CN103526117A

CN103526117A - 非调质钢、用其制造的工程机械半轴及半轴制造方法

Info

Publication number: CN103526117A
Application number: CN201210415963.9A
Authority: CN
Inventors: 王国安; 蒙秋红; 邓颖章
Original assignee: Guangxi Liugong Machinery Co Ltd
Current assignee: Guangxi Liugong Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-01-22

Abstract

非调质钢、用其制造的工程机械半轴及半轴制备方法，非调质钢化学成分范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.42%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.80%～1.50%，P：≤0.035%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.80%，V：0.08%～0.18%，B：0.0005%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。其优点是与20CrMnTi渗碳淬火和40Cr调质半轴相比，非调质钢半轴平均静扭强度分别提高了81%和15%，扭转疲劳性能更佳，还具有优良的机加工性能，可以大幅提高加工刀具寿命，节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益。

Description

非调质钢、用其制造的工程机械半轴及半轴制造方法

技术领域

本发明的涉及一种非调质钢、用其制造的工程机械半轴及半轴制造方法。

背景技术

传统调质处理生产周期长、能耗大、生产成本高，同时工作环境恶劣，生产过程中产生对环境有污染的“三废”。随着全球性资源和能源的紧张和枯竭，节能减排、发展低碳经济已成世界共识，也是今后中国调整经济结构和发展模式的方向。因此研究应用非调质钢，节能降耗，符合发展低碳经济的要求，是绿色制造的发展趋势，是时代发展的需要。

目前国内工程机械行业仍主要采用传统调质钢为主要原材料，对非调质钢的研究和应用较少，产品的单位能耗高。作为一个发展迅速、规模日益庞大的重要装备制造行业，在工程机械行业中广泛应用环保节能的非调质钢将是一个必然的趋势。

半轴属于大长径比的细长轴类零件，如图1所示，其在传统调质工艺淬火时易产生弯曲变形、微裂纹等缺陷，调质质量控制难度大。在使用过程中，常因调质质量不达标而造成产品的失效。而采用非调质钢制造后，半轴生产取消调质处理工艺，产品的综合机械性能不受调质工艺的限制和影响，而由非调质钢材料自身的性能优劣决定，因此半轴质量的可控性和稳定性增强，可以大大减少产品因制造质量缺陷而造成的外反馈损失。非调质钢半轴无调质工艺，可节约因调质而消耗的大量能源，缩短原有制造周期约1/3，同时减少废气、废水的排放，节能减排的同时直接降低了产品的制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种非调质钢、应用其制造的工程机械半轴和半轴加工工艺，其与20CrMnTi渗碳淬火和40Cr调质半轴相比，不仅平均静扭强度分别提高了81%和15%，扭转疲劳性能更佳，还具有优良的机加工性能，可以大幅提高加工刀具寿命，节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益。

可用于工程机械半轴的非调质钢的成分设计要点如下：

综合考虑半轴技术要求和现有工艺条件，拟采用中碳型P+F非调质钢。加入Mn、V、B、Cr，使非调质钢在轧制后具有上述力学性能要求，同时具有良好的淬透性以使表面感应淬火后有足够的有效硬化层深度。

碳对钢的强度、硬度影响最大，碳含量过高，钢材的塑、韧性下降；碳含量太低，表面淬火后的硬度不足。为了达到40Cr调质后的性能水平，半轴用非调质钢中的碳含量控制在0.35%～0.42%之间。

Mn是普通低合金钢中最常用的具有固溶强化作用的元素。Mn能改善珠光体+铁素体组织钢的冲击韧性，增加断面收缩率，有关资料显示，Mn在1%以内对冲击韧性无损害，但随着Mn含量进一步增加，钢的韧性逐渐降低，据此，Mn含量选取1.5%以下，即0.8%～1.50%。

V是微合金化元素中最常用又有效的强化元素，其主要作用是通过形成V(C，N)来影响钢的组织和性能。V(C，N)主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，除弥散强化外，更重要的是对奥氏体晶界的钉扎作用，使钢材轧制后晶粒细小，在提高材料强度的同时改善钢的韧性。

微量的B可以显著提高钢的淬透性，用来替代部分稀缺或贵重的合金元素，降低生产成本。另外，相关研究表明，B的加入可以促进其它微合金元素如Nb的形变诱导析出，在钢中产生更为细小的Nb和B的复杂的碳氮化合物，有利于改善非调质钢的各项性能。

Cr是中等碳化物形成元素。加热时溶入奥氏体的Cr能提高钢的淬透性。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。

本发明所述的非调质钢的力学性能设计依据为：研究表明，通过适当调整钢中的碳、锰和钒等元素的含量，热轧状态的珠光体—铁素体钢的平均抗拉强度可以达到900MPa，此强度级别与现行40Cr钢调质处理后接近，且能够在半轴整个截面得到较均匀的强度，韧性指标低于40Cr钢调质。而后续的半轴中频感应淬火处理能显著地改善半轴的冲击韧性。设计的非调质钢材料热轧态力学性能目标值见表1。

表1 微合金非调质钢材料热轧态力学性能及组织要求

Figure 2012104159639100002DEST_PATH_IMAGE001

本发明之非调质钢，其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.42%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.80%～1.50%，P：≤0.035%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.80%，V：0.08%～0.18%，B：0.0005%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，所述的非调质钢的化学成份范围按重量百分比计为：C：0.37%～0.40%，Si：0.17%～0.37%，Mn：1.00%～1.30%，P：≤0.025%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.60%，V：0.10%～0.15%，B：0.0010%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。

按上述成份范围，采用电弧炉冶炼+精炼/真空脱气→连铸→二轧650成材制备本发明的非调质钢。

工程机械半轴对表面硬化层深度的要求：

半轴主要承受扭转应力，最大应力作用于轴的表层，轴心受力为零。因此，半轴应具有足够的强度（大多数半轴的计算工作应力τ_max=347MPa～530MPa）、韧性和良好的抗疲劳性能，半轴的疲劳极限主要取决于表层材料的疲劳强度。

淬硬层深度应保证半轴内任何一点的扭转应力均小于或等于该点的扭转屈服强度。图2表示半轴淬火后强度与扭转应力分布情况对比，若淬硬层太浅，如图2（a）所示，则半轴强度不足，存在危险区域；若淬硬层太深，如图2（c）所示，则半轴表层残余压应力降低而降低疲劳寿命。合适的淬硬层深度如图2（b）所示。花键部齿根下硬化层深度应达到花键根部轴径的10~20%，杆部硬化层深度应达到杆部直径的15~20%。

从硬度分布来看, 感应淬火的半轴表面硬化层（7mm～10mm）为20CrMnTi渗碳淬火半轴（约1.4mm）的5倍以上。 SHAPE \* MERGEFORMAT SHAPE \* MERGEFORMAT

根据以上对半轴使用性能的要求和钢中各合金元素强化作用的研究，添加Cr和B获得优良的淬透性，与调质钢相比，在相同工艺参数下，可以在后续的中频感应淬火中稳定地获得比调质钢更大深度的马氏体硬化层，显著提高工程机械半轴的扭转疲劳性能，并由于省略了调质工艺，能获得稳定的产品质量并明显地降低总成本。

采用上述非调质钢制备的工程机械半轴，所采用的感应淬火工艺参数为：加热电流130A～180A，电压300V～380V，频率3000Hz～4500Hz，花键、光杆处感应圈移动速度分别为190 mm/min～250mm/min、230 mm/min～290mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为7.5%～15%，采用中频感应淬火机床进行表面感应淬火。

本发明之非调质钢的理想组织是珠光体+铁素体，由于Cr和B的添加而获得的优良的淬透性使得钢材感应淬火表面硬化层深度增加，晶粒细化，韧性提高的同时因晶界阻碍位错运动，以及马氏体强化等因素使强度大幅度提高，因此钢材具有优良的强韧性匹配和高的扭转疲劳性能，完全达到工程机械半轴的服役条件。

本发明之非调质钢工程机械半轴的优点是，与20CrMnTi渗碳淬火和40Cr调质半轴相比，不仅平均静扭强度分别提高了81%和15%，扭转疲劳性能更佳，还具有优良的机加工性能，可以大幅提高加工刀具寿命，节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益。

在制造成本上，按照每根半轴28kg计算，综合计算钢材采购和加工的成本差异，每根半轴节约13元，总成本下降幅度在7%左右。于是，在半轴整体性能获得提升的同时，能产生可观的经济效益。

附图说明

附图1为一种工程机械半轴结构示意图。

附图2为半轴淬火后强度与扭转应力分布情况对比。

附图3为实施例1中非调质钢热轧态的金相照片。

附图4为实施例1中非调质钢的淬透性与GB/T 5216-2004中40Cr的淬透性上下限的对比。

附图5为实施例1中非调质钢经表面感应淬火后，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比。

附图6为实施例1中非调质钢半轴经表面感应淬火后获得的组织。

附图7为实施例2中非调质钢经表面感应淬火后，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比。

附图8为实施例3中非调质钢经表面感应淬火后，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比。

附图9为实施例4中非调质钢经表面感应淬火后，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比。

附图10为实施例5中非调质钢经表面感应淬火后，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比。

具体实施方式

本发明的非调质钢，其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.42%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.80%～1.50%，P：≤0.035%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.80%，V：0.08%～0.18%，B：0.0005%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述非调质钢显微组织为珠光体+铁素体，本非调质钢的本质晶粒度可达9级。

本实施例中，所述的非调质钢所采用的传统制备方法为：电弧炉冶炼+精炼/真空脱气→连铸240×240方→二轧650成材，详细说明如下：

电弧炉冶炼工艺：

1）氧化法冶炼，铁水热装比>50%。

2）出钢条件：P≤0.010%，T≥1640℃。

3）钢包采用连用红包，出钢时随钢流加入FeAl 100Kg/炉脱氧，出钢过程及出钢后保持钢包连续吹Ar。

4）炉外合金化。

精炼炉工艺：

1) 精炼过程加强脱氧，白渣操作，加热至1520℃以上取样，样回。

2) 加热至高于1620℃，喂Al线至0.045%左右，喂Ca-Si线180m～220m，换坑抽真空，尽量安排RH抽真空。

3) 破空，加入Fe-Ti及Fe-B；软吹氩搅拌，起坑。

连铸：

1) 中包烘烤良好，中包温度≥1000℃。

2) 中包钢水过热度：15℃～35℃。

轧制：

钢坯出炉温度1190℃，总加热时间≥120min。

本发明所述的非调质钢工程机械半轴，须进行表面感应淬火，使其表面形成5mm～12mm厚的5～9级马氏体硬化层，此条件下的工程机械半轴能显著提高工程机械半轴的扭转疲劳性能。

本发明所述的非调质钢工程机械半轴的表面感应淬火工艺参数为：加热电流130A～180A，电压300V～380V，频率3000Hz～4500Hz，花键、光杆处感应圈移动速度分别为190mm/min～250mm/min、230mm/min～290mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为7.5%～15%，采用中频感应淬火机床进行表面感应淬火。

下面为本发明的四个实施例：

实施例1：

一种可用于工程机械半轴的非调质钢，按重量百分比包括以下化学成分：C：0.42%，Si： 0.31%，Mn： 1.14%，P： 0.015%，S： 0.011%，Cr： 0.52%，V： 0.15%，B：0.0016%，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”对热轧态非调质钢的力学性能进行检测，结果见表2。

表2 可用于工程机械半轴的热轧态非调质钢力学性能检测结果

所述非调质钢热轧态显微组织为珠光体+铁素体，金相组织照片如图3所示。本非调质钢的本质晶粒度可达9级。

另外，根据GB/T 225-2006“钢淬透性的末端淬火试验方法（Jominy试验）”对本非调质钢进行端淬试验。本发明之非调质钢的淬透性与GB/T 5216-2004中40Cr的淬透性上下限的对比如图4所示，可以看出，本非调质钢的淬透性远优于40Cr。

用本发明之非调质钢制造半轴，加工工艺路线为下料→校直→机加工→表面感应淬火→探伤→喷砂→校直→成品。非调质钢半轴表面感应淬火采用的工艺参数为：加热电流156A，电压330V，频率3120Hz，花键、光杆处工件移动速度分别为196mm/min、245mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为8.5%。

非调质钢半轴表面感应淬火后得到有效硬化层深度为8.5mm，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比见图5；组织是非常微细的淬火马氏体，如附图6所示，附图6（a）为放大100倍的组织结构图，附图6（b）为放大500倍的组织结构图。

本非调质钢的本质晶粒度约9级，在感应淬火快速加热和快速冷却的条件下，其感应淬火后的晶粒尺寸为8～9级，晶粒直径在15μm左右，表面硬度为56HRC，因此非调质钢感应淬火硬化区组织具有很高的强度和良好的韧性。

另外，对20CrMnTi、40Cr和本发明之非调质钢半轴进行了静扭试验和扭转疲劳试验。20CrMnTi、40Cr和本非调质钢半轴的平均静扭强度分别为21325N·m、33643N·m和38567N·m。表明20CrMnTi半轴平均静扭强度最低，非调质钢的最高，分别比20CrMnTi和40Cr调质钢提高了81%和15%。

扭转疲劳试验结果显示20CrMnTi、40Cr和非调质钢制造的半轴加载12000N·m经30万次疲劳后均完好。将20CrMnTi半轴载荷提高到16000N·m后，平均疲劳寿命为12.8万次，将40Cr和非调质钢半轴载荷提高到22000 N·m后，经过扭转疲劳试验45万次完好，完全可以满足6000h以上的工作时间要求。

实施例2：

一种可用于工程机械半轴的非调质钢，按重量百分比包括以下化学成分：C：0.37%，Si：0.29%，Mn：1.19%，P：0.008%，S：0.005%，Cr：0.48%，V：0.13%，B：0.0014%，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”对热轧态非调质钢的力学性能进行检测，结果见表3。

表3 可用于工程机械半轴的热轧态非调质钢力学性能检测结果

Figure 2012104159639100002DEST_PATH_IMAGE003

用本发明之非调质钢制造半轴，加工工艺路线为下料→校直→机加工→表面感应淬火→探伤→喷砂→校直→成品。非调质钢半轴表面感应淬火采用的工艺参数为：加热电流153A，电压369V，频率4410Hz，花键、光杆处工件移动速度分别为207mm/min、256mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为8%。

非调质钢半轴表面感应淬火后得到有效硬化层深度为8.3mm，表面硬度为55HRC，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比见图7；获得5级淬火马氏体组织，此非调质钢感应淬火硬化区组织具有很高的强度和良好的韧性。

实施例3：

一种可用于工程机械半轴的非调质钢，按重量百分比包括以下化学成分：C：0.38%，Si：0.28%，Mn：1.10%，P：0.005%，S：0.009%，Cr：0.47%，V：0.13%，B：0.0010%，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”对热轧态非调质钢的力学性能进行检测，结果见表4。

表4 可用于工程机械半轴的热轧态非调质钢力学性能检测结果

用本发明之非调质钢制造半轴，加工工艺路线为下料→校直→机加工→表面感应淬火→探伤→喷砂→校直→成品。非调质钢半轴表面感应淬火采用的工艺参数为：加热电流156A，电压358V，频率4350Hz，花键、光杆处工件移动速度分别为201mm/min、249mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为8.5%。

非调质钢半轴表面感应淬火后得到有效硬化层深度为8.69mm，表面硬度为54HRC，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比见图8；获得5级淬火马氏体组织，此非调质钢感应淬火硬化区组织具有很高的强度和良好的韧性。

实施例4：

一种可用于工程机械半轴的非调质钢，按重量百分比包括以下化学成分：C：0.35%，Si：0.26%，Mn：1.13%，P：0.007%，S：0.005%，Cr：0.47%，V：0.12%，B：0.0014%，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”对热轧态非调质钢的力学性能进行检测，结果见表5。

表5 可用于工程机械半轴的热轧态非调质钢力学性能检测结果

Figure 2012104159639100002DEST_PATH_IMAGE005

用本发明之非调质钢制造半轴，加工工艺路线为下料→校直→机加工→表面感应淬火→探伤→喷砂→校直→成品。非调质钢半轴表面感应淬火采用的工艺参数为：加热电流160A，电压361V，频率4300Hz，花键、光杆处工件移动速度分别为203mm/min、252mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为8%。

非调质钢半轴表面感应淬火后得到有效硬化层深度为8.6mm，表面硬度为56HRC，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比见图9；获得5级淬火马氏体组织，此非调质钢感应淬火硬化区组织具有很高的强度和良好的韧性。

实施例5：

一种可用于工程机械半轴的非调质钢，按重量百分比包括以下化学成分：C：0.36%，Si：0.29%，Mn：1.21%，P：0.015%，S：0.03%，Cr：0.48%，V：0.12%，B：0.0012%，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用GB/T 228-2002“金属材料室温拉伸试验方法”对热轧态非调质钢的力学性能进行检测，结果见表6。

表6 可用于工程机械半轴的热轧态非调质钢力学性能检测结果

用本发明之非调质钢制造半轴，加工工艺路线为下料→校直→机加工→表面感应淬火→探伤→喷砂→校直→成品。非调质钢半轴表面感应淬火采用的工艺参数为：加热电流155A，电压360V，频率4350Hz，花键、光杆处工件移动速度分别为205mm/min、256mm/min，AQUA251淬火液质量浓度为8.5%。

非调质钢半轴表面感应淬火后得到有效硬化层深度为8.39mm，表面硬度为55HRC，与20CrMnTi、40Cr杆部硬化层硬度梯度的对比见图10；获得5级淬火马氏体组织，此非调质钢感应淬火硬化区组织具有很高的强度和良好的韧性。

Claims

1.一种非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.42%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.80%～1.50%，P：≤0.035%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.80%，V：0.08%～0.18%，B：0.0005%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.37%～0.40%，Si：0.17%～0.37%，Mn：1.00%～1.30%，P：≤0.025%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.60%，V：0.10%～0.15%，B：0.0010%～0.0025%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.42%，Si：0.31%，Mn：1.14%，P：0.015%，S：0.011%，Cr：0.52%，V：0.15%，B：0.0016%，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.37%，Si：0.29%，Mn：1.19%，P：0.008%，S：0.005%，Cr：0.48%，V：0.13%，B：0.0014%，其余为Fe和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.38%，Si：0.28%，Mn：1.10%，P：0.005%，S：0.009%，Cr：0.47%，V：0.13%，B：0.0010%，其余为Fe和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%，Si：0.26%，Mn：1.13%，P：0.007%，S：0.005%，Cr：0.47%，V：0.12%，B：0.0014%，其余为Fe和不可避免的杂质。

7.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于其化学成份范围按重量百分比计为：C：0.36%，Si：0.29%，Mn：1.21%，P：0.015%，S：0.03%，Cr：0.48%，V：0.12%，B：0.0012%，其余为Fe和不可避免的杂质。

8.根据权利要求1或2所述的非调质钢，其特征在于所述非调质钢显微组织为珠光体+铁素体，本非调质钢的本质晶粒度可达9级。

9.一种应用权利要求1和2所述非调质钢制成的工程机械半轴，其特征在于其表面有5mm～12mm厚度的马氏体硬化层。

10.根据权利要求8所述的工程机械半轴，其特征在于：马氏体硬化层厚度为7mm～10mm。

11.根据权利要求8或9所述的工程机械半轴，其特征在于：表面硬化层马氏体晶粒度为5～9级。

12.一种权利要求8或9所述的工程机械半轴表面感应淬火工艺，其特征在于：表面感应淬火加热电流130A～180A，电压300V～380V，频率3000Hz～4500Hz。

13.根据权利要求11所述的工程机械半轴表面感应淬火工艺，其特征在于：对半轴花键处感应加热时感应圈的移动速度为190mm/min～250mm/min，对光杆处感应加热时感应圈的移动速度为230mm/min～290mm/min。

14.根据权利要求11所述的工程机械半轴表面感应淬火工艺，其特征在于：淬火液为AQUA251淬火液，其中，AQUA251的质量浓度为7.5%～15%。