CN107620001B - 高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+VD炉或RH炉，钢的化学成分按重量百分比为 [C]=0.40%～0.42%，[Si]=0.26%～0.33%，[Mn]=0.75%～0.80%，[P]≤0.015%，[S]=0.017%～0.030%，[Cr]=1.10%～1.15%，[Mo]=0.17%～0.20%，[Ni]=0.09%±0.01%，[Al]=0.010%～0.025%，[Ca]≤0.0010%，[Ti]≤0.0045%，[N]≤0.0050%，[O]≤0.0015%，[Cu]≤0.05%，[Sn]≤0.010%，[As]≤0.020%，Ceq=0.79%～0.82%，理想临界值DI=125±5mm。生产出的高疲劳寿命汽车前轴用42CrMo钢，前轴总成疲劳寿命试验达100万次无损坏。

Description

高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法。

背景技术

汽车用钢需求量和发展潜力极大,其中汽车轴用CrMo系列是使用档次高和质量要求高的特钢产品，该品种在汽车行业中的广泛应用，主要用于做关键部分材料，它直接影响汽车行驶的可靠性与安全性，因此必须具有足够的强度、刚度及抗疲劳性能。随着汽车行业的发展，尤其是汽车召回制度的实行，汽车行业对汽车用钢要求越来越高，汽车轴用42CrMo钢作为为高档合金材料，要求有高的疲劳寿命。按照中国国标QC/T513-1999《汽车前轴用台架疲劳寿命试验方法》和QC/T483-1999《汽车前轴疲劳寿命限值》中标准要求，汽车前轴疲劳寿命同时达到B5不小于30万次或B10不小于38万次和B50不小于70万次的双指标为合格品。

发明内容

本发明旨在提供一种高疲劳寿命汽车前轴用钢42CrMo的生产方法，其圆钢代表规格为φ110mm，锻造成汽车前轴零件后要求调质硬度30～36HRC，锻件表面喷丸强化处理、晶粒度5～8级、前轴总成疲劳寿命试验达100万次无损坏。

本发明的技术方案：

高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+VD炉或RH炉，钢的化学成分按重量百分比为 [C]=0.40%～0.42%，[Si]=0.26%～0.33%，[Mn]=0.75%～0.80%，[P]≤0.015%，[S]=0.017%～0.030%，[Cr]=1.10%～1.15%，[Mo]=0.17%～0.20%，[Ni]=0.09%±0.01%，[Al]=0.010%～0.025%，[Ca]≤0.0010%，[Ti]≤0.0045%，[N]≤0.0050%，[O]≤0.0015%，[Cu]≤0.05%，[Sn]≤0.010%，[As]≤0.020%，Ceq=0.79%～0.82%，理想临界值DI= 125±5mm。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢[C]≥0.10%，[P]≤0.010%，采用LF+VD炉或RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥20min，精炼渣碱度CaO/SiO₂≥2.5；VD/RH真空脱气处理真空度在0.5tor以下，真空保持时间不小于12min，出站钢水[N]≤45ppm，[H]≤2ppm，[O]≤15ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度目标值15℃～25℃，铸坯尺寸为300mm×430mm；

加热：铸坯加热段温度1170～1210℃之间，加热段时间≥80min；均热段温度1180～1220℃之间，均热段时间≥80min；

轧制：800轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量按65mm、60mm控制，开轧温度≥1000℃，终轧温度≥850℃；

冷却：轧后圆钢采用密排进保温罩缓冷，保证冷速≤0.13℃/s；进保温罩温度730~750℃，在保温罩时间≥35min，出保温罩后快速入坑缓冷；

精整：超声波探伤+磁粉表面探伤+扒皮。

本发明主要从以下几方面来提高产品的的疲劳寿命 ：

a.化学成分的设计：含碳量在化学成分中对疲劳极限的影响是主要的，疲劳极限随含碳量的增加而升高，钢中合金元素能够提高塑性和韧性，缩小含碳量的波动范围，提高合金Mn、Cr、Mo元素的含量，并适当加入提高冲击韧性的Ni元素，对疲劳强度是有利的。

b.降低钢中非金属夹杂物:钢中由于非金属夹杂物的存在,破坏了金属基体的连续性,易产生应力集中,成为金属疲劳的发源地。裂纹多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间,当应力足够大时就产生裂纹,并迅速扩展而破坏。非金属夹杂物塑性越低,形状越尖棱,则应力集中也就越大。为了提高产品的疲劳寿命，控制好真空脱气处理和炉外精炼，减少非金属夹杂物的含量、改变夹杂物类型和分布状态。

c.钢种硫含量的控制：钢中的硫化物几乎全部以硫化物形态存在。一些研究表明，钢中呈椭球状的MnS夹杂物能够包裹危害较大的氧化物夹杂, 形成氧化物～硫化物共生夹杂物，当硫化物与氧化物共生时，则残余应力较低，压应力的作用也小,这将阻碍裂纹的发生,材料也就增强了抵抗外来应力的能力,提高材料的疲劳寿命。适当提高钢中的硫含量，则钢中的化合硫相应增高，增加氧化物被硫化物包围的机会，导致共生夹杂数量增多，减少了氧化物对疲劳寿命的影响。

d.降低钢中气体含量、残余元素Ti、Ca含量:钢中气体含量是影响材质的重要因素，钢中含氧量增高，弯曲疲劳和接触疲劳寿命在高应力作用下随之降低。钢种氮含量过高容易形成氮化物：氮化钛、氮化铝夹杂。钢中氢含量越高，在轧后的冷却过程中,通过氢原子的扩散输运的富集, 越容易产生白点断裂。通过LF精炼和VD/RH抽真空处理将钢水中的活度氧含量控制在5ppm以内，氢含量控制在1.5ppm以内。氧含量控制在50ppm以氧含量控制在5ppm以内。Ti是形成氮化物的最强元素之一， Ti留在钢中形成多棱角的夹杂物，Ca容易形成硬质点夹杂，这两种夹杂物容易引起局部应力集中，产生疲劳裂纹，因此要控制此两种元素的含量。

e. 提高产品表面质量：由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，产品表面产生的裂纹缺陷造成应力集中，造成疲劳失效。如存在表面划伤、微裂纹、脱碳等表面缺陷, 将会影响产品性能的均匀性, 从而大幅降低产品的疲劳寿命。提高产品的表面质量将明显提高产品的使用性能和使用寿命。

f.优化轧制工艺提高产品晶粒度:晶粒越小，则单位体积内的晶界越多，晶界间的原子排列比晶粒内部更为紊乱，位错密度较高。一方面晶界对塑性变形(如滑移等)的阻碍作用增强，有利于强度的提高；另一方面晶粒越小、细、圆，钢丝的塑性越好。细晶粒可以提高产品的强韧性，从而提高抗疲劳性能。

本发明的有益效果：

a.本发明自创中碳高合金成分设计体系，LF+VD/RH复合精炼技术，严格控制钢水的纯净度，并采用高温大压下轧制缓冷新技术，成功开发了汽车前轴用42CrMo钢，经用户试制成汽车前轴零件，其疲劳台架试验达到100万次无损坏。

b.本发明突破常规42CrMo的生产工艺，利用钢厂现有设备和工艺条件，充分发挥设备优势，生产出高疲劳寿命的汽车前轴用钢。

c.本发明的产品可广泛应用于制造汽车前轴、车桥、转向节、平衡轴、曲轴等关键部分零件。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明：

实施例1：

高疲劳寿命汽车前轴用钢42CrMo的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：C=0.41%，Si=0.24%，Mn=0.78 %，P=0.0129%，S=0.0171%，Cr=1.0932%，Ti=0.0017%，Ca=0.0002%，Al=0.0137%，Ni=0.08%，Cu=0.0239%，Mo=0.18%，Ceq=0.805%，临界直径Di值=125。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.009%，C=0.06%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间21min，精炼渣碱度CaO/SiO₂=3.5；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间18min，出站钢水N=45ppm，H=1.2ppm，O=3.4ppm。

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度23℃。

加热：温度1190～1200℃，时间250min。

轧制：轧制规格φ110mm，800轧机采用大压下。

冷却：釆用三排密排进保温罩缓冷工艺，进罩温度740～760℃，保温时间40min。

钢材质量检测情况见表1~表3所示。

实施例2：

一种高疲劳寿命汽车前轴用钢42CrMo的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：C=0.42%，Si=0.27%，Mn=0.75 %，P=0.0125%，S=0.0185%，Cr=1.1043%，Ti=0.0035%，Ca=0.0005%，Al=0.0154%，Ni=0.0848%，Cu=0.0329%，Mo=0.1832%，Ceq=0.8075%，临界直径Di值=127。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.010%，C=0.11%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间25min，精炼渣碱度CaO/SiO₂=3.9；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间19min，出站钢水N=40ppm，H=1.1ppm，O=3.1ppm。

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度21℃。

加热：温度1180～1220℃，时间260min。

轧制：轧制规格φ125mm，采用800轧机大压下，生产工艺控制正常。

冷却：釆用两排密排进保温罩缓冷工艺（釆用三个保温罩），进罩温度730～760℃，保温时间42min。

钢材质量检测情况见表1~表3所示。

实施例3：

高疲劳寿命汽车前轴用钢42CrMo的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：C=0.41%，Si=0.28%，Mn=0.75 %，P=0.0081%，S=0.0187%，Cr=1.1203%，Ti=0.0038%，Ca=0.0004%，Al=0.0152%，Ni=0.0786%，Cu=0.0397%，Mo=0.1745%，Ceq=0.8066%，临界直径Di值=127。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.007%，C=0.12%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间25min，精炼渣碱度CaO/SiO₂=3.8；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间18min，出站钢水N=43ppm，H=1.2ppm，O=2.9ppm。

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度18℃。

加热：温度1190～1220℃，均热时间240min。

轧制：轧制规格φ120mm，采用800轧机大压下，生产工艺控制正常。

冷却：轧后采用两排密排进保温罩缓冷，进罩温度730～750℃

钢材质量检测情况见表1~表3所示。

表1 实施例中钢材低倍组织检验情况

表2 实施例中钢材末端淬透性、非金属夹杂物组织检验情况

表3 实施例中钢材力学性能、脱碳、晶粒度检验情况

从表1到表3测试结果可见，采用本发明的方法生产的汽车前轴用42CrMo钢，各项检验指标较好，钢材气体含量，非金属夹杂物较低，能够很好的满足汽车前轴超高疲劳寿命的使用需求。

Claims (1)

1. 高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+VD炉或RH炉，其特征在于：钢的化学成分按重量百分比为 [C]=0.40%～0.42%，[Si]=0.26%～0.33%，[Mn]=0.75%～0.80%，[P]≤0.015%，[S]=0.017%～0.030%，[Cr]=1.10%～1.15%，[Mo]=0.17%～0.20%，[Ni]=0.09%±0.01%，[Al]=0.010%～0.025%，[Ca]≤0.0010%，[Ti]≤0.0045%，[N]≤0.0050%，[O]≤0.0015%，[Cu]≤0.05%，[Sn]≤0.010%，[As]≤0.020%，Ceq=0.79～0.82%，理想临界DI值125±5mm；关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢[C]≥0.10%，[P]≤0.010%，采用LF+VD炉或RH炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥20min，精炼渣碱度CaO/SiO₂≥2.5；VD/RH真空脱气处理真空度在0.5tor以下，真空保持时间不小于12min，出站钢水[N]≤45ppm，[H]≤2ppm，[O]≤15ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度目标值15℃～25℃，铸坯尺寸为300mm×430mm；

加热：铸坯加热段温度1170～1210℃之间，加热段时间≥80min；均热段温度1180～1220℃之间，均热段时间≥80min；

轧制：800轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量按65mm、60mm控制，开轧温度≥1000℃，终轧温度≥850℃；

冷却：轧后圆钢采用密排进保温罩缓冷，保证冷速≤0.13℃/s；进保温罩温度730~750℃，在保温罩时间≥35min，出保温罩后快速入坑缓冷；

精整：超声波探伤+磁粉表面探伤+扒皮。