CN108796166A - 一种高强度钢及卡环制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度钢，按重量百分比包含：C：0.70‑0.85％，Si：0.80‑1.15％，Mn：0.60‑0.80％，Nb：0.02‑0.08％，S：≤0.010％，P：≤0.010％，15：≤15ppmT.O，Alt：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该高强度钢用于制造弹性卡环。本发明还公开了一种卡环制造方法，将上述高强度钢轧制成线材盘条用于制造弹性卡环，利用上述高强度钢制造卡环的方法包括：步骤1：按照上述各元素的含量配制高强度钢的原材料；步骤2：利用步骤1配制的原材料制备高强度钢并对高强度钢进行盘条轧制形成线材；步骤3：线材拉拔；步骤4：退火；步骤5：冷轧；步骤6：弯圈；步骤7：制作卡环孔型和圈型；步骤8：热处理；步骤9：表面处理，得到弹性和扭转性良好、硬度范围为52HRC～56HRC的卡环，具有良好的疲劳性能。

Description

一种高强度钢及卡环制造方法
技术领域
本发明属于零件制造技术领域，具体涉及一种高强度钢及利用该高强度钢制造卡环的方法。
背景技术
弹性卡环是一种常见的汽车紧固件，也叫卡簧、垫圈，作用是可以防止装在孔内或轴上其它零件的轴向窜动，是一种使用广泛的定位固定元件。弹性卡环原材料一般为65号钢、65Mn、60Si2Mn弹簧钢等，卡环成品硬度一般在40HRC～51HRC。但随着汽车节能减重的发展方向，要求汽车各部位零件提高强度、减轻重量、提高寿命，现有硬度的卡环产品已难以与超高强度零部件配套，更高硬度的卡环亟待开发。
中国专利CN 103194588 A公开了一种65Mn弹簧垫圈的热处理工艺。所述本发明涉及一种65Mn弹簧垫圈的热处理工艺，通过在淬火炉内加入木炭以产生保护气体与在弹簧垫圈表面涂刷防氧化脱碳涂料来防止氧化脱碳，同时保证弹簧垫圈所需的性能。此发明专利通过特定的热处理方法防止垫圈(卡环)的表面脱碳，不足之处是并未在原有基础上提高卡环硬度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在满足卡环的弹性、韧性、扭转性能的同时提高卡环硬度的高强度钢及利用该高强度钢制造卡环的方法，解决现有硬度的卡环产品已难以与超高强度零部件配套的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种高强度钢，所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.70-0.85％，Si：0.80-1.15％，Mn：0.60-0.80％，Nb：0.02-0.08％，S：≤0.010％，P：≤0.010％，15：≤15ppmT.O，Alt：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.78％，Si：1.03％，Mn：0.73％，Nb：0.040％，S：0.002％，P：0.008％，T.O：13ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.80％，Si：0.98％，Mn：0.72％，Nb：0.042％，S：0.003％，P：0.008％，T.O：12ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，所述高强度钢的组织为索氏体。
本发明还涉及一种利用上述高强度钢制造卡环的方法，一种卡环制造方法，包括如下步骤：步骤1：按照权利要求1至3任意一项所述各元素的含量配制高强度钢的原材料；步骤2：利用步骤1配制的原材料制备高强度钢并对高强度钢进行盘条轧制形成线材；步骤3：线材拉拔；步骤4：退火；步骤5：冷轧；步骤6：弯圈；步骤7：制作卡环的孔型和圈型；步骤8：热处理；步骤9：表面处理。
进一步的，所述步骤2的具体操作方法如下：a.将所述步骤1配制的原材料放入到电弧炉内冶炼；b.LF炉精炼；c.真空脱气；d.圆坯连铸；e.方坯轧制；f.高速线材轧制；在进行所述步骤f.高速线材轧制时，控制加热温度为1050～1150℃、开轧温度为970～1100℃、终轧温度为910～980℃、吐丝温度为780～880℃。
进一步的，所述步骤f轧制出的线材组织为细小均匀的索氏体组织。
进一步的，所述步骤4：退火的具体操作为：保护气氛球化退火；步骤5：冷轧的具体操作为：在常温下对退火后的线材进行挤压。
进一步的，所述步骤8：热处理包括淬火、圈型校正、回火，具体操作为：先对成型的卡环进行淬火，所述淬火方式为油淬，所述淬火温度为830～870℃，再以200℃/s的冷却速度将卡环冷却至室温并进行圈型校正，然后在400～500℃温度范围内进行回火，回火后卡环成品组织为回火屈氏体，回火后卡环成品硬度为52HRC～56HRC。
进一步的，所述步骤d为连铸直径为80mm的圆坯，所述步骤e为轧制150mm×150mm的方坯，所述步骤f轧制出直径为10mm的线材盘条。
采用本发明技术方案的优点为：
1.本发明在高强度钢中加入的Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性；加入Nb可提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，从而提高钢的强韧性。
2.本发明采用特定成分配比的钢制造出高强度钢，利用高强度钢制作线材盘条，在制作时控制加热温度、开轧温度、终轧温度和吐丝温度，可保证线材盘条的组织为细小均匀的索氏体组织，有利于提高线材拉拔性能。
3.本发明采用特定成分的线材盘条，线材组织为索氏体，采用线材拉拔→退火→冷轧→弯圈→冲孔型和圈型→淬火→圈型校正→回火→表面处理的加工工艺，得到弹性和扭转性良好、硬度范围为52HRC～56HRC的弹性卡环，卡环热处理后显微组织为回火屈氏体，具有良好的疲劳性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明实施例1热轧盘条组织图。
图2为本发明实施例2热轧盘条组织图。
图3为本发明对比例热轧盘条组织图。
图4为本发明卡环的整体结构示意图。
图5为本发明实施例1热处理组织图。
图6为本发明实施例2热处理组织图。
图7为本发明对比例热处理组织图。
图8为本发明实施例1、实施例2和对比例的S-N曲线。
具体实施方式
在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图8所示，一种高强度钢，按重量百分比包含：C：0.70-0.85％，Si：0.80-1.15％，Mn：0.60-0.80％，Nb：0.02-0.08％，S：≤0.010％，P：≤0.010％，15：≤15ppmT.O，Alt：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该高强度钢用于制造弹性卡环，以下是高强度钢中各元素的作用以及控制其加入量的原因：
C：C是钢中最基本有效的强化元素，C含量不足时，会形成先共析铁素体，降低钢的强度和硬度；但过量的C会促进先共析渗碳体的析出甚至形成网状渗碳体，降低钢的塑性；所以将C含量严格控制在0.70％～0.85％。
Si：Si是脱氧剂，同时通过固溶强化及提高回火软化阻力来提高钢的强硬度和钢的抗弹减性，但过量的硅不利于控制材料表面脱碳，所以将Si含量控制在0.80％～1.15％。
Mn：Mn和Fe形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性，但过量的Mn会降低钢的塑性；Mn的添加同时有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，但过度的Mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，提高腐蚀率；所以将Mn含量控制在0.60％～0.80％。
Nb：Nb是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，Nb在钢中的特点是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，从而提高钢的强韧性；Nb在中高碳钢中需适量，过量的Nb不再起作用，所以将Nb含量控制在0.02％～0.08％。
S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对卡环的扭转性能有害；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害，所以严格控制P的含量≤0.010％、S的含量≤0.010％。
T.O和Alt：T.O在钢中形成氧化物夹杂，严格控制T.O≤15ppm；Alt在钢中形成氧化铝脆性夹杂物，严格控制Alt≤0.010％。
以上各元素的成分只是炼制高强度钢的配方，上述配方必须经过冶炼工艺才能形成高强度钢，严格控制冶炼工艺中的条件，确保炼制出的高强度钢的组织和用高强度钢制出的线材盘条的组织均为细小均匀的索氏体。
将上述高强度钢轧制成线材盘条用于制造弹性卡环，利用上述高强度钢制造卡环的方法包括如下步骤：步骤1：按照上述各元素的含量配制高强度钢的原材料；步骤2：利用步骤1配制的原材料制备高强度钢并对高强度钢进行盘条轧制形成线材；步骤3：线材拉拔；步骤4：退火；步骤5：冷轧；步骤6：弯圈；步骤7：制作卡环的孔型和圈型；步骤8：热处理；步骤9：表面处理。
上述步骤2高强度钢及线材盘条的制备具体操作方法如下：a.将所述步骤1配制的原材料放入到电弧炉内冶炼；b.LF炉精炼；c.真空脱气；d.圆坯连铸；e.方坯轧制；f.高速线材轧制；在进行所述步骤f.高速线材轧制时，控制加热温度为1050～1150℃、开轧温度为970～1100℃、终轧温度为910～980℃、吐丝温度为780～880℃，保证轧制出的线材组织为细小均匀的索氏体组织，有利于线材拉拔性能。在本发明的优选方案中步骤d为连铸直径为380mm圆坯，所述步骤e为轧制150mm×150mm方坯，所述步骤f轧制出的线材盘条的直径为10mm。
上述步骤4：退火的具体操作为：保护气氛球化退火；步骤5：冷轧的具体操作为：在常温下对退火后的线材进行挤压。
上述步骤8热处理包括淬火、圈型校正、回火，具体操作为：先对成型的卡环进行淬火，所述淬火方式为油淬，所述淬火温度为830～870℃，再以200℃/s的冷却速度将卡环冷却至室温并进行圈型校正，然后在400～500℃温度范围内进行回火，回火后卡环成品组织为回火屈氏体，回火后卡环成品硬度为52HRC～56HRC。最后进行步骤9：表面处理，得到弹性和扭转性良好、硬度范围为52HRC～56HRC的弹性卡环，该弹性卡环具有良好的疲劳性能。
实施例1，高强度钢的配比为C：0.78％，Si：1.03％，Mn：0.73％，Nb：0.040％，S：0.002％，P：0.008％，T.O：13ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，如表1所示。按照上述步骤制造卡环，其中，连铸圆坯直径为380mm，轧制方形坯料尺寸为150mm×150mm，线材盘条的规格为10mm；线材盘条轧制时的加热温度为1065℃、开轧温978℃、终轧温915℃、吐丝温度792℃，如表2所示，轧制出的线材盘条的组织为细小均匀的索氏体组织，如图1所示；卡环热处理时淬火温度为860℃、回火温度为440℃，回火后卡环成品组织为回火屈氏体，回火后卡环成品硬度为52HRC～56HRC；表面处理后得到弹性和扭转性良好、硬度范围52HRC～56HRC的弹性卡环，如表3和图4所示。其中，卡环热处理后显微组织为回火屈氏体，如图5所示。
实施例2，高强度钢的配比为C：0.80％，Si：0.98％，Mn：0.72％，Nb：0.042％，S：0.003％，P：0.008％，T.O：12ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，如表1所示。按照上述步骤制造卡环，其中，连铸圆坯直径为380mm，轧制方形坯料尺寸为150mm×150mm，线材盘条的规格为10mm；线材盘条轧制时的加热温度为1073℃、开轧温975℃、终轧温918℃、吐丝温度789℃，如表2所示，轧制出的线材盘条的组织为细小均匀的索氏体组织，如图2所示；卡环后处理时淬火温度为860℃、回火温度为440℃，回火后卡环成品组织为回火屈氏体，回火后卡环成品硬度为52HRC～56HRC；表面处理后得到弹性和扭转性良好、硬度范围52HRC～56HRC的弹性卡环，如表3和图4所示。其中，卡环热处理后显微组织为回火屈氏体，如图6所示。
对比例，高强度钢的配比为C：0.66％，Si：0.25％，Mn：1.02％，Nb：0％，S：0.004％，P：0.010％，T.O：15ppm，Alt：0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，如表1所示。按照上述步骤制造卡环，其中，连铸圆坯直径为380mm，轧制方形坯料尺寸为150mm×150mm，线材盘条的规格为10mm；线材盘条轧制时的加热温度为1076℃、开轧温977℃、终轧温922℃、吐丝温度795℃，如表2所示；卡环后处理时淬火温度为860℃、回火温度为440℃。对比例中高强度钢的配比为现有技术中的钢的各元素的含量，图3为对比例热轧线材盘条组织，图7为对比例卡环热处理后的组织。
表1实施例1、实施例2和对比例高强度钢的配比(％)
表2实施例1、实施例2和对比例线材的制造方法具体工艺参数
对卡环用线材盘条在和卡环在同样的热处理条件下进行淬火和回火处理，将表层氧化铁皮去除制作试样，再进行疲劳弯曲试验。将10根试样以60％以上的概率出现107次以上寿命的最大负载应力作为疲劳强度，测试出分别按照实施例1、实施例2和对比例制造出的钢的疲劳强度。实施例1和实施例2，实施例1和实施例2均具有疲劳强度850MPa以上的优良的疲劳特性，而对比例的疲劳强度仅为775MPa，如表3和图8所示。
表3实施例和对比例的调质热处理后硬度(HRC)、弹性、韧性、扭转性能、疲劳强度
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度钢，其特征在于：所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.70-0.85％，Si：0.80-1.15％，Mn：0.60-0.80％，Nb：0.02-0.08％，S：≤0.010％，P：≤0.010％，15：≤15ppmT.O，Alt：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的一种高强度钢，其特征在于：所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.78％，Si：1.03％，Mn：0.73％，Nb：0.040％，S：0.002％，P：0.008％，T.O：13ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述的一种高强度钢，其特征在于：所述高强度钢按重量百分比包含：C：0.80％，Si：0.98％，Mn：0.72％，Nb：0.042％，S：0.003％，P：0.008％，T.O：12ppm，Alt：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
4.如权利要求1至3任意一项所述的一种高强度钢，其特征在于：所述高强度钢的组织为索氏体。
5.一种卡环制造方法，其特征在于：所述卡环制造方法包括如下步骤：步骤1：按照权利要求1至3任意一项所述各元素的含量配制高强度钢的原材料；步骤2：利用步骤1配制的原材料制备高强度钢并对高强度钢进行盘条轧制形成线材；步骤3：线材拉拔；步骤4：退火；步骤5：冷轧；步骤6：弯圈；步骤7：制作卡环的孔型和圈型；步骤8：热处理；步骤9：表面处理。
6.如权利要求5所述的一种卡环制造方法，其特征在于：所述步骤2的具体操作方法如下：a.将所述步骤1配制的原材料放入到电弧炉内冶炼；b.LF炉精炼；c.真空脱气；d.圆坯连铸；e.方坯轧制；f.高速线材轧制；在进行所述步骤f.高速线材轧制时，控制加热温度为1050～1150℃、开轧温度为970～1100℃、终轧温度为910～980℃、吐丝温度为780～880℃。
7.如权利要求6所述的一种卡环制造方法，其特征在于：所述步骤f轧制出的线材组织为细小均匀的索氏体组织。
8.如权利要求5至7任意一项所述的一种卡环制造方法，其特征在于：所述步骤4：退火的具体操作为：保护气氛球化退火；步骤5：冷轧的具体操作为：在常温下对退火后的线材进行挤压。
9.如权利要求8所述的一种卡环制造方法，其特征在于：所述步骤8：热处理包括淬火、圈型校正、回火，具体操作为：先对成型的卡环进行淬火，所述淬火方式为油淬，所述淬火温度为830～870℃，再以200℃/s的冷却速度将卡环冷却至室温并进行圈型校正，然后在400～500℃温度范围内进行回火，回火后卡环成品组织为回火屈氏体，回火后卡环成品硬度为52HRC～56HRC。
10.如权利要求6或7所述的一种卡环制造方法，其特征在于：所述步骤d为连铸直径为80mm的圆坯，所述步骤e为轧制150mm×150mm的方坯，所述步骤f轧制出直径为10mm的线材盘条。
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