CN102899589A

CN102899589A - 一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法

Info

Publication number: CN102899589A
Application number: CN2012103604381A
Authority: CN
Inventors: 魏元生
Original assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Current assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-30

Abstract

一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法，用于解决现有非调质钢机械性能难以满足高强度零件要求的问题。它将原料经熔炼、轧制和锻造工序制成，所述非调质贝氏体钢化学成分按质量百分比计为：C0.39%-0.44%，Si0.2%-0.4%，Mn1.2%-1.7%，S≤0.35%，P≤0.35%，Cr0.5%-0.8%，Ni≤0.20%，Mo≤0.15%，V0.1%-0.2%，B0.001%-0.003%，Ti0.02%-0.045%，Al0.01%-0.035%，Cu≤0.2%，N≤70ppm，余量Fe。本发明材料具有与调质钢强度相媲美的性能，同时具备非调质钢节能、利于切削、成品率高、加工成本低等优点。

Description

一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法

技术领域

本发明涉及一种特种钢材及制备方法，特别是用于制作汽车发动机曲轴、半轴、转向节等零件的高强度非调质贝氏体钢及制备方法。

背景技术

汽车底盘转向节、轮毂、半轴、发动机曲轴、连杆等部件多采用碳素结构钢或低合金结构钢制作，为达到良好的综合力学性能，需经过调质处理（淬火+高温回火）。如42CrMo为常用制作曲轴的调质结构钢，用于制作曲轴的工艺如下：原料下料—锻造毛坯—毛坯调质—尺寸矫形—机械加工—表面强化。这种传统材料及加工工艺存在的问题是：1.在毛坯加工前进行的调质工序，需要较大的能源消耗，约500元/吨钢；热处理后的尺寸矫正工序会产生3%的表面缺陷（如：裂纹、压痕等）；对于大截面零件，由于钢材淬透性原因，中心组织淬不透造成心部软点，质量稳定性较差；2. 调质钢大多在调质状态下使用，塑性高、韧性好，但是切削性能较差，切削刀具磨损较大，切削效率低下，加工成本高；3.为防止毛坯在热处理时产生的表面氧化脱碳、影响零部件的疲劳性能，一般毛坯留有一定厚度余量，在切削加工时将氧化脱碳层去掉，这样增加了切削量，使材料利用率降低。

近年来为了节约能源，降低制造成本，相继开发出一系列不需调质处理、锻后冷却直接使用的非调质结构钢，非调质结构钢在热轧和锻造状态即能达到良好的综合机械性能，减掉热处理工序和热处理设备，避免了在热处理过程中产生变形或淬火裂纹所造成的废品，改善了劳动条件并减少环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。但就目前已开发的铁素体+珠光体型非调质钢而言，其强度一般较低，机械性能难于与目前汽车发动机曲轴、半轴应用的高强度调质钢42CrMo性能相媲美，因而限制了非调钢在高性能要求的汽车零部件领域的应用。

发明内容

本发明用于克服已有技术的缺陷，提供一种可满足汽车发动机曲轴、半轴、转向节等零件要求的高强度非调质贝氏体钢及制备方法。

本发明所称问题是以下述技术方案解决的：

一种高强度非调质贝氏体钢，它将原料经熔炼、轧制和锻造工序制成，其特别之处是：所述钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.39%-0.44%，Si 0.2%-0.4%， Mn 1.2%-1.7%，S≤0.35%，P≤0.35%， Cr 0.5%-0.8%， Ni≤0.20%， Mo≤0.15%， V 0.1%-0.2%， B 0.001%-0.003%，Ti 0.02%-0.045%，Al 0.01%-0.035%，Cu≤0.2%，N≤70ppm，余量为Fe。

上述高强度非调质贝氏体钢，其锻后快速风冷组织为少量晶内铁素体+粒状贝氏体，锻件抗拉强度σb可达1085 Mpa，屈服强度σs可达795 Mpa。

一种制备上述高强度非调质贝氏体钢的方法，它将原料经熔炼、轧制和锻造工序制成，所述熔炼工序采用电炉+炉外精炼+真空脱气或转炉+炉外精炼+真空脱气；所述轧制工艺采用连铸+轧坯+挤压棒材+坑内缓冷；所述锻造工艺：棒料加热至1200℃，始锻温度：1200℃,终锻温度：950℃，快速空气冷却至室温，冷却速度不小于50℃/S。

本发明针对目前非调质钢机械性能难以满足汽车发动机曲轴、半轴等零件强度要求的问题进行了改进，提供一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法。本发明材料通过多种合金元素的共同作用，消除了现有非调质钢中网状铁素体组织，形成粒状贝氏体组织，具有与调质钢42CrMo强度相媲美的性能，同时具备非调质钢共有的节能、利于切削、成品率高、加工成本低等优点，扩大了非调质钢的应用范围，完全可以满足一些强度要求高的结构件如：汽车发动机曲轴、半轴、转向节等零件的性能要求。采用本发明材料制备零部件，具有减少能源消耗，节约材料，减少加工工序，降低生产成本，减少环境污染等优点，具有良好的经济效益和社会效益。

具体实施方式

本发明所述高强度非调质贝氏体钢，通过成分配比设计和冶炼工艺制定，形成新的复合强化机制，使其强度不低于调质钢42CrMo，综合机械性能较好，能够满足高强度载荷工况要求。为提高材料强度，本发明合金成分设计时制定如下方案：1.增加对材料强度有较明显增强作用的V元素含量，V元素的含量从现有非调质钢0.08—0.13%提高到0.1-0.2%；2.微量添加对材料强度和冲击韧性均有提高作用的合金元素：Mn、Cr、Mo、Ni元素；3.微量添加与钢中残余元素N有很强亲和力的Al、Ti元素，形成难熔化合物AlN，分布于奥氏体晶界，对奥氏体晶粒长大有抑制作用，提高钢的冲击韧性；4.微量添加B元素，提高钢材的淬透性，使钢在锻后空冷条件下消除传统非调钢的网状铁素体分布，形成少量晶内铁素体+粒状贝氏体组织，提高钢的整体强度。

对比传统非调质钢49MnVS3与本发明非调质贝氏体钢显微组织可以看出，传统非调质钢49MnVS3锻后快冷组织，铁素体以网状形式分布于晶界，晶粒内部为珠光体组织。由于铁素体组织强度很低，因此高强度的晶体被软化组织铁素体隔离，使钢的强度和韧性降低。为了克服上述缺陷，本发明通过成分中添加V、Al等C、N化合物性能元素，形成VN、AlN、VC，当钢从1200℃高温冷却时，首先在奥氏体晶粒内的MnS夹杂上析出，成为铁素体晶核，然后形成晶内铁素体，将传统非调质钢的网状铁素体分布改变为晶内分布，锻后快冷组织为少量晶内铁素体+粒状贝氏体，从而在显著提高强度的同时，保持一定的冲击韧性。

表1中列出了常用于制作曲轴的调质钢42CrMo、非调质钢49MnVS3和本发明材料的力学性能，从表中数据可看出，传统非调质钢49MnVS3的抗拉强度σb，屈服强度σs与调质钢42CrMo相比低很多，用它来替代传统的调质钢42CrMo制作柴油发动机曲轴等零件有风险，由于柴油发动机马力大，输出扭矩高，需要有较高的强度和良好的综合机械性能。本发明材料锻件性能的强度接近或超过调质钢42CrMo，完全能够满足曲轴等零部件的强度要求，其它性能指标通过台架疲劳寿命验证亦能够满足要求。

表1

。

以下提供本发明高强度非调质贝氏体钢化学成分按质量分数百分比配比实施例：

实施例1：C 0.39%，Si 0.4%， Mn 1.2%，S 0.35%，P 0.35%， Cr 0.6%， Ni 0.20%， Mo 0.15%， V 0.1%， B 0.002%，Ti 0.02%，Al 0.01%，Cu 0.2%，N 70ppm，余量为Fe。

实施例2：C 0.44%，Si 0.2% ， Mn 1.5% ，S 0.3%，P 0.30%， Cr 0.5% ， Ni 0.18%， Mo 0.13%， V 0.2%， B 0.001% ，Ti 0.045%，Al 0.02% ，Cu 0.13%，N 50ppm，余量为Fe。

实施例3：C 0.40%，Si 0. 30%， Mn 1.7%，S 0.33%，P 0.32%， Cr 0.8%， Ni 0.19%， Mo 0.14%， V 0.15%， B 0.003%，Ti 0.03%，Al 0.035%，Cu 0.15%，N 60ppm，余量为Fe。

实施例4：C 0.42%，Si 0.28%， Mn 1.6%，S0.34%，P 0.31%， Cr 0.57%， Ni 0.15%， Mo 0.15%， V 0.18%， B 0.0025%，Ti 0.0 4%，Al 0.3%，Cu 0.14%，N 70ppm，余量为Fe。

实施例5：C 0.41%，Si 0.29%， Mn 1.45%，S 0.35%，P 0.30%， Cr 0.67%， Ni 0.18%， Mo≤0.13%， V 0.17%， B 0.0028%，Ti 0.035%，Al 0.31%，Cu 0.17%，N 65ppm，余量为Fe。

本发明方法包括冶炼、轧制及锻造工序：

冶炼工序为：电炉+LF炉精炼+VD（真空脱气）或转炉+LF炉精炼+VD（真空脱气）。在冶炼工序，首先利用电炉或转炉完成钢水成分的配比，然后利用 LF炉（Ladle furnace）进行炉外精炼完成钢水的微合金化，然后在VD炉（Vacuum Degassing）进行炉外脱气精炼,提高钢的纯净度，减少钢中杂质及非金属夹杂物的含量。其中，电炉或转炉冶炼温度1640℃，LF炉温度1670℃，VD炉温度1650℃。

经上述方法冶炼后钢种的纯净度如下：

夹杂物：

A细	A粗	B细	B粗	C细	C粗	D细	D粗
								2.5	1.0	0	0	0	0	1.0	0.5
2.5	1.0	0	0	0	0	1.0	0.5

。低倍组织：

一般疏松	中心疏松	锭型偏析
			0	1.0	0
0	1.0	0

。轧制工序为：连铸+轧坯+挤压棒材+坑内缓冷，在轧制工序，冶炼完成后的钢水流入结晶器，铸造成一定尺寸的铸坯，然后将铸坯轧制成一定尺寸的挤压坯料，通入挤压模生成挤压圆棒材，按照一定长度截断后，放入堆有沙子的缓冷坑内冷却，即成。

锻造工序：棒料加热至1200℃，始锻温度：1200℃,终锻温度：950℃，快速空气冷却至室温，冷却速度不小于50℃/S。

采用本发明高强度非调质贝氏体钢制作曲轴、半轴等高强度结构件的工艺如下：原料下料—锻造毛坯—机械加工—表面强化。与调质钢相比，该工艺过程去除调质热处理工序，可节省能源消耗，减少热处理工序需要的设备、场地占用；取消了尺寸矫正工序，提高产品合格率，同时还有利于提高大截面尺寸零部件性能的均匀性。

Claims

1.一种高强度非调质贝氏体钢，它将原料经熔炼、轧制和锻造工序制成，其特征在于：所述非调质贝氏体钢化学成分按质量百分比计为：C 0.39%-0.44%，Si 0.2%-0.4%， Mn 1.2%-1.7%，S≤0.35%，P≤0.35%， Cr 0.5%-0.8%， Ni≤0.20%， Mo≤0.15%， V 0.1%-0.2%， B 0.001%-0.003%，Ti 0.02%-0.045%，Al 0.01%-0.035%，Cu≤0.2%，N≤70ppm，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高强度非调质贝氏体钢，其特征在于：所述非调质贝氏体钢锻后快速风冷组织为少量晶内铁素体+粒状贝氏体，其锻件抗拉强度σb可达1085 Mpa，屈服强度σs可达795 Mpa。

3.一种制备如权利要求1或2所述的高强度非调质贝氏体钢的方法，它将原料经熔炼、轧制和锻造工序制成，其特征在于：所述熔炼工序采用电炉+炉外精炼+真空脱气或转炉+炉外精炼+真空脱气；所述轧制工艺采用连铸+轧坯+挤压棒材+坑内缓冷；所述锻造工艺：棒料加热至1200℃，始锻温度：1200℃,终锻温度：950℃，快速空气冷却至室温，冷却速度不小于50℃/S。