CN109161804A - 一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材 - Google Patents

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Abstract

一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材，属于不锈钢棒材技术领域。其化学元素质量百分数为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，N：0.01～0.30％，B：0.0001～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。优点在于，避免了汽车涡轮增压器铆钉在表面感应淬火时出现的δ铁素体，解决了现有技术中铆钉表面感应淬火硬度和淬硬层深度波动大、合格率低的问题，可使铆钉感应淬火性能合格率达到98％以上。

Description

一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材
技术领域
本发明属于不锈钢棒材技术领域，特别涉及一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材。具体涉及一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材及其制造方法。
背景技术
汽车涡轮增压器铆钉用于铆接增压器上的连接盖板，服役过程中承受磨擦、剪切和冲击力，因此要求表面硬度高(440～540HV)而内部硬度低(≤330HV)，即具备“外硬而内韧”的梯度硬度，表面的高硬度是为了耐磨，内部的高韧性是为了耐剪切和冲击。为达到上述要求，国内外均采用低碳马氏体不锈钢棒材加工铆钉，铆钉再经表面感应淬火，采用低碳马氏体不锈钢是为了保证铆钉的内部韧性，表面感应淬火的目的是提高铆钉表面约1～2mm深度范围内的硬度；表面感应淬火后铆钉的理想组织：表面为淬火马氏体，内部为原始的回火马氏体，从而具备了“外硬而内韧”的梯度硬度特性。
目前，国内使用的低碳马氏体不锈钢牌号主要是1Cr17Ni2，其化学成分为：C：0.11～0.17％，Si：≤0.80％，Mn：≤0.80％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：16.00～18.00％，Ni：1.50～2.50％，余量为Fe和不可避免的杂质；国外使用的低碳马氏体不锈钢牌号以德国牌号X17CrNi16-2为代表，其化学成分为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
1Cr17Ni2和X17CrNi16-2存在的问题是表面感应淬火硬度和淬硬层深度波动大、合格率低，标准要求表面感应淬火硬度要达到440～540HV、淬硬层深度≥1.2mm(1.2mm深度范围内硬度≥350HV)，1Cr17Ni2的表面感应硬度只能达到430～470HV、淬硬层深度在0.7～1.4mm之间，性能合格率≤80％；X17CrNi16-2的表面感应硬度只能达到440～510HV1、淬硬层深度只能达到0.9～1.5mm，性能合格率≤90％。
导致上述问题的原因有三个方面：一是这两个钢种均非表面感应淬火专用钢种，表面感应淬火的加热温度要达到1150～1200℃，在该温度范围内这两个钢种均会析出一定数量的δ铁素体并保留至室温，其室温组织为淬火马氏体+δ铁素体，马氏体为硬相，δ铁素体为软相，因此表面硬度偏度；二是因为这两个钢种的δ铁素体析出敏感温度正好在表面感应淬火温度范围内，实际淬火过程温度的波动将导致δ铁素体数量的大幅度变化，进而引起表面硬度的较大波动；三是由于棒材生产工艺不合理，组织中存在δ铁素体并遗传至铆钉。
因此，本领域需要一种适用于汽车涡轮增压器铆钉表面感应淬火工艺和性能要求的专用钢种及其制造方法，克服现有钢种易出现δ铁素体和性能波动大的问题，提高产品性能稳定性和合格率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材，解决了现有钢种表面感应淬火硬度和淬硬层深度波动大、合格率低的问题。
一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材，其化学元素质量百分数为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，N：0.01～0.30％，B：0.0001～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，上述棒材化学成分为：C：0.13～0.19％，Si：≤0.50％，Mn：≤0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr：16.00～17.00％，Ni：1.80～2.20％，N：0.05～0.20％，B：0.0002～0.0008％。
本发明提供的一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材，通过其化学成分的配合作用，达到防止δ铁素体、降低表面感应淬火温度敏感性、提高表面感应淬火硬度和淬硬层深度及其稳定性的目的。具体化学成分的限定理由如下：
C：是重要的奥氏体形成元素，一定的C含量可保证高温时形成全奥氏体组织，从而避免形成δ铁素体；C还是固溶强化元素，是提高马氏体强度和硬度最有效额元素之一；在汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材中，因棒材要经过退火处理，退火后C以两种形式存在：一是作为间隙原子固溶于马氏体晶格中，二是以碳化物形式分布在马氏体基体上，这种组织被称作回火马氏体，与淬火马氏体相比具有相对低的硬度(≤330HV)和脆性，但韧性较高；棒材加工成铆钉并进行表面感应加热时，表面高温区的碳化物溶解，回火马氏体转变为奥氏体(C含量足够高时)或奥氏体+δ铁素体(C含量不足时)，在随后的冷却过程中奥氏体转变为马氏体，而奥氏体+δ铁素体则转变为马氏体+δ铁素体，马氏体的硬度要高于马氏体+δ铁素体，由此可见C在该钢中的重要作用。为达到预期效果，本发明中C含量为0.12～0.22％，优选为0.13～0.19％。
Si：是铁素体形成元素，Si越高越易在高温加热时形成δ铁素体，但Si也具有一定的固溶强化作用，能够一定程度上提高马氏体硬度和耐磨性。综合考虑Si的两方面作用，本发明中Si含量为≤1.00％，优选为≤0.50％。
Mn：Mn是奥氏体形成元素，Mn越高越能防止高温加热时形成δ铁素体，Mn也是固溶强化元素，能同时提高马氏体的强度、硬度和耐磨性，但Mn过高时容易引起一次带状组织，对钢的组织性能均匀性不利。为充分利用Mn的有利作用而防止其有害作用，本发明设计Mn含量为≤1.50％，优选为≤0.50％。
P：是有害元素，根据生产控制能力，应尽可能降低其含量。本发明设计P含量应≤0.04％，优选为P≤0.02％。
S：是有害元素，形成的低熔点硫化物将引起热加工开裂，且S含量高时将于Mn结合形成MnS夹杂，根据生产控制能力，应尽可能降低其含量。本发明设计S含量应≤0.03％，优选为P≤0.01％。
Cr：Cr是提高不锈钢耐蚀性能的元素，但Cr是强铁素体形成元素，含量过高时在马氏体不锈钢中会出现铁素体，同时也增加钢种成本。Cr含量在本发明中为15.00～17.00％，优选为16.00～17.00％。
Ni：Ni是强奥氏体形成元素，足够高的Ni含量能保证钢在加热时完全奥氏体化，在随后的冷却过程转变为全马氏体，但Ni的价格较昂贵。本发明设计Ni含量为1.50～2.50％，优选为1.80～2.20％。
N：N是强奥氏体形成元素，足够高的N含量能保证钢在加热时完全奥氏体化，在随后的冷却过程转变为全马氏体，N在奥氏体中的溶解度高于C，在热处理过程中N的析出物较少，同时固溶在基体中的N可提高不锈钢的耐腐蚀性能。本发明设计N含量为0.01～0.30％，优选为0.05～0.20％。
B：B的原子直径很小，在奥氏体中常以非平衡偏聚的形式富集于晶界，降低了晶界能，使铁素体形核困难，奥氏体稳定性，从而提高了钢的淬透性，能够防止生成δ铁素体和α铁素体软相。本发明设计B含量为0.0001～0.0010，优选为0.0002～0.0008％。
上述汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材的制造方法，其生产工艺流程为：真空感应熔炼或非真空熔炼→加热→锻造→表面扒皮→热轧→矫直→切定尺→退火→磨光。具体步骤及参数如下：
1、按照化学元素质量百分数为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，N：0.01～0.30％，B：0.0001～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质的成分进行真空感应熔炼或非真空熔炼，然后浇铸模铸钢锭，钢锭脱模时间≥24h；
2、将钢锭放入加热炉内加热，低于900℃时的加热速度为150～200℃/h，900～1200℃时加热速度为250～300℃/h，钢锭加热温度1100～1200℃，优选为1130～1170℃，加热时间60～120min。
3、钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1050～1100℃，终锻温度≥800℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却。
4、采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm。
5、将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，低于900℃时的加热速度应控制在150～200℃/h，900～1200℃时加热速度应250～300℃/h，方坯加热温度1100～1200℃，优选为1130～1170℃，加热时间60～100min。
6、方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050～1100℃，终锻温度≥850℃，轧制规格为Φ12～50mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却。
7、棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度400～700℃，优选为500～600℃，退火时间2～8h，优选为4～6h。
8、退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格，得到所述马氏体不锈钢棒材。
本发明的优点在于：
1、避免了汽车涡轮增压器铆钉在表面感应淬火时出现的δ铁素体，解决了现有技术中铆钉表面感应淬火硬度和淬硬层深度波动大、合格率低的问题，可使铆钉感应淬火性能合格率达到98％以上；
2、使汽车涡轮增压器铆钉表面感应淬火硬度稳定达到500～530HV、淬硬层深度稳定达到1.7～2.1mm。
附图说明
图1为汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材加工成铆钉并表面感应淬火后的硬度梯度曲线。
具体实施方式
实施例1
化学成分为：C：0.12％，Si：0.1％，Mn：0.1％，P：0.02％，S：0.02％，Cr：15.00％，Ni：1.50％，N：0.01％，B：0.0001％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1100℃，加热时间80min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1050℃，终锻温度820℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1120℃，加热时间60min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度500℃，退火时间2h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
实施例2
化学成分为：C：0.13％，Si：0.2％，Mn：0.2％，P：0.025％，S：0.022％，Cr：15.5％，Ni：1.60％，N：0.015％，B：0.0001％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1120℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1060℃，终锻温度800℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1150℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度530℃，退火时间3h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
实施例3
化学成分为：C：0.15％，Si：0.2％，Mn：0.3％，P：0.012％，S：0.015％，Cr：15.5％，Ni：2.50％，N：0.05％，B：0.0005％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1150℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1060℃，终锻温度820℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1100℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度550℃，退火时间4h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
实施例4
化学成分为：C：0.17％，Si：0.5％，Mn：1.0％，P：0.01％，S：0.008％，Cr：16.00％，Ni：1.80％，N：0.10％，B：0.0008％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1170℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1070℃，终锻温度830℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1130℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度600℃，退火时间6h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
实施例5
化学成分为：C：0.22％，Si：1.0％，Mn：1.5％，P：0.04％，S：0.01％，Cr：17.00％，Ni：2.00％，N：0.30％，B：0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1200℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度830℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1150℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度620℃，退火时间8h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
对比例1
化学成分为：C：0.15％，Si：0.5％，Mn：1.0％，P：0.03％，S：0.01％，Cr：16.00％，Ni：2.00％，N：0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1220℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度830℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1200℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度710℃，退火时间0.5h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
对比例2
化学成分为：C：0.20％，Si：0.3％，Mn：1.2％，P：0.04％，S：0.02％，Cr：15.50％，Ni：1.80％，N：0.0045％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1200℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1080℃，终锻温度830℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1210℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度350℃，退火时间10h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
对比例3
化学成分为：C：0.20％，Si：0.8％，Mn：0.8％，P：0.02％，S：0.015％，Cr：16.50％，Ni：2.20％，N：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。按上述成分配比采用真空感应熔炼或非真空熔炼并浇铸钢锭，钢锭24h后脱模，钢锭加热温度1180℃，加热时间90min；钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1100℃，终锻温度830℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，钢锭加热温度1210℃，加热时间80min；方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050℃，终轧温度≥850℃，轧制规格为Φ12mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度380℃，退火时间9h；退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格。
实施例1～5的化学元素配比、钢锭加热温度和方坯加热温度的结合，首先避免了在棒材生产过程中形成δ铁素体，棒材退火温度的合理选择保证了棒材具有良好的韧性，棒材加工成铆钉后在1150～1200℃的感应加热温度下不会析出δ铁素体，在冷却至室温后为完全马氏体组织，因此其表面硬度达到了500～530HV、淬硬层深度稳定达到1.76～2.1mm。
对比例1～3的化学元素配比均不在本发明提供的马氏体不锈钢成分范围内，钢锭加热温度、方坯加热温度和棒材退火温度也未满足本发明的生产工艺，最终得到的汽车涡轮增压器铆钉表面感应淬火硬度波动大，分别为400HV、552HV和543HV，淬硬层深度不满足标准要求，分别为1.62mm、1.54mm和1.48mm。
综上所述，本发明提供的一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材及其制造方法，克服了现有钢种易出现δ铁素体和性能波动大的问题，最终得到了表面感应淬火硬度和淬硬层深度均能稳定满足标准要求的马氏体不锈钢棒材，适用于汽车涡轮增压器铆钉。

Claims (6)

1.一种汽车涡轮增压器铆钉用马氏体不锈钢棒材，其特征在于，化学元素质量百分数为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，N：0.01～0.30％，B：0.0001～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的棒材，其特征在于，化学成分C：0.13～0.19％，Si：≤0.50％，Mn：≤0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr：16.00～17.00％，Ni：1.80～2.20％，N：0.05～0.20％，B：0.0002～0.0008％。
3.根据权利要求1所述的棒材，其生产工艺流程为：真空感应熔炼或非真空熔炼→加热→锻造→表面扒皮→热轧→矫直→切定尺→退火→磨光，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)按照化学元素质量百分数为：C：0.12～0.22％，Si：≤1.00％，Mn：≤1.50％，P≤0.04％，S≤0.03％，Cr：15.00～17.00％，Ni：1.50～2.50％，N：0.01～0.30％，B：0.0001～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质的成分进行真空感应熔炼或非真空熔炼，然后浇铸模铸钢锭，钢锭脱模时间≥24h；
2)将钢锭放入加热炉内加热，低于900℃时的加热速度为150～200℃/h，900～1200℃时加热速度为250～300℃/h，钢锭加热温度1100～1200℃，加热时间60～120min；
3)钢锭加热完成后进行锻造，开锻温度1050～1100℃，终锻温度≥800℃，锻造规格为85mm×85mm方坯，锻后方坯打捆并堆放在一起冷却；
4)采用砂轮对方坯表面进行扒皮处理，清除表面氧化铁皮和缺陷，扒皮深度1～3mm；
5)将扒皮后的方坯装入加热炉内加热，低于900℃时的加热速度应控制在150～200℃/h，900～1200℃时加热速度应250～300℃/h，方坯加热温度1100～1200℃，加热时间60～100min；
6)方坯加热完成后进行轧制，开轧温度1050～1100℃，终锻温度≥850℃，轧制规格为Φ12～50mm圆形棒材，轧后棒材打捆并堆放在一起冷却；
7)棒材经矫直机矫直后采用砂轮切割机切割成定尺；将定尺后的棒材装入退火炉退火，退火温度400～700℃，退火时间2～8h；
8)退火后的棒材空冷至室温并采用棒材磨光机磨至成品规格，得到所述马氏体不锈钢棒材。
4.根据权利要求3所述的棒材，其特征在于，步骤2)中所述的钢锭加热温度1130～1170℃。
5.根据权利要求3所述的棒材，其特征在于，步骤5)中所述的方坯加热温度1130～1170℃。
6.根据权利要求3所述的棒材，其特征在于，步骤7)中所述的退火温度500～600℃，退火时间4～6h。
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