CN107587073A

CN107587073A - 一种含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢及制备方法

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Publication number: CN107587073A
Application number: CN201710851972.5A
Authority: CN
Inventors: 刘雅政; 赵帆; 蒋波; 张朝磊; 刘广磊; 吴萌; 周宁波; 纪岩; 陈列
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢，其化学成分质量百分比为：0.44％～0.48％C、0.25％～0.45％Si、0.82％～0.92％Mn、0.12％～0.21％Cr、0.07％～0.10％V、0.02～0.03％Ti、0.010～0.020％N、P≤0.025％、0.040～0.060％S，其余部分为Fe和正常杂质。上述成分的轧制大棒材(直径110mm)的显微组织为珠光体+铁素体，其组织较细且均匀性很好；大棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.0级，心表晶粒度极差可低至0.5级。以上述大棒材为原料模锻得到曲轴，其显微组织为珠光体+晶界铁素体+晶内铁素体；曲轴主轴颈1/2半径位置的屈服强度可达到500MPa以上，抗拉强度可达到800MPa以上，室温冲击功KU₂可达到20J以上；曲轴输出端横截面的硬度在240‑260HB，适宜钻孔加工，可降低机加工成本。从而能够满足大棒材组织均匀性和曲轴综合力学性能的要求。

Description

一种含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种中碳珠光体+铁素体型非调质钢，具体涉及一种满足汽车发动机曲轴用非调质钢大棒材组织、曲轴综合性能要求的成分设计。

背景技术

非调质钢是在中、高碳钢基础上添加一定量的微合金元素，通过控轧(锻)控冷，使之在轧制(锻造)后不经淬火+回火工艺，即可达到与调质钢相当力学性能的钢种。与调质钢相比，非调质钢具有节能减排、工艺简单、生产周期短、成本低等优点。随着我国汽车产量和保有量的快速增加，节能减排的压力不断增大，非调质钢在汽车零部件中的使用越来越受到重视。曲轴是发动机中的关键零件，在运转中要承受弯曲、扭转、剪切、拉压等复杂交变应力。恶劣的服役条件决定了曲轴必须具有较高的抗拉强度和疲劳强度；表面应具有较高硬度和耐磨性能，心部则必须具备较好的韧性。先进工业国家自1970年代开始发展非调质钢，强韧性不断提高。我国于1980年代开始引进非调质钢，并公布了两类九个牌号的国家标准。但是其整体强韧性水平明显落后于欧美、日本等国家。

曲轴模锻变形非常不均匀，这对大棒材原料的组织均匀性提出了很高要求，但大棒材横截面积较大，变形渗透和控制冷却难度大，在普通轧钢设备上难以实现组织的高度细化和均匀化。另一方面，曲轴的模锻工艺窗口较窄。为了避免表面质量问题，模锻时要求金属具有良好的流动性，因此模锻的开锻较高，约在1200℃左右，这使得曲轴锻造前的奥氏体晶粒比较粗大。并且，曲轴的模锻工艺和生产节奏又限制了变形量的增大和终锻温度的降低；曲轴的截面积较大，锻后控冷的难度也很大。因此非调质钢曲轴的锻后组织往往是粗大的网状铁素体+珠光体，这显著降低了曲轴的韧性。并且会使得曲轴输出端硬度过高，不利于钻孔加工。为了满足曲轴的使用性能和降低加工成本，曲轴主轴颈1/2半径位置的室温冲击功需达到20J以上，输出端的横截面硬度需控制在260HB以下。

通过降低碳含量、提高锰含量可以提高曲轴的韧性，但会大幅度提高钢的生产成本。而在钢中同时加入钛、氮元素，可在钢中形成在高温下稳定存在的TiN颗粒，抑制奥氏体晶粒长大，细化均匀化轧材和曲轴组织。氮的加入还会在奥氏体中形成V(C,N)和(Ti,V)(C,N)等晶内铁素体的形成核心，诱导晶内铁素体形成，改善曲轴的锻后组织，提高曲轴综合力学性能。本发明正是根据这一思路，得到了一种易于实现大棒材组织细化、均匀化，易于满足曲轴工艺和综合性能要求的汽车发动机曲轴用非调质钢。

发明内容

本发明针对大棒材轧制和曲轴模锻工艺的局限性，在现有传统中碳非调质钢的基础上，通过添加一定量的Ti、N元素，得到了一种易于实现大棒材组织细化、均匀化，易于满足曲轴工艺和综合性能要求的汽车发动机曲轴用非调质钢。

本发明的技术方案如下：

一种含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢，其化学成分质量百分比为：0.44％～0.48％C、0.25％～0.45％Si、0.82％～0.92％Mn、0.12％～0.21％Cr、0.07％～0.10％V、0.02～0.03％Ti、0.010～0.020％N、P≤0.025％、0.040～0.060％S，其余部分为Fe和正常杂质。

大棒材主要生产工艺流程为：连铸大方坯→加热炉加热→可逆轧机粗轧→连轧机精轧→锯切→冷床空冷→集捆→入保温坑缓冷。连铸坯加热时间为6～8h，均热温度为1150～1200℃。粗轧开轧温度为1150～1200℃，精轧开轧温度为900～1000℃。相变区冷速控制为0.1～0.3℃/s。

曲轴主要生产工艺流程为：大棒材原料→感应加热→闭模预锻→闭模终锻→切边→校正→控制冷却。感应加热目标温度为1200℃，开锻温度为1150～1200℃，终锻温度为1100～1150℃。锻后冷速控制为0.2～0.4℃/s。

本发明的有益效果如下：

1.可在常规轧制工艺下实现大棒材的组织细化和均匀化，大棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.0级，心表晶粒度极差可低至0.5级。

2.可在曲轴锻后组织中形成大量晶内铁素体，在较宽的模锻工艺窗口中生产出满足综合力学性能要求的曲轴。特别是在保证强度的同时，曲轴主轴颈1/2半径位置的室温冲击功KU₂均值可以达到20J以上；曲轴输出端横截面的硬度在240-260HB，适宜钻孔加工，降低机加工成本。

3.钢中锰含量较低，且以相对廉价的钛替代了部分钒，可以降低生产成本。

附图说明

图1是实施例1的显微组织：(a)轧材表面，(b)轧材1/2半径，(c)轧材心部，(d)曲轴主轴颈1/2半径；

图2是实施例2的显微组织：(a)轧材表面，(b)轧材1/2半径，(c)轧材心部，(d)曲轴主轴颈1/2半径；

图3是实施例3的显微组织：(a)轧材表面，(b)轧材1/2半径，(c)轧材心部，(d)曲轴主轴颈1/2半径；

图4是实施例4的显微组织：(a)轧材表面，(b)轧材1/2半径，(c)轧材心部，(d)曲轴主轴颈1/2半径；

图5是实施例5的显微组织：(a)轧材表面，(b)轧材1/2半径，(c)轧材心部，(d)曲轴主轴颈1/2半径。

具体实施方式

实施例1～5采用的化学成分如表1所示，轧材组织统计结果如表2所示。曲轴性能测试结果如表3所示。轧材表面、1/2半径、心部位置，曲轴主轴颈1/2半径位置的显微组织照片分别如图1～5所示。从这些结果可以看出：

实施例1～3，化学成分都控制在要求范围以内。轧材奥氏体晶粒度在8.0～8.5级，极差为0.5级，组织细小且均匀。曲轴的各项力学性能均符合要求，特别是室温冲击功KU₂均值可以达到20J以上，输出端横截面硬度控制在245～257HB。

实施例4，化学成分中没有加入Ti和N。轧材奥氏体晶粒度在6.5～8.0级，极差为1.5级；心部和1/2半径位置组织较为粗大，组织均匀性较差。曲轴的室温冲击功KU₂均值只有8J，输出端横截面硬度过高，为262～286HB。

实施例5，化学成分中的Mn和Cr超出成分要求的上限。轧材的奥氏体晶粒度在8.0～8.5级，极差为0.5级，组织细小且均匀。但曲轴的的室温冲击功KU₂均值只有14J，输出端横截面硬度过高，为261～276HB。

表1实施例采用的化学成分(质量百分比)

表2实施例轧材组织统计结果

表3实施例曲轴性能测试结果

Claims

1.一种含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢，其特征在于：该钢的化学成分质量百分比为：0.44％～0.48％C、0.25％～0.45％Si、0.82％～0.92％Mn、0.12％～0.21％Cr、0.07％～0.10％V、0.02～0.03％Ti、0.010～0.020％N、P≤0.025％、0.040～0.060％S，其余部分为Fe和正常杂质。

2.根据权利要求1所述的含钛、氮的汽车发动机曲轴用非调质钢的制备方法，其特征在于：生产工艺流程为：连铸大方坯→加热炉加热→可逆轧机粗轧→连轧机精轧→锯切→冷床空冷→集捆→入保温坑缓冷；连铸坯加热时间为6～8h，均热温度为1150～1200℃；粗轧开轧温度为1150～1200℃，精轧开轧温度为900～1000℃；相变区冷速控制为0.1～0.3℃/s；经轧钢生产线轧制所得直径110mm的大棒材的显微组织为珠光体+铁素体，大棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度达到8.0级，心表晶粒度极差低至0.5级。

3.根据权利要求2所述方法制备的含钛、氮非调质钢用于生产汽车发动机曲轴的方法，其特征在于：曲轴主要生产工艺流程为：大棒材原料→感应加热→闭模预锻→闭模终锻→切边→校正→控制冷却；感应加热目标温度为1200℃，开锻温度为1150～1200℃，终锻温度为1100～1150℃；锻后冷速控制为0.2～0.4℃/s；以大棒材为原料所锻造的曲轴，其显微组织为珠光体+晶界铁素体+晶内铁素体；曲轴主轴颈1/2半径位置的屈服强度达到500MPa以上，抗拉强度达到800MPa以上，室温冲击功KU₂达到20J以上；曲轴输出端横截面的硬度在240-260HB，适宜钻孔加工，可降低机加工成本。