CN101805874B - 一种发动机凸轮轴用低碳锰铬钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凸轮轴用低碳锰铬钢及其制造方法，这种钢的组成按重量百分数为：C：0.17～0.22％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.00～1.50％，Cr：1.00～1.50％，P：0.005～0.025％，S：0.001～0.020％，Cu：0.01～0.20％，Ni：0.01～0.20％，Al：0.010～0.060％，[0]：0～15×10-4％，余为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼及合金化、连铸浇注铸坯、热轧制工艺，电炉冶炼，终点[C]≥0.10％、P≤0.015％，1620～1650℃出钢；LF炉外精炼，VD真空脱气处理。采用全保护连铸浇注铸坯，热轧制成材。本发明的低碳锰铬钢具有高淬透性、高纯净度，用于制造大功率发动机凸轮轴。
Description
技术领域
本发明属于保淬透性结构钢技术领域，特别涉及一种大功率发动机凸轮轴用高性能低碳锰铬钢及其制造方法。
背景技术
凸轮轴是内燃机配气机构中关键零件之一，用以控制气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程，对整个配气系统的性能起着决定性的作用。工作时凸轮表面和摇臂或挺柱之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度，而且需要承受很大的扭矩，这就要求凸轮轴有足够的韧性和刚度，凸轮表面有良好的耐磨性能和抗冲击性能。随着发动机功率和转速的不断提高，凸轮轴的设计制造向着材料优化、结构紧凑、工序简化、质量轻、成本低的目标发展。近代科学技术的发展，使凸轮轴的生产从材料到加工工艺都产生了飞跃性的进步。制造凸轮轴传统材料采用20CrH齿轮钢等材料，由于该钢种淬透性以及性能的局限性，在大功率发动机等领域已经不能满足高使用性能的要求。
发明内容
本发明主要针对大功率发动机凸轮轴的要求，提供一种高性能的锰铬钢以及制造方法，提高钢的淬透性和纯净度。
发动机凸轮轴是影响汽车发动机整体性能的重要零件，在钢材制作加工上有直接切削加工和楔横轧制两种方式，对钢材的淬透性能、钢材内部质量和表面质量要求十分严格，针对凸轮轴对钢材的高质量、高性能要求，本发明主要解决的技术问题是钢的成分优化设计、生产工艺参数的优选。以使得本发明钢具有高淬透性、高纯净度，适于制造大功率发动机凸轮轴产品，满足了凸轮轴高使用性能要求，属于保证淬透性的齿轮钢。
本发明的技术方案如下：
一种低碳锰铬钢，钢的组成按重量百分数为：
C：0.17～0.22％ S：0.001～0.020％
Si：0.17～0.37％ Cu：0.01～0.20％
Mn：1.00～1.50％ Ni：0.01～0.20％
Cr：1.00～1.50％ Al：0.010～0.060％
P：0.005～0.025％ [O]：0～15×10-4％
余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之一在于成分的优化设计。作为一种保淬透性渗碳结构钢，为适应凸轮轴工作条件，特别选择C：0.17～0.22％；淬透性是齿轮钢最重要的性能指标，大功率发动机凸轮轴产品规格大，为提高钢的淬透性，采用Mn、Cr搭配合金化。为保证钢的性能稳定一致和纯净度，实现钢窄淬透性控制，特别选择设计Mn：1.00～1.20％，Cr：1.00～1.20％；Al控制在0.020～0.025％对降低DS类夹杂物也起到积极的作用；钢中喂入CaSi线后Ca/Al比控制在0.07～0.14对降低DS类大颗粒夹杂物会产生积极影响。
优选的，低碳锰铬钢，钢的组成按重量百分数为：
C：0.17～0.22％ S：0.001～0.020％
Si：0.17～0.37％ Ni：0.01～0.20％
Mn：1.00～1.20％ Cu：0.01～0.20％
Cr：1.00～1.20％ Al：0.020～0.028％
P：0.005～0.025％ [O]：5～15×10-4％
余为Fe和不可避免的杂质。
最优选的，钢的组成按重量百分数为：
C：0.20～0.21％ S：0.002～0.010％
Si：0.20～0.25％ Ni：0.04～0.05％
Mn：1.12～1.16％ Cu：0.05～0.06％
Cr：1.11～1.15％ Al：0.020～0.026％
P：0.005～0.025％ [O]：10～15×10-4％
余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的另一技术特点在于合理的生产工艺，保证钢的性能质量。
一种低碳锰铬钢的制备方法，包括冶炼及合金化、连铸浇注铸坯、热轧制工艺，钢的化学成分设计要求如上所述，步骤如下：
(1)冶炼及合金化
采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10％、P≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1620～1650℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度控制在2.5～3.5；白渣保持时间20～30min；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa保持时间20～30min，VD后软吹氩时间10-15min。
(2)连铸浇注铸坯
采用全保护连铸浇注铸坯，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数150A/12Hz，控制连铸中间包钢水温度为1530～1540℃，连铸拉坯速度为0.55～0.75m/min。
(3)热轧制
为有效控制钢材带状组织，应保证加热均匀，并适当提高终轧温度，控制轧制比。设计钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2.5～3h；开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃；轧制比控制在12～30的圆钢。
本发明的低碳锰铬钢具有高淬透性、高纯净度，用于制造大功率发动机凸轮轴。
与现有技术相比，本发明的技术特点及优良效果主要包括以下几个方面：
1.本发明钢是一种低碳锰铬钢，成分设计采用Mn、Cr搭配合金化提高钢的淬透性，特别适用于制造大功率发动机凸轮轴产品。
2.本发明通过生产工艺的优化设计，钢材氧含量严格控制在15×10-4％以下，显微组织和钢材内部质量良好，满足了钢材直接切削和楔横轧制不同加工要求。
3.精炼渣碱度以及钢中铝含量对DS类夹杂物的形成有关，对本发明的低碳齿轮钢，特别优选精炼渣碱度控制在2.5～3.5；白渣保持时间20-30分钟。有利于大于5μm夹杂物数量及其所占比例的下降，钢的洁净度得到改善。
4.连铸浇注铸坯采用低过热度，控制中间包钢水温度1530～1540℃，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数150A/12Hz，保证铸坯质量。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明的技术方案，但不限于此。
本发明低碳锰铬钢是采用UHP(超过功率电炉)，LF(炉外精炼)，VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯，热轧制成材工艺生产钢材。实施例是以Φ90mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
低碳锰铬钢的生产工艺步骤为：
(1)冶炼及合金化，采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10％、P≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1620～1650℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度控制在2.5～3.5，白渣保持时间25min；VD真空脱气处理，真空度65Pa保持时间25min，VD后软吹氩时间15min。
(2)连铸浇注铸坯，采用全保护浇注，控制连铸中间包钢水温度为1535～1540℃，连铸拉坯速度为0.55～0.75m/min。
(3)热轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1190～1210℃，加热时间为2.8～3h；开轧温度1110～1130℃，终轧温度950～980℃；轧制比控制在12～30。
具体参数见表1、表2和表3。表1是实施例1-3钢的化学成分，表2是实施例1-3生产工艺参数：连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度。表3是实施例1-3钢的非金属夹杂物和淬透性，测定方法按本领域常规方法。
表1：低碳锰铬钢实施例化学成分和氧含量(重量，％)
| 实施例 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Al | Cu | Ni | [O]×104 | Fe |
| 1 | 0.20 | 0.25 | 1.12 | 1.15 | 0.02 | 0.010 | 0.026 | 0.05 | 0.04 | 10 | 余量 |
| 2 | 0.21 | 0.24 | 1.15 | 1.13 | 0.015 | 0.002 | 0.020 | 0.05 | 0.05 | 14 | 余量 |
| 3 | 0.20 | 0.20 | 1.16 | 1.11 | 0.016 | 0.005 | 0.025 | 0.06 | 0.04 | 15 | 余量 |
表2：连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度
| 实施例 | 连铸中间包钢水温度，℃ | 连铸拉坯速度，m/min | 钢坯均热温度，℃ | 均热时间h | 开轧温度℃ | 终轧温度℃ |
| 1 | 1535 | 0.70 | 1200 | 2.9 | 1130 | 950 |
| 2 | 1540 | 0.69 | 1210 | 2.8 | 1110 | 980 |
| 3 | 1538 | 0.67 | 1190 | 3.0 | 1120 | 960 |
表3：低碳锰铬钢非金属夹杂物和淬透性
按GB/T10561-2005检验钢材非金属夹杂物，根据夹杂物的形态和分布检验A类硫化物类型、B类氧化铝类型、C类硅酸盐类型和D类球状氧化物类型；每类夹杂物按其厚度或直径的不同又分为粗系和细系两个系列。按GB/T225检验钢材淬透性，J9、J15分别表示距离淬火端面9、15mm处的硬度值。
Claims (1)
1.一种发动机凸轮轴用低碳锰铬钢的制备方法，钢的组成按重量百分数为：
C：0.20～0.21％ S：0.002～0.010％
Si：0.20～0.25％ Ni：0.04～0.05％
Mn：1.12～1.16％ Cu：0.05～0.06％
Cr：1.11～1.15％ Al：0.020～0.026％
P：0.005～0.025％ [O]：10～15×10-4％
余量为Fe和不可避免的杂质；
制备方法包括冶炼及合金化、连铸浇注铸坯、热轧制工艺，钢的化学成分设计要求如上所述，步骤如下：
(1)采用电炉冶炼，终点[C]≥0.10％、P≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，且钢水温度达到1620～1650℃出钢；LF炉外精炼，精炼渣碱度控制在2.5～3.5；白渣保持时间20-30分钟；VD真空脱气处理，真空度小于67Pa保持时间20-30分钟，VD后软吹氩时间10-15分钟；
(2)采用全保护连铸浇注铸坯，结晶器电磁搅拌参数200A/3.0Hz，末端电磁搅拌参数150A/12Hz，控制连铸中间包钢水温度为1530～1540℃，连铸拉坯速度为0.55～0.75m/min；
(3)热轧制成材，钢坯在加热炉的均热温度为1180～1220℃，加热时间为2.5～3h；开轧温度1080～1120℃，终轧温度900～1000℃；轧制比控制在12～30，轧制成圆钢。
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