CN110184527A - 一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，化学成分为C：0.42～0.49％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.80～1.50％，P：≤0.040％，S：0.035～0.075％，Cr：0.10～0.30％，Ni：0.01～0.25％，Mo：≤0.08％，Al：≤0.015％，Ti：＜0.010％，V：0.13～0.20％，N：0.012～0.022％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；产品形式为热轧圆钢棒材。钢棒材锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的力学性能达到：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，面缩率≥38％，硬度≥290HB；摇臂锻件的金相组织为细小的铁素体加珠光体组织，组织中分布MnS夹杂物及其复合夹杂物。本申请属于高强度、易切削、高表面质量的非调质中碳圆钢，完全满足发动机摇臂的锻造要求。

Description

一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材及其制 造方法

技术领域

本发明属于冶金领域，尤其涉及一种高强度非调质圆钢。

背景技术

传统用于制作发动机摇臂的原材料大多是45钢、40Cr、42CrMo等合金结构钢，使用该类合金结构钢棒材锻造成发动机摇臂毛坯锻件后都要再进行淬火加回火的调质热处理才能使零件的力学性能满足使用的要求。当要制作高强度级别的摇臂时，采用40Cr、42CrMo等传统的合金结构钢进行调质热处理后有时会出现性能不合格的现象。

使用合金结构钢制造发动机摇臂的主要工艺流程为：

原材料切断—加热—锻造—冷却—机加工—调质热处理—后续加工。

在这个制造流程中，由于要对零件进行调质处理(淬火加回火处理)，所以有两个问题是无法避免的；一是零件在热处理过程中产生的质量问题(如变形、开裂、性能不合格)；二是在热处理过程中会产生能耗、产生原材料的氧化和烧损、产生热处理材料的消耗、对环境造成污染、以及对人身安全产生影响等。这两个问题最终导致的结果是增加零件的制造成本并对自然和社会产生不利影响。

随着目前国内外各个行业在质量保证、节能、环保、降本、高效等方面要求的不断提高，人们都在不断地开发更适用的原材料；在这样的形势下，非调质钢在各行各业的应用越来越广泛。

非调质钢是指不需要进行调质热处理的钢，它在锻造或者轧制状态下就具有良好的综合力学性能，完全能满足机械零件的使用要求。

采用非调质钢制造发动机摇臂的主要工艺流程为：

原材料切断—加热—锻造—冷却—后续加工。

从以上两种工艺流程就可以明显地看出非调质钢具有的诸多优点：

1)由于不需要进行调质处理，因而节省了与调质热处理有关的一切消耗。

2)由于不需要进行调质处理，避免了该过程带来的污染，避免了调质热处理过程中产生的废品，避免了调质热处理加热过程中的氧化、烧损，还可以减少零件的加工余量，从而提高了材料的利用率并降低刀具的消耗。

3)取消了调质工序后，相应地就取消了该工序的人员配置，缩短了生产周期，提高了劳动生产率。

4)采用非调质钢后由于钢中添加了改善零件切削加工性能的S元素，既提高了零件的表面质量，又减少了切削刀具的消耗。

5)使用非调质钢后提高零件的质量，主要表现在：

a)非调质钢规格效应小，在零件的整个截面上性能更加均匀。

b)由于零件在进行调质热处理后肯定会产生一定量的变形，当变形较大时都要进行矫正，零件经矫正后会影响零件的疲劳寿命；而非调质钢是不需要进行矫正的，所以非调质钢零件内部残余应力更小、疲劳寿命更高。

c)采用非调质钢后也改善了零件的切削加工性能，这样一来，既提高了零件的表面光洁度，又提高了零件的尺寸精度，带来的是可提高零件的疲劳性能，因而提高了产品的质量。

综上，与使用调质钢相比，使用非调质钢具有很明显的优势。因此，非调质钢的开发和应用将会不断扩大和发展，它具有非常广阔的前景。

采用非调质钢代替调质钢来制造发动机摇臂这个零件，对社会、对企业都是非常有益的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度级别高、切削加工性能好的非调质圆钢及其制造方法，其性能完全满足发动机摇臂的使用。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为，一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，属于中碳钢，该钢的化学成分按质量百分含量计为C：0.42～0.49％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.80～1.50％，P：≤0.040％，S：0.035～0.075％，Cr：0.10～0.30％，Ni：0.01～0.25％，Mo：≤0.08％，Al：≤0.015％，Ti：＜0.010％，V：0.13～0.20％，N：0.012～0.022％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；产品形式为热轧圆钢棒材。

本申请的热轧圆钢棒材锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的力学性能可以达到：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，面缩率≥38％，硬度≥290HB；进一步地，该钢棒材锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的硬度为295-350HB。摇臂锻件的金相组织为细小的铁素体+珠光体组织，组织中分布MnS夹杂物及其复合夹杂物。

本发明钢材合金成分的主要作用原理和用量选择的具体说明如下：

C：是确保钢材强度和硬度必须的元素，C对非调质钢的强度和硬度的影响最大。C是对强度和硬度贡献最大的元素，同时C又是提高强度和硬度最廉价的化学元素；因此，在可能的条件下，应当充分利用和发挥C的作用。但是，C又是明显降低钢的塑性和韧性的元素。本发明控制C的含量为0.42～0.49％。

Si：是钢中的脱氧元素之一，并以固溶强化的形式提高钢的强度，Si能显著强化铁素体从而明显提高屈服强度，但Si含量过高，将明显降低钢的韧性，并且还会使钢的冷加工困难。本发明Si含量控制为0.40～0.80％。

Mn：是合金元素中对钢的强度、硬度和韧性都具有良好作用的元素，Mn合金的价格较低，选择合适的Mn含量，有利于提高非调质钢的性能，并具有较好的性价比。但Mn含量超过1.50％时，钢中容易出现贝氏体组织从而导致降低钢的韧性。因此，本发明Mn含量控制为0.80～1.50％。

P：为钢中的杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。对钢的强度和韧性都会产生不利的影响，本发明控制P≤0.040％。

S：是用来改善钢的切削性能的。S与钢中的Mn结合形成MnS夹杂物或复合夹杂物，对材料的切削加工是非常有利的；但添加过多的S不但会导致钢的力学性能变差，而且还会在钢中产生较严重的偏析从而对钢的连铸和轧制产生有害影响。本发明的S含量控制为0.035～0.075％。

Cr：是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体中的Cr能使C曲线明显右移，能显著提高淬透性，从而提高钢的强度和硬度，但加入量不可过多，否则容易产生贝氏体组织，降低韧性。本发明Cr含量控制为0.10～0.30％.

Ni：是非碳化物形成元素。Ni以固溶的形式存在于钢中起到固溶强化的效果，但只是显示比较弱的强化效果；Ni与Cr配合使用时，可显著提高淬透性。由于Ni的价格较高，因此它的添加量比较少。本发明Ni含量控制为0.01～0.25％.

V：是非调质钢强化的主要合金元素。主要以V的碳氮化物的化合物状态存在于钢中，并且这些V的碳氮化物以非常细小的颗粒弥散地分布在先共析铁素体中，产生沉淀强化，从而达到提高铁素体-珠光体型非调质钢强度的效果，尤其是能显著提高钢的屈服强度。此外，在钢材的轧制或锻造过程中，有一部分V的碳氮化物会因应变诱导析出，起到钉扎奥氏体晶界的作用，从而抑制奥氏体再结晶的进行并阻止晶粒长大，起到细化晶粒的效果，达到同时提高强度和韧性的目的，当V含量较高时这种效果尤为明显。本发明的这种高强度级别非调质钢属于铁素体-珠光体型非调质钢，它的强化效果和细化晶粒的效果随着V含量的增加而增加；另外，V元素的价格较高，过多的V势必会大大增加钢的成本，因此，为了保证该钢具有一个较高的性价比，V含量必须控制在一个合理的范围内。本发明V含量控制为0.13～0.20％.

N：是非调质钢中的主要强化元素。在该发明的非调质钢中，大部分的N与V形成V(C,N)化合物，主要在先共析铁素体中析出，达到沉淀强化的效果，含V的钢中添加N，其沉淀强化的作用明显提高，特别是提高屈服强度的作用尤为显著；同时，钢中含N的化合物质点也起到细化晶粒的作用。本发明N含量控制为0.012～0.022％.

Al：钢中的Al主要起脱氧的作用。由于Al会夺走钢中的一部分N形成AlN质点，造成与V结合的N减少，从而降低钢的强度和硬度；因此，在脱氧充分的前提下，钢中的Al含量应尽可能降低。本发明Al含量控制为≤0.015％。

Ti：本发明的钢中的Ti属于残余元素。Ti一般以化合物的形式存在于钢中。由于Ti会夺走钢中的一部分N形成TiN或Ti(C,N)化合物质点，造成与V结合的N会减少，从而会降低钢的强度和硬度，尤其会降低屈服强度；因此，钢中的残余Ti含量应尽可能控制低。本发明Ti含量控制为＜0.010％。

Mo：存在于钢的固溶体和碳化物中，有一定的强化作用；但Mo会非常显著地提高钢的淬透性，Mo对珠光体转变有显著的推迟作用，而对贝氏体转变的影响较小，因而含Mo的钢很容易得到贝氏体组织，对钢的韧性产生不利影响；本发明的钢属于铁素体-珠光体型非调质钢，所以，本发明的钢对Mo含量有严格的控制，本发明Mo的含量控制为≤0.08％。

本发明另外提供该钢棒材的制造方法为：转炉或电炉熔炼—精炼—真空脱气—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—精整—检验—成品入库。

具体是将冶炼原料采用转炉或电炉进行冶炼、经过LF精炼和真空脱气处理后，连铸出成分符合要求的矩形连铸坯，连铸过程采用结晶器电磁搅拌M-EMS和末端电磁搅拌F-EMS，有效改善和降低连铸坯的成分偏析；在连铸坯缓冷和表面清理后，将连铸坯送往轧钢加热炉内加热至1130～1250℃后进行保温，保温时间≥0.68min/mm，钢坯保温后出炉经高压水除鳞处理；然后进入连轧机组轧制成所需规格，轧制压缩比≥15，轧制完成后空冷，钢材经过精整、检验合格后入库。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)该钢种为易切削非调质钢，因此，它具有非调质钢的种种优点，用户锻造后不需要进行调质热处理就可以直接进行后续加工、使用，锻件的力学性能和金相组织完全能满足摇臂零件使用的性能要求；热轧圆钢锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的力学性能可达到：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，面缩率≥38％，硬度≥290HB；进一步地，该钢棒材锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的硬度为295-350HB。摇臂锻件的金相组织为细小的铁素体+珠光体组织，组织中分布MnS夹杂物及其复合夹杂物。

2)本申请的非调质钢中含有较高含量的V，在钢中弥散析出大量的V(C,N)，不但明显提高强度，而且还起到细化晶粒的作用，从而进一步获得较高的强度和韧性。

3)为了保证钢中能够析出大量的V(C，N)，保证零件具有很高的强度，在钢中还严格限制了Ti和Al的加入量。

4)该钢含有一定量的能改善切削性能的S元素，S与钢中的Mn结合生成MnS夹杂物及其复合夹杂物，可提高零件的切削性能并提高被切削零件的表面质量。

5)该钢种为非调质钢，为获得高的强韧性，本申请进一步在化学成分中添加了一定量的Ni，Ni和Cr配合，可显著提高淬透性，并能同时提高强度和韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1、2所得热轧圆钢棒材成品的图片；

图2为由热轧圆钢棒材成品锻造而成的发动机摇臂的图片；

图3为由热轧圆钢棒材成品锻造而成的发动机摇臂的金相组织。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。该实施例仅是对本发明某一个实施方式进行的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

实施例1

本实施例涉及的高强度级别非调质钢圆钢，直径为36mm，化学成分及其质量百分含量如下：C：0.46％，Si：0.53％，Mn：1.19％，P：0.014％，S：0.045％，Cr：0.22％，Ni：0.12％，Mo：0.02％，Al：0.005％，Ti：0.002％，V：0.16％，N：0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

上述圆钢棒材实物图如图1所示，上述圆钢棒材的制造方法如下：

转炉冶炼—精炼—真空脱气—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—精整—检验—成品入库。

更具体的是：将冶炼原料采用转炉进行冶炼、经过LF精炼和真空脱气处理后，采用弧形连铸机连铸出成分符合要求的矩形连铸坯，该连铸坯横截面的尺寸为390mm×510mm，连铸过程采用结晶器电磁搅拌M-EMS和末端电磁搅拌F-EMS，有效改善和降低连铸坯的成分偏析；在连铸坯缓冷和表面清理后，将连铸坯送往加热炉内加热至1130～1250℃，保温时间≥0.68min/mm，保温后出炉经高压水除鳞处理，然后进入连轧机组轧制成直径为36mm圆钢。轧制完成后空冷，钢材经过精整、检验合格后入库。

经上述制造流程制造的圆钢棒材锻造的发动机摇臂如图2所示，发动机摇臂锻件的硬度为306～315HB，发动机摇臂锻件的金相组织如图3所示，为铁素体+珠光体。同时，采用与锻造发动机摇臂相同的锻造工艺将该炉钢材锻造成标准拉伸试样后测量，屈服强度为880MPa，抗拉强度为1120MPa，延伸率为15.5％，断面收缩率为53.0％。

实施例2

本实施例涉及的高强度级别非调质钢圆钢，直径为36mm，所包含的化学成分及其质量百分含量如下：C：0.44％，Si：0.57％，Mn：1.15％，P：0.011％，S：0.053％，Cr：0.20％，Ni：0.11％，Mo：0.02％，Al：0.006％，Ti：0.002％，V：0.15％，N：0.017％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

上述圆钢棒材实物图如图1所示，上述圆钢棒材的制造方法如下：

转炉冶炼—精炼—真空脱气—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—精整—检验—成品入库。

更具体的是：将冶炼原料采用转炉进行冶炼、经过LF精炼和真空脱气处理后，采用弧形连铸机连铸出成分符合要求的矩形连铸坯，该连铸坯横截面的尺寸为390mm×510mm，连铸过程采用结晶器电磁搅拌M-EMS和末端电磁搅拌F-EMS，有效改善和降低连铸坯的成分偏析；在连铸坯缓冷后和表面清理后，将连铸坯送往加热炉内加热至1130～1250℃，保温时间≥0.68min/mm，保温后出炉经高压水除鳞处理，然后进入连轧机组轧制成直径为36mm圆钢。轧制完成后空冷，钢材经过精整、检验合格后入库。

经上述制造流程制造的圆钢棒材锻造的发动机摇臂如图2所示，发动机摇臂锻件的硬度为298～310HB，发动机摇臂锻件的金相组织如图3所示，为铁素体+珠光体，基体中分布改善切削性能的硫化物夹杂物。同时，采用与锻造发动机摇臂相同的锻造工艺将该钢材锻造成标准拉伸试样后检测，屈服强度为860MPa，抗拉强度为1110MPa，延伸率为15.0％，断面收缩率为50.0％。

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 (5)

1.一种用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，其特征在于：该钢的化学成分按质量百分含量计为C：0.42～0.49％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.80～1.50％，P：≤0.040％，S：0.035～0.075％，Cr：0.10～0.30％，Ni：0.01～0.25％，Mo：≤0.08％，V：0.13～0.20％，且Al：≤0.015％，Ti：＜0.010％，N：0.012～0.022％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；产品形式为热轧圆钢棒材。

2.根据权利要求1所述的用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，其特征在于：该钢棒材锻造成发动机摇臂经过空冷后，发动机摇臂锻件的力学性能达到：屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥1000MPa，延伸率≥12％，面缩率≥38％，硬度≥290HB；发动机摇臂锻件的金相组织为细小的铁素体加珠光体组织，组织中分布MnS夹杂物及其复合夹杂物。

3.根据权利要求2所述的用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，其特征在于：该钢棒材锻造成摇臂经过空冷后，摇臂锻件的实际硬度为295-350HB。

4.根据权利要求1所述的用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，其特征在于：该钢棒材的制造流程为：转炉或电炉熔炼—精炼—真空脱气—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—精整—检验—成品入库。

5.根据权利要求4所述的用于制作发动机摇臂的高强度级别非调质钢棒材，其特征在于：将冶炼原料采用转炉或电炉进行冶炼、经过LF精炼和真空脱气处理后，连铸出成分符合要求的矩形连铸坯，连铸过程采用结晶器电磁搅拌M-EMS和末端电磁搅拌F-EMS，有效改善和降低连铸坯的成分偏析；在连铸坯缓冷和表面清理后，将连铸坯送往加热炉内加热至1130～1250℃后进行保温，保温时间≥0.68min/mm，钢坯保温后出炉经高压水除鳞处理；然后进入连轧机组轧制成所需规格，轧制压缩比≥15，轧制完成后空冷，钢材经过精整、检验合格后入库。