生产方法作进一步的详细说明：

表1列出了本发明实施例1～6中铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的化学成分重量百分数(余量为Fe及不可避免的杂质)。

表1：实施例1～6中带钢的化学成分重量百分数

实施例号	C	Si	Mn	P	S	Als
							1	0.123	0.008	0.45	0.013	0.006	0.041
2	0.150	0.01	0.55	0.012	0.007	0.020
							3	0.126	0.004	0.42	0.009	0.004	0.039
4	0.120	0.005	0.25	0.008	0.009	0.060
							5	0.09	0.004	0.46	0.015	0.007	0.045
6	0.121	0.007	0.45	0.010	0.015	0.045

上述实施例1～6所述铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的生产方法为：80吨容量的工业转炉顶底复合吹炼、采用铁水深脱硫技术使铁水中S的重量百分数≤0.005，转炉冶炼时设定钢水出钢温度控制在1630～1670℃，出钢结束温度控制在1600～1640℃。吹氩处理5～10min，采用细小颗粒保护渣连续浇注，浇注温度控制为1540～1550℃，得到连铸钢坯的厚度为210mm，检查清理后送入1200℃左右的钢坯加热炉重新加热，在2250mm轧机上采用控轧控冷技术进行热连轧，粗轧温度为1070～1130℃，随后分别在860～900℃的终轧温度和640～680℃的卷取温度控制下，获得厚度规格为2.5～6.0mm的热轧钢板。然后，采用前段冷却方式进行层流冷却、卷取、酸洗，再经50～60％的冷轧变形后，在罩式全氢炉中再结晶退火，退火温度控制在680～720℃，退火时间根据卷重大小控制在25～30h，退火钢卷再经单机架平整机组进行平整，平整辊为光辊表面，平整延伸率控制在1.0～1.4％，以保证带钢获得好的板形、力学性能和一定的粗糙度要求。最后通过精整获得本发明的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢。

采用横向试样对上述实施例1～6所得产品进行屈服强度(ReL)、抗拉强度(Rm)、伸长率(A80mm％)、180°宽冷弯、双金属粘结强度等力学性能测试，对应的测试结果见表2。

表2：实施例1～6的带钢产品力学性能测试结果

实施例号	板厚mm	ReL(MPa)	Rm(Mpa)	A80mm(％)	硬度HRB	180°宽冷弯b＝35mm，d＝0	粘结强度(MPa)
								1	1.0	245	380	41	57	合格	150
2	1.2	235	380	45	60	合格	150
								3	1.5	230	400	41	60	合格	153
4	2.0	240	395	43	58	合格	159
								5	2.5	235	385	44	57	合格	153
6	3.0	240	390	42	57	合格	152

通过表2的测试数据可以看出，实施例1～6所生产带钢的屈服强度为230～245MPa，抗拉强度为380～400MPa，延伸率为41～45％，洛氏硬度值为HRB 57～60，制成轴瓦的双金属粘结强度为150～159MPa，远高于现有轴瓦企业要求的粘结强度不得低于80MPa的标准。其中：实施例4所生产的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的金相组织结构见图1，从图1可知其组织为等轴铁素体+少量均匀分布在铁素体晶界上的渗碳体，晶粒度为8.5级，表明其具有良好的综合力学性能。综上所述，本发明的各实施例既具有很高的强度和良好的硬度，又具有优良的粘结性和较高的表面精度，可以满足铜铅轴瓦的成型与制作需要，并可以推广应用到同类产品上。与国外同类带钢相比，不仅生产工艺简单、生产成本低廉，而且力学性能优良、成型性能稳定，具有良好的市场应用前景以及显著的社会效益和经济效益。

Claims (3)

1.一种铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢，其特征在于：该带钢中各化学成分按重量百分数计为：C：0.09～0.15、Si≤0.01、Mn：0.25～0.55、P≤0.015、S≤0.015、Al：0.02～0.06，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢，其特征在于：该带钢中各化学成分按重量百分数计为：C：0.12、Si≤0.005、Mn：0.25～0.55、P≤0.015、S≤0.015、Al：0.02～0.06，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.一种权利要求1所述的铜铅轴瓦钢背用低硅冷轧精密带钢的生产方法，包括铁水脱硫、转炉冶炼、吹氩、连铸、板坯加热、热连轧、层流冷却、卷取、酸洗、冷轧、罩式全氢炉退火、平整和精整的步骤，其特征在于：

所述转炉冶炼步骤中，钢水的出钢温度控制在1630～1670℃，出钢结束温度控制在1600～1640℃；

所述吹氩步骤中，吹氩时间控制在5～10min；

所述连铸步骤中，浇注温度控制在1540～1550℃；

所述热连轧步骤中，加热温度控制在1180～1220℃、粗轧温度控制在1070～1130℃、终轧温度控制在860～900℃、卷取温度控制在640～680℃；

所述层流冷却步骤中，采用前段冷却方式进行冷却；

所述冷轧步骤中，压下率控制在50～60％；

所述罩式全氢炉退火步骤中，退火温度控制在680～720℃；

所述平整步骤中，平整延伸率控制在1.0～1.4％。