CN104962838A

CN104962838A - 一种高强度钢、汽车传动半轴用高强塑无缝钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN104962838A
Application number: CN201510340872.7A
Authority: CN
Inventors: 翟国丽; 王起江; 田青超; 张清廉
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2035-06-18
Also published as: CN104962838B

Abstract

本发明公开了一种高强度钢，其化学元素质量百分比含量为：C：0.07-0.15％；Si：0.1-1.0％；Mn：2.0-2.6％；Ni：0.05-0.6％；Cr：0.2-1.0％；Mo：0.1-0.6％；B:0.001-0.006％；Cu：0.05-0.50％；Al：0.015-0.060％；Nb：0.02-0.1％；V：0.02-0.15％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了一种采用该高强度钢制造的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管。此外，本发明还公开了该汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法。本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管具备较高的强度和强塑积，以及良好的抗扭转疲劳性能。

Description

一种高强度钢、汽车传动半轴用高强塑无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材料、无缝钢管及其制造方法，尤其涉及一种高强塑无缝钢管及其制造方法。

背景技术

随着当前社会对节能减排的要求，汽车车身轻量化的要求越来越高。汽车用轴类产品，特别是承受扭转力矩的圆形传动类产品，由于其受扭转力矩时，距离圆心越远其承受的扭转力矩越大，而在圆心处收到的扭转力矩为零，因此采用空心钢管来代替实心棒材作为传动轴，一方面可以大大减轻车身的重量，另一方面却不会对其使用造成太大的影响。

具体来讲，汽车传动用半轴是汽车的重要传力部件,特别是非全浮式半轴,要传递来自发动机的扭矩,首先必须要求其具有良好的静扭性能和抗扭转疲劳性能，同时还要承受车轮上作用的垂直力、侧向力以及牵引力和制动力所形成的纵向力,因此钢管必须具有较高的强度和塑性，同时具有较好的抗扭疲劳性能。

公开号为CN1950532，公开日为2007年4月18日，名称为“无缝钢管及其制造方法”的中国专利公开了一种空心驱动轴用无缝钢管及其制造方法，其化学元素质量百分配比为：C:0.30～0.50％、Si:0.5％以下、Mn:0.3～2.0％、P:0.025％以下、S:0.005％以下、Cr:0.15～1.0％、Al:0.001～0.05％、Ti:0.005～0.05％、N:0.02％以下、B:0.0005～0.01％以及O:0.0050％以下,其中式(A)或式(B)规定的BEFF为0.0001以上。其中,当NEFF＝N-14×TI/47.9≥0时,BEFF＝B-10.8×(N-14×TI/47.9)/14…(A),同样,当NEFF＝N-14×TI/47.9<0时,BEFF＝B…(B)。该技术方案由此可以提供同时具备优良的冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度、作为整体成形型的空心驱动轴用的空心轴坯料最适合的无缝钢管。在Mn≤2.0％的情况下，该技术方案的可加工性限制了成品的抗拉性能及扭转疲劳性能的提高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高强度钢，其具有较高的强度和强塑积，采用该高强度钢制得的钢管具有良好的扭转疲劳性能。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度钢，其化学元素质量百分比含量为：

C：0.07-0.15％；

Si：0.1-1.0％；

Mn：2.0-2.6％；

Ni：0.05-0.6％；

Cr：0.2-1.0％；

Mo：0.1-0.6％；

B:0.001-0.006％

Cu：0.05-0.50％；

Al：0.015-0.060％；

Nb：0.02-0.1％；

V：0.02-0.15％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的高强度中的各化学元素的设计原理为：

C：C元素是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且添加成本低。对于本技术方案来说，当C含量低于0.07％时，钢种不能达到1000MPa以上的抗拉强度，但是当C含量高于0.15％时，钢的塑性降低，同时C含量的增加将显著增加钢的C当量，对制造的钢管的焊接性能会产生较大的负面影响。因此，在本发明的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.07～0.15％。

Si：Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，其在钢中不形成碳化物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度，因此本钢种适当增加Si含量，以提高空冷状态钢的强度。但硅含量若超过1.0％时则会大大降低塑性，同时还会降低制得的钢管的焊接性能。因此，应该将Si含量控制为0.10～1.0％。

Mn：Mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小淬火临界冷却速度，Mn含量达到2.0wt.％以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，对于本技术方案来说，若Mn含量超过2.6wt.％时，钢的塑性和冲击韧性随之下降得较为显著，同时钢的热塑性降低，增加钢在连铸过程和热穿孔过程中钢管开裂的倾向。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为2..0～2.6％。

Ni：Ni既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。基于此，本技术方案将Ni含量控制在0.05～0.6wt.％的范围之内。为了使Ni元素与其他元素配合达到更理想的强化作用并同时提高钢的韧性，Ni最优选择为0.2-0.6％。

Cr：Cr是中强碳化物的形成元素。钢中的Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，另一部分则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。与此同时，Cr也是提高钢的淬透性的主要元素。但是对于本技术方案来说，Cr含量一旦超过1.0％则会对焊接部位的韧性产生影响，因此将Cr控制为0.2～1.0％。

Mo：Mo在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用，同时提高钢的回火稳定性。当Mo含量达到0.05％时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，由于本钢种需在空冷得到较高强度，因此需要增加Mo含量至0.1％以上，从而与其他元素配合充分增加钢的淬透性，但是当Mo含量超过一定范围时会对钢管焊接部位的韧性产生影响。因此，将Mo含量控制为0.1～0.6％。

B：B在钢种具有显著的提高钢的淬透性的作用，含量大于0.001％的B具有较明显的增加钢的淬透性同时增加钢的强度的作用，同时B与Mo复合添加可显著增加钢的淬透性，使钢在空冷状态得到贝氏体组织。但是对于本技术方案来说，B含量一旦超过0.006％则会对焊接部位的韧性产生影响。基于此，将B控制为0.001～0.006％。

Cu：在本技术方案中Cu可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，如果Cu含量超过0.50％时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为0.05～0.50％。

Al：Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当Al含量达到0.015％以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当Al含量超过0.060％时，钢中会出现裂纹的倾向增大。本发明基于此而将Al含量控制在0.015～0.060％之间。

Nb：Nb的作用是提高钢的韧性。在本技术方案中，当Nb含量≥0.02％时，这一添加效果比较明显，不过当Nb含量超过0.1％时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明的技术方案中将Nb含量设定为0.02～0.1％。

V：V是强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.02％时，弥散强化作用并不明显，但是如果V的含量大于0.15％，对钢的加工性能也会产生影响，为此，控制钢中的V的含量为0.02～0.15％。

本发明所述的高强度钢中不含有Ca，Mg或稀土金属等成本较高的添加元素，其通过对化学成分的优化设计，结合合理的制造工艺，可以获得强度高、强塑积大的钢种。

进一步地，本发明所述的高强度钢的微观组织为细小的下贝氏体基体以及在所述下贝氏体基体上弥散析出的碳化物。

更进一步地，所述碳化物包括NbC和/或VC。

更进一步地，所述下贝氏体基体的晶粒度大于8级。

进一步地，本发明所述的高强度钢还满足：0.7％≤Mo+50B+Cr≤1.5％。

在本技术方案的某些实施方式中，该高强度钢的微观组织为细小的下贝氏体基体以及在所述下贝氏体基体上弥散析出的碳化物，其中下贝氏体的晶粒度大于8级，所述碳化物包括NbC和/或VC；其化学元素质量百分配比还满足0.7％≤Mo+50B+Cr≤1.5％。

进一步地，在本发明所述的高强度钢中，所述不可避免的杂质中的S≤0.015％，P≤0.025％。本技术方案中不可避免的杂质主要是S和P元素，应控制其含量越少越好。

本发明的另一目的在于提供一种汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其采用上述高强度钢制得。

进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其抗拉强度≥1000Mpa，延伸率≥16％，强塑积大于160000MPa％,常温抗扭转疲劳次数大于100万次。

进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的壁厚为1.5-8mm。

进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的外径为30-60mm。

本发明的又一目的在于提供一种上述汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法。

基于上述发明目的，本发明提供了一种上述汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法，其成品热处理的方式为：在保护气氛中进行空冷淬火+回火。

本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法，不采用水冷介质淬火+回火的热处理方式，而是通过空冷淬火+回火的热处理方式，从而得到细小的下贝氏体组织并在基体上弥散析出MC碳化物，从而通过位错强化与弥散强化共同作用达到了高的强度要求。同时，细小均匀的组织也保证了钢管具有优异的耐疲劳性能。此种热处理方式降低了无缝钢管的工序能耗，避免了常规淬火工序容易产生的弯管、开裂等质量问题，同时保证了钢管的尺寸精度要求。由于该钢管的元素配比保证了钢管具有优异的淬火性能，空冷能够得到细小的下贝氏体组织和弥散分布的碳化物，使得成品钢管具有高的强度和强塑积，保证了钢管优良的抗扭转疲劳性能。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，空冷淬火的加热温度是850℃-950℃，保温时间20-30min；回火温度为450-650℃，保温时间45-70min。

空冷淬火的加热温度过高，或者保温时间过长均会导致钢管成品的晶粒粗大，使得钢管的强度和硬度都不能达到使用要求。然而，加热温度过低又会导致析出的碳化物不能充分固溶，不能达到强化作用。另外，控制淬火保温时间为20-30min是为了能够使钢中的碳化物在较短的时间内析出，以达到固溶强化的作用，同时又为了防止晶粒长大，提高钢的强度和塑性。后续以450-700℃的加热温度保温45-70min，是为了保证钢管的延伸率有较大幅度的提升，达到高的强塑积，保证钢管成品具有优异的抗扭转疲劳稳定性。

进一步地，本发明所述的制造方法包括步骤：

(1)制造管坯；

(2)将管坯加热后均热；

(3)热穿孔和连轧；

(4)再加热，张力减径，自然冷却，然后立即对钢管进行退火处理；

(5)酸洗、磷化和皂化；

(6)采用冷拔或冷轧的方式进行多个道次的冷加工，且在两相邻的冷加工道次之间进行去应力退火；

(7)在保护气氛中进行空冷淬火+回火。

更进一步地，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1200℃-1250℃，均热20-30min。

更进一步地，在所述步骤(3)中，热穿孔温度为1170-1220℃。

更进一步地，在所述步骤(4)中，退火温度为550-850℃，保温时间为30-60min。

控制热穿孔温度为1170-1220℃，并对减径后的钢管及时进行550-850℃保温30-60min的退火热处理，可以防止钢管在放置过程中产生开裂。

更进一步地，在所述步骤(6)中，每道次的冷加工延伸系数为1.3-1.8，可以在保证钢管的生产效率的同时，避免冷加工后钢管开裂。

更进一步地，在所述步骤(6)中，去应力退火温度为500-700℃，保温30-60min，以消除加工应力，对钢管进行软化。

由于采用了上述技术方案，本发明所述的高强钢的抗拉强度≥1000Mpa，延伸率≥16％，强塑积大于160000MPa％。

本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管具备较高的强度和强塑积，以及良好的抗扭转疲劳性能，其常温抗扭转疲劳次数超过100万次。

另外，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的钢管壁薄，重量轻尺寸精度好，能够满足轻量化车系的使用需求。

此外，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管主要通过Mn、及少量的Cr、Mo、B元素复合添加来提高钢的淬透性，达到高强度和高塑性的目的，无贵重金属元素添加，因此产品原料成本较低。

本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法在保证生产效率的同时，可以有效地避免钢管的开裂。

附图说明

图1显示了本发明所述的钢管在实施例A3中的微观组织。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的高强度钢、汽车传动半轴用高强塑无缝钢管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例A1-A10和对比例B1-B6

按照下列步骤制造本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管A1-A10以及对比例B1-B6，其包括步骤如下：

(1)制造管坯，控制其化学元素质量百分配比如表1所示；

(2)采用环形加热炉将管坯加热至1200℃-1250℃，均热20-30min；

(3)采用立式锥形热穿孔机进行热穿孔，穿孔温度1170-1200℃，连轧；

(4)再加热后，通过三辊张力减径机对管坯进行减径减壁厚，冷床冷却采用自然冷却而不加风冷，并及时采用550-850℃保温30-60min进行退火；

(5)经酸洗后进行磷化、皂化；

(6)采用冷拔或冷轧的方式进行冷加工至成品尺寸，控制每道次冷加工的延伸系数1.3-1.8，两相邻道次的冷加工之间采用500-700℃保温30-60min的退火工艺消除加工应力，冷加工后的钢管成品尺寸为壁厚1.5-8mm，外径30-60mm；

(7)采用氮气+氢气的保护气氛炉进行最终热处理：空冷淬火的加热温度是850℃-950℃，保温时间20-30min，回火温度为450-650℃，保温时间45-70min。

表1列出了本案实施例A1-A10以及对比例B1-B6的化学元素的质量百分配比。

表1.(wt.％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)

序号	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	B	Cu	Al	Nb	V	X_总
													A1	0.07	0.35	2.0	0.3	0.40	0.20	0.002	0.07	0.015	0.03	0.06	0.7
A2	0.11	0.60	2.2	0.2	1.0	0.20	0.004	0.05	0.035	0.04	0.05	1.4
													A3	0.08	0.65	2.3	0.2	0.70	0.25	0.002	0.08	0.06	0.05	0.06	1.05
A4	0.11	0.70	2.1	0.4	0.40	0.30	0.005	0.09	0.02	0.03	0.08	0.95

A5	0.12	0.55	2.2	0.3	0.55	0.25	0.006	0.12	0.03	0.05	0.07	1.1
													A6	0.10	0.37	2.4	0.4	0.65	0.50	0.002	0.10	0.035	0.06	0.10	1.25
A7	0.12	0.60	2.6	0.2	0.80	0.40	0.001	0.11	0.05	0.04	0.11	1.25
													A8	0.13	0.48	2.3	0.2	0.65	0.35	0.004	0.07	0.04	0.03	0.06	1.2
A9	0.15	0.80	2.5	0.1	0.50	0.40	0.005	0.08	0.025	0.07	0.07	1.15
													A10	0.10	0.85	2.2	0.3	0.70	0.45	0.004	0.09	0.03	0.08	0.08	1.35
B1	0.06	0.65	2.2	0.4	0.70	0.40	0.003	0.09	0.003	0.04	0.09	1.25
													B2	0.10	0.70	1.8	0.6	0.65	0.40	0.004	0.09	0.002	0.07	0.08	1.25
B3	0.12	0.65	2.3	0.3	0.60	0.07	0.003	0.10	0.10	0.06	0.08	0.82
													B4	0.11	0.68	2.4	0.4	0.10	0.40	0.005	0.08	0.04	0.06	0.11	0.75
B5	0.13	0.70	2.8	0.3	0.70	0.40	0.004	0.12	0.003	0.04	0.06	1.3
													B6	0.12	0.65	2.3	0.4	0.65	0.30	0.003	0.07	0.01	0.04	0.09	1.1

注：X_总＝Cr+Mo+50*B

表2示出了实施例A1～A10和对比例B1～B6中的各步骤的工艺参数。

表2.

B6为热轧后钢管开裂，不能进行后续生产至成品，故无后续生产数据。

将上述实施例和对比例中的无缝钢管进行性能测试，具体评价指标上述实施例和对比例中的无缝钢管是否合格的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的标准如下：1)抗拉强度≥1000MPa，2)屈服强度≥900MPa，3)延伸率≥16％，4)强塑积大于160000MPa％，5)负载交替扭矩3000Nm，进行扭转疲劳测试，扭转疲劳次数大于100万次，记为合格，反之记为不合格。即当上述无缝钢管同时满足1)～5)的标准时为合格；反之，则为不合格，所获得的实施例和对比例中的无缝钢管的综合力学性能参数如表3所示，此外，表3还列出了各钢管的壁厚、外径和基体晶粒度。

表3.

注：*强塑积为抗拉强度和全长延伸率的乘积。

B6为热轧后钢管开裂，不能进行后续生产至成品，钢管加工失败，故不能获得成品性能数据。

结合表1、表2和表3可以看出，由于实施例A1-A10中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产，故实施例A1-A10中的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的强度、延伸率、强塑积和抗扭转疲劳性能均能达到要求。反之，对比例因为成分或工艺不满足本技术方案，使得其性能指标的至少一项不符合要求。

图1显示了本案实施例A3中的无缝钢管的微观组织，从图中可见看出该成品管的组织为下贝氏体组织，并且在基体上析出有细小弥散的MC碳化物颗粒，组织晶粒度为9级。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强度钢，其特征在于，其化学元素质量百分比含量为：

C：0.07-0.15％；

Si：0.1-1.0％；

Mn：2.0-2.6％；

Ni：0.05-0.6％；

Cr：0.2-1.0％；

Mo：0.1-0.6％；

B:0.001-0.006％

Cu：0.05-0.50％；

Al：0.015-0.060％；

Nb：0.02-0.1％；

V：0.02-0.15％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度钢，其特征在于，其微观组织为细小的下贝氏体基体以及在所述下贝氏体基体上弥散析出的碳化物。

3.如权利要求2所述的高强度钢，其特征在于，所述碳化物包括NbC和/或VC。

4.如权利要求2所述的高强度钢，其特征在于，所述下贝氏体基体的晶粒度大于8级。

5.如权利要求1所述的高强度钢，其特征在于，还满足：其中0.7％≤Mo+50B+Cr≤1.5％。

6.如权利要求1所述的高强度钢，其特征在于，其中Ni元素含量为0.2-0.6％。

7.如权利要求1所述的高强度钢，其特征在于，其微观组织为细小的下贝氏体基体以及在所述下贝氏体基体上弥散析出的碳化物，其中下贝氏体的晶粒度大于8级，所述碳化物包括NbC和/或VC；其化学元素质量百分配比还满足0.7％≤Mo+50B+Cr≤1.5％。

8.如权利要求1所述的高强度钢，其特征在于，所述不可避免的杂质中的S≤0.015％，P≤0.025％。

9.一种汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其特征在于，其采用如权利要求1-8中任意一项所述的高强度钢制得。

10.如权利要求9所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其特征在于，其抗拉强度≥1000Mpa，延伸率≥16％，强塑积大于160000MPa％,常温抗扭转疲劳次数大于100万次。

11.如权利要求9所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其特征在于，其壁厚为1.5-8mm。

12.如权利要求9所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其特征在于，其外径为30-60mm。

13.如权利要求9所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法，其特征在于，其成品热处理的方式为：在保护气氛中进行空冷淬火+回火。

14.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，空冷淬火的加热温度是850℃-950℃，保温时间20-30min；回火温度为450-650℃，保温时间45-70min。

15.如权利要求13或14所述的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)制造管坯；

(2)将管坯加热后均热；

(3)热穿孔和连轧；

(5)酸洗、磷化和皂化；

(7)在保护气氛中进行空冷淬火+回火。

16.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，将管坯加热到1200℃-1250℃，均热20-30min。

17.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，热穿孔温度为1170-1220℃。

18.如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，退火温度为550-850℃，保温时间为30-60min。

19.如权利要求15所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，每道次的冷加工延伸系数为1.3-1.8。

20.如权利要求19所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，去应力退火温度为500-700℃，保温30-60min。

21.如权利要求20所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，成品退火的温度为500-700℃，保温30-60min。