CN103789660A - 非调质铰接销轴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种非调质铰接销轴及其制造方法，铰接销轴采种非调质钢为原料制成，非调质钢化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.45%，Si：0.25%～0.50%，Mn：1.00%～1.50%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.05%～0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。其优点是用于替代目前行业主要采用的传统调质钢40Cr制成的铰接销轴，以达到节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益。

Description

非调质铰接销轴及其制造方法

技术领域

本发明的涉及一种工程机械用的铰接销轴，特别涉及一种非调质铰接销轴及其制造方法。

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，也是时代发展的需要。

目前国内工程机械行业仍主要采用传统调质钢40Cr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。

采用非调质钢后，由于取消调质工艺，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用于替代目前行业主要采用的传统调质钢40Cr制成的铰接销轴，以达到节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益的非调质铰接销轴及其制造方法。

本发明的解决方案是这样的：

本发明的非调质钢的成分设计要点有：

综合考虑铰接销轴技术要求和现有工艺条件，拟采用中碳型珠光体+铁素体非调质钢。加入Mn、Cr、Mo、V等合金元素，使非调质钢在轧制后具有或接近40Cr调质后的力学性能要求，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。

C对钢的强度、硬度影响最大，碳含量高于0.5%时，钢材的塑、韧性下降；碳含量低于0.3%时，强度得不到保证且表面淬火后的硬度不足。为了达到40Cr调质后的性能水平，铰接销轴用非调质钢中的碳含量控制在0.35%～0.45%之间。

Si具有较强的固溶强化铁素体效果，但过高的硅会降低钢的韧性，因此硅含量控制在0.25%～0.50%。

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，为了保证该钢种的淬透性，我们要求Mn含量在1.00%以上，但随着Mn含量进一步增加，钢的韧性逐渐降低，我们控制Mn含量在1.5%以下，即1.00%～1.50%。

P能在钢液凝固时形成微观偏析，并在随后高温加热时偏聚在晶界，降低钢的脆性，本钢种将P看做有害元素，含量控制在0.020%以下，即0.0001%～0.020%。

S同样被看做有害元素，含量控制在0.015%以下，即0.0001%～0.015%。

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，本钢种Cr含量控制在0.005%～0.25%。

Mo是提高钢的淬透性的重要元素，稍逊于Mn，本钢种添加Mo元素的目的是降低或抑制其他元素引起的回火脆性；少量的Mo与Cr、Mn共存时即可起到提高钢的回火稳定性，即本钢种Mo含量控制在0.005%～0.15%。

Ni能够起到固溶强化和提高淬透性的作用，但由于其作用中等，本钢种采用添加少量Ni起到细化铁素体晶粒，在强度相同的情况下提高钢的塑形和韧性，特别是低温韧性的作用，即Ni的含量控制在0.005%～0.25%

Cu的少量添加主要起到替代部分的Ni，提高回火稳定性，即Cu的含量控制在0.001%～0.20%。

V是微合金化元素中最常用又有效的强化元素，其主要作用是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，起到弥散强化外，但V是昂贵的合金元素，我们加入0.05%～0.15%的V主要是通过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。

本发明用于工程机械的铰接销轴，其非调质钢的的力学性能设计依据为：研究表明，通过适当调整钢中的C、Mn和V等元素的含量，热轧状态的珠光体—铁素体钢的抗拉强度可以达到720MPa~950MPa以上，此强度级别与现行40Cr钢调质处理后实物相当，且能够在铰接销轴整个截面得到较均匀的强度，韧性指标稍低于40Cr钢调质，而后续的铰接销轴中频感应淬火处理能显著地改善铰接销轴的冲击韧性。因此不影响销轴整体需要的强韧性要求。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

本发明的非调质铰接销轴采种非调质钢为原料制成，所述非调质钢化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.45%，Si：0.25%～0.50%，Mn：1.00%～1.50%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.05%～0.15%，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：0.38%～0.43%，Si：0.30%～0.50%，Mn：1.20%～1.40%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.10%～0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步的：所述非调质钢显微组织为珠光体+铁素体，实际晶粒度不低于5级。

进一步的：所述铰接销轴表面经中频感应淬火后有2mm～6mm厚度的马氏体硬化层。

进一步的：所述铰接销轴表面硬度为52～60HRC。

一种非调质铰接销轴的制造方法，该制造方法包括：：

（1）将具有上述化学组成的非调质钢通过轧制成材，形成屈服强度不低于480MPa、抗拉强度不低于720MPa、断后伸长率不低于17%、断面收缩率不低于45%、冲击吸收功不低于40J且硬度在240HBW～275HBW的上述铰接销轴所需非调质钢；

（2）将轧制成材后的上述非调质钢通过下料得到所需规格，无需调质处理，在粗加工后直接进行表面淬火，形成所述铰接销轴半成品；

（3）表面淬火步骤：采用中频感应淬火机床对铰接销轴进行表面感应淬火，表面感应淬火工艺参数为：电压470V～520V，频率4000Hz～7000Hz，感应圈移动速度分别为600mm/min～900mm/min，淬火液浓度为3%～5%。

（4）将表面淬火后的所述铰接销轴半成品通过后续精加工，形成所述非调质铰接销轴。

本发明的优点是用于替代目前行业主要采用的传统调质钢40Cr制成的铰接销轴，以达到节能降耗，提高性能，降低生产成本，获得可观的经济效益。

附图说明

附图1为一种工程机械非调质钢铰接销轴结构示意图。

附图2为实施方式中非调质钢端淬曲线及特性参数简表。

附图3为实施例1中非调质钢热轧状态的金相组织照片。

附图4为实施例2中非调质钢热轧状态的金相组织照片。

附图5为实施例3中非调质钢热轧状态的金相组织照片。

附图6为实施例4中非调质钢热轧状态的金相组织照片。

附图7为实施方式中非调质钢铰接销轴经表面淬火后的，与40Cr调质钢铰接销轴杆部硬化层硬度梯度的对比。

附图8为实施方式中非调质钢铰接销轴经表面淬火后的的金相组织照片。

具体实施方式

本发明的铰接销轴结构如图1所示。

本发明的非调质铰接销轴，所述铰接销轴采种非调质钢为原料制成，所述非调质钢化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.45%，Si：0.25%～0.50%，Mn：1.00%～1.50%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.05%～0.15%，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：0.38%～0.43%，Si：0.30%～0.50%，Mn：1.20%～1.40%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.10%～0.15%，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、铁素体和细小沉淀相组成，实际晶粒度不低于5级。

所述铰接销轴表面经中频感应淬火后有2mm～6mm厚度的马氏体硬化层。

所述铰接销轴表面硬度为52～60HRC。

所述的非调质铰接销轴采用的制备方法为：电弧炉冶炼+精炼/真空脱气→连铸→二轧成材,形成屈服强度不低于480MPa、抗拉强度不低于720MPa、断后伸长率不低于17%、断面收缩率不低于45%、冲击吸收功不低于40J且硬度在240HBW～275HBW的上述铰接销轴所需非调质钢；将轧制成材后的上述非调质钢通过下料得到所需规格，无需调质处理，在粗加工后直接进行表面淬火，形成所述铰接销轴半成品.

本发明对具有上述化学组成的非调质钢铰接销轴的表面感应淬火工艺参数为：电压470V～520V，频率4000Hz～7000Hz，感应圈移动速度分别为600mm/min～900mm/min，淬火液浓度为3%～5%，采用中频感应淬火机床进行表面感应淬火。

将表面淬火后的所述铰接销轴半成品通过后续精加工，形成所述非调质铰接销轴。

下面为本发明的实施例：

实施例1：

一种用于工程机械的铰接销轴，其非调质钢按重量百分比包括以下化学成分：0.41%C，0.42%Si，1.31%Mn，0.013%P，0.003%S，0.16%Cr，0.015%Mo，0.022%Ni，0.032%Cu，0.11%V。

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工程机械用非调质钢铰接销轴的热轧态力学性能检测结果

所述非调质钢铰接销轴的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。

经过表面淬火进行表面淬火后，进行金相检验，结果见表3。

表3工程机械用铰接销轴经感应淬火后的检测结果

实施例2：

一种用于工程机械的铰接销轴，其非调质钢按重量百分比包括以下化学成分：0.36%C，0.38%Si，1.20%Mn，0.012%P，0.003%S，0.16%Cr，0.015%Mo，0.018%Ni，0.027%Cu，0.10%V。

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工程机械用非调质钢铰接销轴的热轧态力学性能检测结果

所述非调质钢铰接销轴的热轧态显微组织为珠光体+铁素体，金相组织照片如图4所示。

经过表面淬火进行表面淬火后，进行金相检验，结果见表5。

表5工程机械用铰接销轴经感应淬火后的检测结果

实施例3：

一种用于工程机械的铰接销轴，其非调质钢按重量百分比包括以下化学成分：0.39%C，0.40%Si，1.25%Mn，0.013%P，0.003%S，0.15%Cr，0.031%Mo，0.026%Ni，0.033%Cu，0.12%V。

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工程机械用非调质钢铰接销轴的热轧态力学性能检测结果

所述非调质钢铰接销轴的热轧态显微组织为珠光体+铁素体，金相组织照片如图5所示。

经过表面淬火进行表面淬火后，进行金相检验，结果见表7。

表7工程机械用铰接销轴经感应淬火后的检测结果

实施例4：

一种用于工程机械的铰接销轴，其非调质钢按重量百分比包括以下化学成分：0.42%C，0.41%Si，1.26%Mn，0.013%P，0.004%S，0.16%Cr，0.073%Mo，0.023%Ni，0.022%Cu，0.11%V。

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8。

表8工程机械用非调质钢铰接销轴的热轧态力学性能检测结果

所述非调质钢铰接销轴的热轧态显微组织为珠光体+铁素体，金相组织照片如图6所示。

经过表面淬火进行表面淬火后，进行金相检验，结果见表9。

表9工程机械用铰接销轴经感应淬火后的检测结果

   上述实施例中非调质钢端淬曲线及特性参数简表如图2所示，非调质钢铰接销轴经表面淬火后的，与40Cr调质钢铰接销轴杆部硬化层硬度梯度的对比如图7所示。

Claims (6)

1.一种非调质铰接销轴，其特征在于：所述铰接销轴采种非调质钢为原料制成，所述非调质钢化学成份范围按重量百分比计为：C：0.35%～0.45%，Si：0.25%～0.50%，Mn：1.00%～1.50%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.005%～0.25%，Mo：0.005%～0.15%，Ni：0.005%～0.25%，Cu：0.001%～0.20%，V：0.05%～0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的非调质铰接销轴，其特征在于：所述非调质钢化学成份范围按重量百分比计为：C：0.38%～0.43%，Si：0.30%～0.50%，Mn：1.20%～1.40%，P：0.0001%～0.020%，S：0.0001%～0.015%，Cr：0.15%～0.25%，Mo：0.01%～0.15%，Ni：0.02%～0.25%，Cu：0.03%～0.20%，V：0.10%～0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的非调质铰接销轴，其特征在于：所述非调质钢显微组织为珠光体+铁素体，实际晶粒度不低于5级。

4.根据权利要求1或2所述的非调质铰接销轴，其特征在于：所述铰接销轴表面经中频感应淬火后有2mm～6mm厚度的马氏体硬化层。

5.根据权利要求1或2所述的非调质铰接销轴，其特征在于：所述铰接销轴表面硬度为52～60HRC。

6.一种非调质铰接销轴的制造方法，其特征在于：该制造方法包括：：

（1）将具有上述化学组成的非调质钢通过轧制成材，形成屈服强度不低于480MPa、抗拉强度不低于720MPa、断后伸长率不低于17%、断面收缩率不低于45%、冲击吸收功不低于40J且硬度在240HBW～275HBW的上述铰接销轴所需非调质钢；

（2）将轧制成材后的上述非调质钢通过下料得到所需规格，无需调质处理，在粗加工后直接进行表面淬火，形成所述铰接销轴半成品；

（3）表面淬火步骤：采用中频感应淬火机床对铰接销轴进行表面感应淬火，表面感应淬火工艺参数为：电压470V～520V，频率4000Hz～7000Hz，感应圈移动速度分别为600mm/min～900mm/min，淬火液浓度为3%～5%；

（4）将表面淬火后的所述铰接销轴半成品通过后续精加工，形成所述非调质铰接销轴。

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