CN104152798B - 抗拉强度≥1200MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢，其组分及wt%为：C：0.30～0.50 wt%、Si：0.40～0.60 wt %、Mn：1.2～1.5 wt %、P≤0.015 wt %、S≤0.015 wt %、N：0.03～0.05 wt %、B：0.01～0.02 wt %、Al：0.01～0.03 wt %、Nb：0.01～0.03 wt %、V：0.02～0.05 wt %;生产步骤：冶炼并成坯；将方坯加热；热轧；穿水冷却；坑冷。本发明无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且兼具优良切削性能。

Description

抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种汽车用钢及生产方法，具体地属于抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢及生产方法。

背景技术

传统汽车活塞杆用钢轧制后需经过调质处理（淬火+回火），以提高钢材强度和韧性，而非调质钢通过微合金化并配合恰当轧制工艺，不经调质处理即可获得合金结构钢或碳素结构钢调质处理后所达到的力学性能，且由于省去淬火和回火处理，非调质钢不仅具有生产效率高、能源消耗低、生产成本低等优点，还消除了淬火时由于变形、开裂以及为解决变形而增加的校直工序，因此在汽车制造领域获得广泛应用，用于制造活塞杆、曲轴、连杆、转向节、前梁等重要零件。

随着经济社会的发展，汽车安全性、稳定性以及能耗等指标愈来愈受到关注，而采用高强度非调质钢，能有效提高汽车安全性和可靠性，减少汽车自重、降低能耗和污染排放，因此伴随着汽车轻量化，非调质钢逐渐朝高强度方向发展。

现代汽车制造业以数控机床为加工中心，机床的自动化、精密化和高效化对材料的切削性能要求越来越高，但同时一些重要零部件又需要很高的力学性能，这就要求钢材同时兼具较高的强度和良好的切削性能这两个矛盾体，即需要一种高强度非调质易切削钢。

普通易切削钢或因污染环境、或因成本高昂、或因力学性能不足等原因，难以满足高强度非调质易切削钢的要求，如：铅系易切削钢具有优良力学性能和切削性能，但铅有剧毒，对环境和人体危害严重，在世界范围内正逐渐被限制使用、回收和生产；稀有金属如Bi系易切削钢力学性能和切削性能同样优良，但成本高昂，因而无法大规模推广应用；硫系易切削钢是最常见易切削钢种，但由于S对钢材力学性能有害，因而限制了其使用。

BN与石墨晶体结构（六方晶体）和理化性质类似，号称“白色石墨”，能显著改善钢的切削性能，是当今世界新型易切削钢研发的热点。该钢种切削性能与含铅易切削钢同样优良，机械性能与母材无异，且价格便宜、易于推广，属于环境友好型易切削钢。

日本专利JP5622290公开了一种含BN的易切削钢，其化学成分包括（重量百分比）：0.15-0.70% C、不超过0.35%的Si、不超过2.5%的Mn、不超过0.30%的S、0.001-0.100% Al、0.004-0.020% B、0.005-0.020% N、不超过0.1%的Ti、Zr和稀土、不超过0.0020%的O，其余为Fe和不可避免的杂质，并且要求0.5≤B/N≤4。其存在的不足：该专利硫含量较高，采用BN和MnS共同提高钢材切削性能，但钢中较多的MnS夹杂会大大增加钢材力学性能的各向异性，严重限制钢材使用范围。而本发明，硫含量极低（S≤0.015 wt %）能有效确保钢材性能。

日本专利JP1546088公开了一种渗碳淬火易切削钢，其化学成分包括（重量百分比）：0.10-0.30% C、不超过1.0%的Si、不超过3.0%的Mn、不超过8.0%的Cr、不超过5.0%的Ni、不超过6.0%的Mo和不超过2.0%的Al，进一步地包括0.004-0.020% B以及0.005-0.050% N，并且N/B要求满足范围为0.5-4，,0.0015% O、≤0.10%的Ti、Zr和稀土其余为Fe和不可避免的杂质。其存在的不足：该专利钢种属于BN型易切削钢，切削性能优良，但钢材力学性能较差，影响钢材在汽车领域的应用。而本发明专注提高钢材切削性能的同时，也通过微合金化强化钢材力学性能。

中国专利CN101338398公开了一种汽车连杆用高强度非调质易切削钢，其化学成分包括（重量百分比）：0.30-0.40% C、0.50-0.70% Si、0.80-1.20% Mn、不超过0.040%的P、0.030-0.060% S、0.010-0.040% Al、0.10-0.40% Cr、0.10-0.30% V、0.010-0.015% N，其余量为铁和不可避免的夹杂。其存在的不足：该专利属于硫系易切削钢，期望通过向钢中添加S生成MnS夹杂，来提高钢材切削性能，但该专利为保证力学性能而将S含量控制在很低的范围（0.030-0.060%），使得该钢种切削性能较差，难以满足现代机床的加工要求。而本发明属于BN型易切削钢，其切削性能与Pd系易切削钢类似并显著优于硫系易切削钢，且BN夹杂对钢材力学性能无害，使得本发明钢种能同时具备较好的切削性能和力学性能；并且在本发明中S作为有害元素严格限定。其强度级别较低，即抗拉强度不超过1110MPa，屈服强度不超过800MPa难以满足汽车进一步轻量化，更高强度的需求。

中国专利CN103388107A公开了一种含铜的BN型易切削钢及其生产方法，其化学成分包括（重量百分比）：0.10-0.70% C、0.01-0.60% Si、0.20-1.50% Mn、不超过0.025%的P、不超过0.015%的S、0.010-0.10% Al、0.01-0.03% B、0.50-2.00% Cu、0.1-0.5% Ni；中国专利CN103397255A公开了一种各向异性小的高性能易切削钢，其化学成分包括（重量百分比）：0.10-0.70% C、0.01-0.60% Si、0.20-1.50% Mn、不超过0.025%的P、不超过0.015%的S、0.020-0.080% Al、0.021-0.028% B、0.020-0.040% N、0.70-2.00% Cu，余量为铁及不可避免杂质。存在的不足：此两专利钢种力学性能较差（均为：屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥16%）难以满足汽车制造领域愈发严苛的要求。而本发明，采取Nb、V微合金化配合恰当的轧制工艺，使得本发明钢种抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%且兼具优良切削性能。

本发明利用BN夹杂改善钢材切削性能的同时采用微合金化提高钢材力学性能，研发出一种抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且切削性能优良的非调质钢，以满足现代汽车制造业对钢材高性能的需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且兼具优良切削性能的BN型机械结构用易切削钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.30～0.50 wt%、Si：0.40～0.60 wt %、Mn：1.2～1.5 wt %、P≤0.015 wt %、S≤0.015 wt%、N：0.03～0.05 wt %、B：0.01～0.02 wt %、Al：0.01～0.03 wt %、Nb：0.01～0.03 wt %、V：0.02～0.05 wt %，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%；金相组织：为针状铁素体及珠光体，其中针状铁素体不低于55%。

优选地：C的重量百分比含量为0.42～0.49 %。

优选地：Si的重量百分比含量为0.4～0.48%。

优选地：Mn的重量百分比含量为1.22～1.5%。

优选地：Al的重量百分比含量为0.012～0.027%。

优选地：N的重量百分比含量为0.042～0.048%。

生产抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢的方法，其步骤：

1）冶炼并成坯：控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645～1710℃；终点氧含量≤50ppm；

2）将方坯加热：控制加热温度在1150～1250℃，保温时间在120～150min；

3）进行热轧：控制粗轧开轧温度在1100～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

4）进行穿水冷却：在冷却速度为10～80℃/min下冷却到300～500℃；

5）进行坑冷：冷却至室温。

优选地：方坯的加热温度为1200～1250℃，保温时间130～150min。

优选地：粗轧开轧温度在1150～1200℃，终轧温度在800～850℃。

优选地：穿水冷却速度在20～50℃/min。

本发明中各元素的作用

C：高强度非调质易切削钢需保持一定的强度和硬度，而基体钢的硬度取决于含碳量。过高的碳含量会使钢中珠光体比例增加，使钢偏硬，不利于切削加工；在本发明中，当其低于0.3%含量时，会导致钢中铁素体比例增加，钢低强度降低，韧性增加，钢偏软，难以满足高强度的要求且同样不利于切削加工；当其含量高于0.5%时，钢材硬度过高，易造成刀具磨损严重，从而降低钢材切削性能，因此，本发明碳含量设定为0.30～0.50%，优选地：C的重量百分比含量为0.42～0.49 %。

Si：主要以固溶强化形式提高钢的强度，但其含量高于0.6%时，会恶化钢的冷变形能力，且其脱氧产物具有较高硬度，切削过程对刀具磨损严重；当其含量低于0.4%时，钢材强度降低，从而影响力学性能，因此本发明硅含量设计为0.40～0.60%，优选地：Si的重量百分比含量为0.4～0.48%。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力； Mn还能与S反应生成MnS夹杂提高钢材切削性能，并能防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界析出，同时MnS夹杂还可以成为BN夹杂形核核心，降低BN夹杂析出所需吉普斯自由能，增加BN夹杂析出数量，从而提高钢材的切削性能。但含量低于1.20%时，其强化效果不明显；当其含量高于1.5%时，钢材强度富余量过大，因此，本发明锰含量设计为1.2～1.5%，优选地：Mn的重量百分比含量为1.22～1.5%。

P：能强化铁素体相，但P对钢材性能而言是有害元素，理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。因此，本发明磷含量设计为0.015%以下。

S：钢中硫虽与锰可形成的MnS夹杂可作为BN夹杂形核核心，提高BN夹杂形核率，增加钢中BN夹杂数量，但过多的MnS夹杂会增大钢材性能的各向异性，严重限制钢材的应用。因此，在本发明中硫是作为控制元素而加以严格限定的，其含量限定为0.015%以下。

N：钢中N与B反应生成有利于改善切削性能的BN夹杂，且通过（Nb、V）（C、N）的生成实现铌钒复合微合金化提高钢材强度的目的，因此钢中需要适量的N含量，但若N含量高于0.05%时，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率；但其含量低于0.03%时，微合金化效果不明显，不能充分发挥微合金化元素强化钢材的效果，因此，本发明氮含量设计为0.03～0.05%;优选地为0.04～0.05%。

B：B的添加是为形成BN夹杂，以改善钢材切削性能。钢中B含量过低，难以生成足够量的BN夹杂，过高则极易恶化钢材韧性且不利于钢材推广应用。因此本发明B含量设计为0.01～0.02 %。

Al：铝作为脱氧剂加入钢中，一定量的铝有利于促进BN夹杂的析出，但其含量超过0.03%时，会影响钢材力学性能，降低钢材切削性能；当其含量低于0.01%时，与之平衡的氧含量较高，影响了钢材纯净度，降低了钢材力学性能，因此，本发明铝含量设计为0.01～0.03%，优选地：0.02～0.03%。

Nb：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，铌在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，但过多的铌会增加冶炼成本。因此，本发明铌含量设计为0.01～0.03%。

V：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钒在奥氏体中固溶温度较低，但扩散速度快，在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，但过多的钒会增加冶炼成本且对钢的进一步强化效果不明显。因此，本发明钒含量设计为0.02～0.05%。

本发明与现有技术相比，无环境污染，成分简单，成本相对较低，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且兼具优良切削性能。

附图说明

图1为本发明的金相组织中BN的分布图；

图2为珠光体片层间距。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例力学及切削性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）冶炼并成坯：控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645～1710℃；终点氧含量≤50ppm；

2）将方坯加热：控制加热温度在1150～1250℃，保温时间在120～150min；

3）进行热轧：控制粗轧开轧温度在1100～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

4）进行穿水冷却：在冷却速度为10～80℃/min下冷却到300～500℃；

5）进行坑冷：冷却至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的取值列表(wt%）

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3 本发明各实施例及对比例力学性能检测情况列表

从表3数据可知，本发明力学性能满足：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%，且刀具寿命明显提高，断屑性能优良，切削后钢材表面光洁度高。本发明力学性能优良兼具良好切削性能，无需设备改造和投入，在现有工艺和设备上通过调整化学成分即可实现，能很好的满足现代汽车制造业对钢材高性能的需求，具有广阔的市场应用前景和良好的市场竞争力。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (3)

1.抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.30～0.50 wt%、Si：0.40～0.60 wt %、Mn：1.2～1.5 wt %、P≤0.015 wt %、S≤0.015 wt %、N：0.037～0.05 wt %、B：0.016～0.02 wt %、Al：0.01～0.03 wt %、Nb：0.01～0.03 wt %、V：0.02～0.05 wt %，其余为Fe及不可避免的杂质；力学性能：抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥850MPa、延伸率A≥15%、断面收缩率Z≥20%；金相组织：为针状铁素体及珠光体，其中针状铁素体不低于55%。

2.如权利要求1所述的抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢，其特征在于：N的重量百分比含量为0.042～0.048%。

3.生产权利要求1所述的抗拉强度≥1200 MPa的汽车连杆用易切削钢的方法，其步骤：

1）冶炼并成坯：控制终点钢水中碳含量不低于0.1%，出钢温度在1645～1710℃；终点氧含量≤50ppm；

2）将方坯加热：控制加热温度在1150～1250℃，保温时间在120～150min；

3）进行热轧：控制粗轧开轧温度在1155～1200℃；控制精轧终轧温度在750～850℃；

4）进行穿水冷却：在冷却速度为10～80℃/min下冷却到300～500℃；

5）进行坑冷：冷却至室温。