CN110184533A

CN110184533A - 一种低硅万向节球笼用钢及制造方法

Info

Publication number: CN110184533A
Application number: CN201810839160.3A
Authority: CN
Inventors: 顾铁; 李英; 孟文斌; 周群
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-08-30

Abstract

本发明涉及一种低硅万向节球笼用钢及其制造方法，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.45～0.55％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：≤0.25％，Al：0.002～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明钢材力学性能满足：屈服强度为380～550MPa，抗拉强度为650～850MPa，延伸率≥18％，面缩≥45％。该钢材经冶炼、连铸、加热、热轧、冷却、研磨，生产出的钢材组织特征为均匀的铁素体+珠光体。通过优化钢材中关键元素，特别采用低硅设计，硅含量控制在0.1％以下，以提高铁素体塑性，获得一种表面质量好、脱碳层浅、强度适中、塑性好，利于大变形率冷锻成型的球笼用钢。

Description

一种低硅万向节球笼用钢及制造方法

技术领域

本发明涉及一种万向节球笼用钢及其制造方法，尤其涉及一种低硅万向节球笼用钢及其制造方法。

背景技术

万向节是汽车传动系统的重要部件，它可以使两个轴线不重合的轴以相同的速度传递运动，广泛应用于轿车前驱动转向及后独立悬挂中。万向节类型繁多，其中应用最多的是球笼式万向节。万向节球笼通常的加工方式为“棒材下料→锻造成型→车削→高频淬回火→精磨”。“锻造成型”时采用热锻或者等温/球化退火后冷锻存在明显的劣势，热锻时材料塑性好，有利于成型，但加工精度低，后续车削量大，材料利用率低，能耗高。等温或球化退火后再冷锻能提高冷锻成型性，但冷锻之前材料经过较长时间的等温/球化处理，会明显增加能耗，且由于长时间热处理，脱碳层必将明显增加，导致后续车削量加大，增加生产成本。于是设计一种表面质量好、脱碳层浅又适合于热轧材直接冷锻成型的球笼材料显得意义重大。冷锻成型后车削量减少、材料利用率提高、节约能源、降低生产成本。然而由于球笼锻造变形率大，若采用冷锻，对材料的冷锻性能提出了苛刻的要求。若采用低碳钢，材料铁素体高比例，冷锻性好，但强度达不到要求；若采用中高碳钢，珠光体比例提高，但冷锻性必然会下降。

综上，设计一种表面质量好、脱碳层浅、强度适中且冷锻性能良好的材料成了本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

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硅万向节球笼用钢及制造方法，该钢材具有一定的抗拉强度、尺寸精度高、表面质量好，具有适中的强度及优良的冷锻性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低硅万向节球笼用钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.45～0.55％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：≤0.25％，Al：0.002～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明钢材力学性能满足：屈服强度为380～550MPa，抗拉强度为650～850MPa，延伸率≥18％，面缩率≥45％。

本发明所述的一种低硅万向节球笼用钢，综合协调了材料的强度与冷锻特性。该钢材热轧组织为铁素体加珠光体。由于球笼成型加工时变形率大，本发明目的是在确保材料强度满足要求的情况下提高材料的冷锻性能。

本发明钢材的各元素设计原理如下：

Si：≤0.10％。该元素为本发明的关键元素。Si固溶在铁素体相中，有较强的固溶强化作用，能显著地提高铁素体强度，但同时降低铁素体的塑性和韧性，且Si还会促进元素P、S的晶界偏聚，使得晶界发生一定程度的脆化。一般的钢种中，Si在炼钢时作为脱氧元素，添加到钢材中。本发明钢种用于冷锻万向节球笼，要求材料有优良的冷锻性能，也就是要求钢中铁素体优良的塑性和韧性。因此，本发明中的钢材Si含量要尽可能低，目的是尽量降低铁素体中的固溶Si含量，发挥铁素体的塑性极限，所以Si范围设定为≤0.10％，Si含量优选为≤0.06％，更优选为≤0.04％。

C：0.45～0.55％。该元素也是本发明的关键元素之一，本发明钢种在热轧状态下直接冷锻，锻前为铁素体加珠光体组织，C含量将直接影响材料中珠光体的比例，从而影响材料的强度。珠光体比例过低，材料将缺乏足够的强度，C含量比例过高，强度提高，但会明显降低钢材的冷锻性，为了调和强度和冷锻性，本发明中的钢材C含量范围设定为0.45～0.55％，C含量优选为0.47～0.53％，更优选为0.49～0.51％。

P：≤0.030％。P在铸造凝固时会有较严重的微观偏析倾向，随后在加热时在晶界聚集，增加钢材脆性，特别是冷脆性能，且恶化材料的冷锻性。一般的钢材需尽可能地降低P含量，本发明中的钢材P含量范围设定为≤0.030％，P含量优选为≤0.020％，更优选为≤0.015％。

S：≤0.030％。S是易切削元素。当钢中含有一定量的Mn时，易形成MnS或者含MnS的复合物，从而提高材料切削性能。但硫化物通常熔点较低，S含量过高，材料会发生热脆效应及增加脱碳的倾向。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材S含量范围设定为≤0.030％，S含量优选为0.005～0.025％，更优选为0.010～0.020％。

为了满足材料的强度、塑性等综合性能，钢材又添入如下主要合金元素。

Mn：≤0.80％。Mn作为脱氧剂作用的元素，适量的Mn可不明显影响材料塑性的基础上提高钢材强度，添加一定量的Mn对确保材料的力学性能非常重要。此外Mn将钢中的S等结合形成硫化物，硫化物具有良好的塑性，在切削时发挥切口效应，提高材料切削性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材Mn含量范围设定为≤0.80％，Mn含量优选为0.10～0.40％，更优选为0.20～0.30％。

Cr：≤0.25％。Cr元素增加淬透性，并且细化珠光体的片层间距，有利于提高细片状珠光体组织的形成比例及显微组织的均匀性，从而有效提高材料的强度及疲劳等性能。本发明中的钢材Cr含量范围设定为≤0.25％，优选为0.05～0.20％，更优选为0.10～0.20％。

Al：0.002～0.050％。Al作为脱氧元素，通过与钢中N等结合形成的AlN可有效地防止奥氏体晶粒粗化，起到防止晶粒长大的作用。但Al含量过高，易形成Al₂O₃或含Al₂O₃复合夹杂物，从而恶化材料性能，特别是疲劳性能。为充分发挥上述效果，本发明中的钢材Al含量范围设定为0.002～0.050％。Al含量优选为0.010～0.040％，更优选为0.015～0.030％。

本发明所得钢材的金相组织为铁素体+珠光体。

本发明的另一目的在于提供上述一种低硅万向节球笼用钢的制造方法，主要包括如下具体流程：

冶炼、连铸、坯料加热、热轧(含火焰清理)、冷却、研磨，

冶炼该钢种时除了严控钢水纯净度之外，需特别注意防止冶炼过程增硅；所以铁水需要经过脱磷、脱硫、脱硅的“三脱”处理，以减轻后续冶炼压力，防止增硅。三脱后铁水经扒渣处理，S含量控制在0.020％以下。转炉或电炉冶炼时，不得装入高硅、高硫生铁及废钢。冶炼造渣过程保证较高的炉渣碱度，炉渣碱度需控制在≥3.0。LF冶炼时采用弱脱氧工艺，减少Al质脱氧剂用量，避免Als过高而将SiO₂还原。加强物料管理，严格控制入炉物料Si含量，以减少渣或合金中带入SiO₂。

连铸采用矩形坯，解决表面质量问题，均质化问题，夹杂物数量得到有效控制。连铸采用先进的末端电磁搅拌、轻压下先进装备工序。同时，为了保证铸坯内部质量，浇注时过热度控制在10～40℃。

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1180℃，均热段温度控制在1080～1200℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间2.5小时及以上。

高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为980～1100℃。钢材后续用于冷锻，所以对钢材表面质量要求高，脱碳层浅，为此开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为0.5～4mm，去除坯料表面裂纹、凹坑、脱碳等表面缺陷，确保轧材表面质量；然后采用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制，单道次最大压下量控制在20～30mm之间；轧制时采用控冷，控制终轧温度在780～900℃；

轧制结束后，以一定速度冷却，以控制珠光体片层间距，平均冷速控制在40～70℃/min，终冷温度为300～480℃，终冷之后材料可自由冷却至室温。

冷却完成后将材料在无心磨床进行研磨，单边磨屑量为0.1～0.2mm，以进一步改善材料表面质量及减轻脱碳层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过控制冶炼、低温浇注、加热轧制、合理冷却及研磨，使钢材获得铁素体+珠光体的金相组织。按上述制造过程生产出的钢材，表面质量高、脱碳层浅、强度适中、铁素体塑性及韧性高，非常有利于材料的大变形率冷锻加工。本申请的钢材同时具有强度适中、冷锻性优良特点。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种低硅万向节球笼用钢的100倍金相照片。

图2为本发明实施例1中一种低硅万向节球笼用钢的500倍金相照片。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的低硅万向节球笼用钢及其制造方法作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1～3

按下面工序制造本发明实施例1～3中的低硅万向节球笼用钢：

1)冶炼：100吨炼钢炉冶炼后进行炉外精炼，钢液再经真空脱气处理，各化学元素质量百分比严格按要求控制。

2)连铸：连铸成200mm×200mm的方坯，控制中间包过热度为10～40℃。为控制材料的偏析，连铸时则采用先进的末端电磁搅拌、连铸轻压下先进装备及工艺。所得连铸坯化学成分百分比见下表1所示：

表1.(wt.％,余量为Fe及其他不可避免的杂质元素)

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al
								1	0.50	0.02	0.28	0.008	0.015	0.15	0.012
2	0.47	0.03	0.22	0.015	0.012	0.12	0.014
								3	0.52	0.05	0.35	0.010	0.018	0.17	0.015

3)加热：坯料在步进式加热炉中加热，包括预热段、第一加热段、第二加热段、均热段，其中预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1180℃，均热段温度控制在1080～1200℃，总加热时间2.5小时以上。

4)热轧：开轧温度为980～1100℃，终轧温度为780～900℃，单相区内轧制,单道次最大压下量控制在20～30mm之间。

5)冷却：终冷温度为300～480℃。

6)研磨：将冷却后的材料在无心磨床进行研磨，研磨量单边0.1～0.2mm，进一步去除材料表面微小的缺陷及减轻脱碳层，为冷锻提供基础。

上述各实施例中的低硅万向节球笼用钢的制造方法具体工艺参数如下表2所示：

表2.(加热、热轧、冷却的具体工艺参数)

对实施例1～3中的低硅万向节球笼用钢进行相关测试，测得的脱碳层深度与力学性能如下表3所示：

表3

从表3中可见，实施例中的力学性能完全满足设计要求，说明材料具有较高的强度。另外实施例中的低硅万向节球笼用钢延伸率≥20％，面缩率≥50％，说明实施例中钢材塑性高，有利于材料的冷锻，能获得一种具备表面质量好、脱碳层浅、强度适中、塑性好，利于冷锻成型的球笼用钢。

图1、图2显示了实施例1中的低硅万向节球笼用钢的微观组织。从图可知，该球笼用钢的微观组织为铁素体+珠光体。

需要指出的是，以上例举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，而是根据需要有许多类似的变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种低硅万向节球笼用钢，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.45～0.55％，Si：≤0.10％，Mn：≤0.80％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，Cr：≤0.25％，Al：0.002～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种低硅万向节球笼用钢，其特征在于：钢材屈服强度为380～550MPa，抗拉强度为650～850MPa，延伸率≥18％，面缩≥45％。

3.根据权利要求1所述的一种低硅万向节球笼用钢，其特征在于：钢材的金相组织为铁素体+珠光体。

4.一种低硅万向节球笼用钢的制造方法，包括冶炼→连铸→加热→热轧→冷却→研磨，其特征在于：

冶炼时铁水经过脱磷、脱硫、脱硅的“三脱”处理，三脱后铁水经扒渣处理，S含量控制在0.020％以下，冶炼造渣过程炉渣碱度需控制在≥3.0；

连铸时浇注过热度控制在10～40℃；

在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在760～860℃，第一加热段温度控制在960～1060℃，第二加热段温度控制在1050～1180℃，均热段温度控制在1080～1200℃，为坯料充分均匀受热，总加热时间2.5小时及以上；

高压水除鳞后进行单相区轧制：开轧温度为980～1100℃，然后采用12架二辊轧机+5架KOCKS三辊轧机轧制，单道次最大压下量控制在20～30mm之间；轧制时采用控冷，控制终轧温度在780～900℃；

轧制结束后，快速冷却，平均冷速控制在40～80℃/min，终冷温度为300～480℃，终冷之后材料可自由冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的一种低硅万向节球笼用钢的制造方法，其特征在于：开轧前先经火焰清理，利用高压氧气流“熔削”坯料表层金属，“熔削”深度为0.5～4mm。

6.根据权利要求4所述的一种低硅万向节球笼用钢的制造方法，其特征在于：在冷却阶段的终冷温度为350～480℃。

7.根据权利要求4所述的一种低硅万向节球笼用钢的制造方法，其特征在于：在研磨阶段的研磨量为单边0.1～0.2mm。