CN109252096A - 经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢，化学成分为C：0.37～0.47％，Si：0.08～0.32％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.10～0.40％，S：0.015～0.035％，P：≤0.020％，Mo：0.05～0.12％，B：0.0030～0.0060％，N：0.0080～0.0150％，Ni：≤0.20％，Cu：≤0.20％，Al：0.015～0.050％，Ti：≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，并且成分满足〔0.1N+0.0020≤B≤0.15N+0.0030〕。生产流程：铁水冶炼→转炉或电炉初炼→LF炉精炼→VD或RH炉真空脱气→连铸方坯→连铸坯轧制→热轧圆钢缓冷。本申请不但满足了重载卡车转向器齿条的高强韧性的要求，其强度和韧性检测达到了42CrMo、SCM440H的水平以上，而且与42CrMo钢相比，节约了Cr、Mo等贵重合金的使用量，其淬透性与晶粒度的控制较42CrMo更加稳定。

Description

经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种连铸-连轧生产的43MnCrMoB重载卡车转向器用齿条钢。

背景技术

重载卡车转向器齿条是与齿轮相配合用于传动的一种机械零件。分为直齿齿条和斜齿齿条，分别与直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮配对使用。齿轮齿条传动是齿轮与齿条配合的传动方式。当齿轮主动时，可以将旋转运动变成直线运动；当齿条主动时，可以将直线运动变成旋转运动。重载卡车转向器齿条作为重要的传动零部件，传递动力，在传动过程中齿条的齿根要受到反复的弯曲、接触应力，易产生弯曲疲劳断裂、磨损、划痕擦伤、齿形剥落变形等失效。重型卡车因载重量大，转向器齿条需要承受较大的扭矩，所以常选用42CrMo、SCM440H等合金含量较高、淬透性好，能承受较大冲击载荷、高的弯曲疲劳应力的钢铁材料。

但是现有齿条钢存在合金含量高，合金原料成本高的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种低合金的经济型齿条用钢，与重载卡车转向器齿条普遍采用的国标中的42CrMo、JIS标准中的SCM440H钢相比，本发明的43MnCrMoB钢大幅度减少了合金Cr、Mo的含量，在降低生产成本的同时，其重要性能指标晶粒度、淬透性等能够满足重载卡车转向器齿条的要求。属于一种经济型齿条用钢。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢，其特征在于：该钢的化学成分按质量百分比设计为C：0.37～0.47％，Si：0.08～0.32％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.10～0.40％，S：0.015～0.035％，P：≤0.020％，Mo：0.05～0.12％，B：0.0030～0.0060％，N：0.0080～0.0150％，Ni：≤0.20％，Cu：≤0.20％，Al：0.015～0.050％，Ti：≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，并且成分满足〔0.1N+0.0020≤B≤0.15N+0.0030〕。

上述钢品的末端淬透性满足：J5＝54-61HRC、J9＝52-59HRC、J13＝49-57HRC，热轧圆钢金相组织为均匀的铁素体+珠光体，晶粒度。

本发明转向器齿条用钢化学成分各元素对应的主要作用和设计依据是：

C：是确保钢材淬透性的最基本元素，随着奥氏体中碳含量的增加，钢的临界冷却速度显著降低，钢材的淬透性明显增大，钢材调质后的强度也随之增大。为保证转向器齿条调质后拥有良好的强度与韧性，钢中需要添加合适的碳含量，本发明专利的碳含量范围控制在0.37～0.47％。

Si：炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。本发明专利的硅含量范围控制在0.08～0.32％。

Mn：在炼钢过程中具有良好的脱氧作用，而且由于锰可以与硫相结合形成高熔点(1600℃)的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。提高钢中的锰含量的可以显著提升钢材的淬透性，而且锰含量的增加对提高中碳珠光体钢的强度有显著的作用。本发明专利的锰含量范围控制在0.80～1.25％。

Cr：在结构钢中能够显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但同时随着铬含量的增加钢材的塑性与韧性也会降低。综上考虑，本发明将Cr含量的范围确定为0.10～0.40％。

Mo：可以起到细化钢材晶粒，提高钢材的强度、硬度与热稳定性。提高钼含量可以显著提高钢材的淬透性和强度。在合金结构钢中添加少量的Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性以改善热处理性能。但钼合金属于贵重金属合金，含量过高会明显增加生产成本。本发明将Mo含量的范围确定为0.05～0.12％。

S：S的加入可以提升钢的切削性能，在钢中加入一定含量的硫，S与Mn形成的硫化物分布在钢中，降低了切削抗力，割断了基体的连续性而使钢材切削易断，MnS的润滑作用降低了刀具的损耗，降低了用户的使用加工成本。本发明专利的S含量范围为0.015～0.035％。

Al：作为强烈脱氧剂加进钢中，主要起到脱氧的作用。本发明专利的Al含量范围为0.015～0.050％。

B：作为显著提高钢材淬透性的元素加入到钢中，这在一定程度上代替了Cr、Mo等元素。硼元素提高钢材淬透性的机制在于奥氏体转化过程中，铁素体最容易在晶界处形核，由于B吸附在晶界上，填充了缺陷，降低了晶界能位，使新相成核困难，奥氏体稳定增加，从而提高了淬透性。并且在钢中加入B元素还能起到细化晶粒的作用。本发明专利的B含量范围为0.0030～0.0060％。

N：作为细化钢材晶粒的元素加入到钢中。N在该钢种中的核心作用是细化晶粒来提高钢材的强度和韧性。在钢中一部分Al、B元素与N元素相结合形成AlN、BN质点,可以起到了细化晶粒的作用。在该钢种中一定含量的B元素起到提高淬透性的作用,另一部分则与N元素相结合形成BN质点，起到细化晶粒提高强度的作用。通过理论计算分析与试验研究，氮与硼的成分关系需满足〔0.1N+0.0020≤B≤0.15N+0.0030〕。同时生产过程需要配合合理的冶炼与轧制工艺，钢材才能获得本发明所需要的淬透性与奥氏体晶粒度。

本发明齿条钢通过对常规用于重载变速器齿条用CrMo钢化学成分进行改良，使用较低成本的Mn合金与较少含量的B合金，并限定B和N的添加关系，使获得更细的晶粒；可降低添加高含量Cr与Mo元素的依赖。并结合C、Mn、B对淬透性的影响效果，优化设计了满足重载卡车转向器齿条用钢的淬透性要求，具有较高的市场的竞争力和推广价值。

本申请提供上述经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，工艺流程：铁水冶炼→转炉或电炉初炼→LF炉精炼→VD或RH炉真空脱气→连铸方坯→连铸坯轧制→热轧圆钢缓冷。

具体地，43MnCrMoB钢的的主要生产步骤包括

(1)电炉或转炉初炼：按配比备料，将原料装入初炼炉中，通电并吹氧助熔，初炼炉终点碳含量控制在0.05～0.12％,终点磷含量控制在≤0.012％，采用挡渣出钢方式出钢，初炼炉出钢结束后立即进行扒渣处理；

(2)LF精炼：精炼全过程采用底吹氧搅拌，添加加石灰、萤石材料造渣，精炼炉测温取样次数在2-5次；

(3)VD或RH脱气：采用高真空脱气，真空度要求≤133Pa，高真空度保持时间≥10min，破空后对钢水取样分析并及时微调钢水至设计化学成分；

(4)连铸：采用全过程保护浇铸模式，稳定控制钢液过热度20—40℃，控制拉速0.60～0.75m/min，并且采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下生产技术，连铸方坯尺寸为300×340mm及以上；

(5)轧制：采用控轧控冷工艺，轧制前对冷却的连铸坯进行长时间高温扩散工艺，高温扩散温度在1100℃～1220℃，保温时间≥5小时，以提高钢材组织的均匀性，采用控轧，设置开轧温度在1000～1100℃，使在再结晶区开始轧制，终轧温度在850～950℃，是在非结晶区进行终轧，将方坯轧成圆钢，总压缩比≥4；

(6)轧坯高温下线缓冷，采用入缓冷坑的方式，以有效降低钢材表面硬度，此时应控制钢材表面硬度均在245HBW以下才为合格；

优选地，所述轧制步骤中，高温扩散温度为1150～1220℃，充分消除连铸应力，并提高钢材组织的均匀性。

优选地，钢水初炼步骤中终点碳控制在≥0.06％。

为了稳定供货质量，对步骤6检测合格产品再进行100％圆钢表面探伤+圆钢内部超声波探伤，质检合格后入库。

优选地，入炉原料中铁水占比50％以上，其余为优质废钢。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过合理设计化学成分，不但满足了重载卡车转向器齿条的高强韧性的要求，其强度和韧性检测达到了42CrMo、SCM440H的水平以上，而且与42CrMo钢相比，节约了Cr、Mo等贵重合金的使用量，其淬透性与晶粒度的控制较42CrMo更加稳定。

附图说明

图1为本发明实施例1的43MnCrMoB的组织图；

图2为参照例42CrMo的组织图；

图3为参照例SCM440H的组织图；

图1、2、3的放大比例相同。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述，但该实施例仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

43MnCrMoB转向器齿条热轧圆钢的生产工艺如下：

按该钢的化学元素成分组成配置冶炼原料，依次加入经预处理的铁水及优选的废钢→电炉初炼→LF炉精炼→VD炉真空脱气→连铸方坯300×340mm→连铸方坯抛丸→步进式加热炉加热→高压水除鳞→连铸坯轧制→热轧圆钢入缓冷坑缓冷→圆钢表面探伤+圆钢内部超声波探伤-质检-入库。

实施例1

43MnCrMoB转向器齿条热轧圆钢的具体生产步骤：

一、炼钢

1)入炉原料中铁水占比50％以上，其余为优质废钢；

2)电炉冶炼及出钢过程的关键点控制：重点控制电炉出钢的终点碳与终点磷。终点碳控制在0.06-0.12％，终点磷控制≤0.012％，采用挡渣出钢方式出钢，初炼炉出钢结束后立即进行扒渣处理。

3)LF炉精炼：LF炉送电后全程吹氩气，采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的方式加强钢水脱氧，添加石灰、萤石材料等造渣，有效的降低了氧含量与非金属夹杂物的含量。采用计算机系统精确控制钢液的化学成分，精炼取样测试次数4次。

4)VD真空脱气：高真空度(133Pa)下保持时间大于15分钟；VD破空后立即取样分析，根据分析结果微调化学成分，使达到设计值。

5)连铸：连铸全过程采用保护浇铸模式，稳定控制钢液过热度20～40℃与连铸拉速0.60～0.75m/min。并且采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下等先进技术，确保连铸坯表面与内部质量良好。

二、轧制：

1)设置连铸坯加热温度1100℃～1220℃，保温时间≥5小时，充分扩散，提高坯料的均匀性，采用控轧工艺，设置开轧温度1000～1100℃，终轧温度850～950℃，将方坯轧成圆钢，总压缩比为5.9。

2)轧制后的圆钢采用高温下线缓冷工艺。入缓冷坑保温24小时以上，有效的降低了钢材表面硬度。经测量钢材表面硬度在245HBW以下。

(一)实施例1、参照例2 42CrMo、参照例3SCM440H的化学成分参见表1。

表1(wt％)

从表1中可以看出，本申请的钢品中对Cr和Mo的添加量很低，Cr的添加量降低了70％，Mo的添加量降低了50％。有效降低了合金成本。

(二)实施例1、参照例2 42CrMo、参照例3SCM440H的奥氏体晶粒度参见图1-3，热轧圆钢按GB/T 6394进行奥氏体晶粒度检验。

经晶粒度检测，实施例1(43MnCrMoB)为8.0级，参照例2(42CrMo)为7.0级、参照例3(SCM440H)为6.5级。本申请的晶粒度显著优于42CrMo、SCM440H，从而，本申请也具有足以满足重载卡车转向器齿条用钢的强韧性要求。

(三)按照GB/T 225实测法检验热轧圆钢的末端淬透性，如表2

表2

项目	J5，HRC	J9，HRC	J13,HRC
				实施例1 43MnCrMoB	57.5	55.5	53
参照例2 42CrMo	56	54.5	51.5
				参照例3SCM440H	55.5	54.5	52

从表2检测数据可知，本申请产品的末端淬透性略优于42CrMo、SCM440H，且更加平稳。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢，其特征在于：该钢的化学成分按质量百分比设计为C：0.37～0.47％，Si：0.08～0.32％，Mn：0.80～1.25％，Cr：0.10～0.40％，S：0.015～0.035％，P：≤0.020％，Mo：0.05～0.12％，B：0.0030～0.0060％，N：0.0080～0.0150％，Ni：≤0.20％，Cu：≤0.20％，Al：0.015～0.050％，Ti：≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，并且成分满足〔0.1N+0.0020≤B≤0.15N+0.0030〕。

2.根据权利要求1所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢，其特征在于：该钢品的末端淬透性满足：J5＝54-61HRC、J9＝52-59HRC、J13＝49-57HRC，热轧圆钢金相组织为均匀的铁素体+珠光体，晶粒度达到8级以上。

3.一种经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：工艺流程为，铁水冶炼→转炉或电炉初炼→LF炉精炼→VD或RH炉真空脱气→连铸方坯→连铸坯轧制→热轧圆钢缓冷。

4.根据权利要求3所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：主要步骤包括

(1)电炉或转炉初炼：按配比备料，将原料装入初炼炉中，通电并吹氧助熔，初炼炉终点碳含量控制在0.05～0.12％,终点磷含量控制在≤0.012％，采用挡渣出钢方式出钢，初炼炉出钢结束后立即进行扒渣处理；

(2)LF精炼：精炼全过程采用底吹氧搅拌，添加石灰、萤石材料造渣，精炼炉测温取样次数在2-5次；

(3)VD或RH脱气：采用高真空脱气，真空度要求≤133Pa，高真空度保持时间≥10min，破空后对钢水取样分析并及时微调钢水至设计化学成分；

(4)连铸：采用全过程保护浇铸模式，稳定控制钢液过热度20—40℃，控制拉速0.60～0.75m/min，并且采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下生产技术，连铸方坯尺寸为300×340mm及以上；

(5)轧制：采用控轧控冷工艺，轧制前对冷却的连铸坯进行长时间高温扩散工艺，高温扩散温度在1100℃～1220℃，保温时间≥5小时，以提高钢材组织的均匀性，采用控轧，设置开轧温度在1000～1100℃，使在再结晶区开始轧制，终轧温度在850～950℃，是在非结晶区进行终轧，将方坯轧成圆钢，总压缩比≥4；

(6)轧坯高温下线缓冷，采用入缓冷坑的方式，以有效降低钢材表面硬度，此时应控制钢材表面硬度均在245HBW以下才为合格。

5.根据权利要求4所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：所述轧制步骤中，高温扩散温度为1150～1220℃。

6.根据权利要求4所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：钢水初炼步骤中终点碳控制在≥0.06％。

7.根据权利要求4所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：对步骤6检测合格产品再进行100％圆钢表面探伤+圆钢内部超声波探伤，质检合格后入库。

8.根据权利要求4所述的经济型重载卡车转向器齿条用43MnCrMoB钢的生产方法，其特征在于：入炉原料中铁水占比50％以上，其余为优质废钢。