CN110453138B - 一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法。所述汽车转向节用中碳合金钢的化学成分质量百分数为：0.38％～0.42％的C、0.17％～0.37％的Si、0.60％～0.90％的Mn、0.90％～1.10％的Cr、0.015％～0.035％的Al、S≤0.025％、P≤0.025％、Ti≤0.005％、Cu≤0.20％、Ni≤0.30％、Sn≤0.03％、O≤16×10‑4％、N≤70×10‑4％和H≤2.0×10‑4％，余量为Fe和不可避免的杂质。根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢，能够很好的满足汽车转向节用钢材对非金属夹杂物级别及综合力学性能等的较高要求，避免发生转向节突然断裂的恶性事故。

Description

一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体地说，本发明涉及一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法。
背景技术
经过多年的发展，我国汽车转向节市场发展迅速，市场规模已经具备一定的竞争力。汽车转向节是汽车前轴与轮子之间的关键连接件。转向节作为汽车重要的安保件和最具技术含量的代表零件，通过主销跟前轴装配在一起组成汽车转向桥的主体构件。
汽车运行时，转向节不仅要承受车身的载荷、路面的冲击以及转向时的扭曲力，同时还要保证汽车在刹车时有足够的冲击韧性，因此要求汽车转向节材料具有足够的强度(抗拉及屈服强度)、疲劳强度、较好的韧性及耐磨性等，对于重载汽车转向节用钢材质量的要求更为苛刻。
目前，现国内转向节常用钢种为中碳钢或中碳合金钢，通常是轻型车、尺寸较小的转向节选用中碳钢，重型车、尺寸较大和工作应力大的转向节选用淬透性和强韧性较好的合金钢。然而，随着车辆向高速重载方向的发展，目前常用的一些中碳钢或中碳合金钢的非金属夹杂物级别及综合力学性能不能很好地满足重载汽车转向节用钢的质量要求。
发明内容
本发明的目的主要是针对当前重载汽车转向节的综合机械性能及非金属夹杂物的控制不能很好地满足其使用要求，对此，本发明提供了一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法，能够很好的满足汽车转向节用钢材对非金属夹杂物级别及综合力学性能等的较高要求，避免发生转向节突然断裂的恶性事故。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种汽车转向节用中碳合金钢，所述中碳合金钢的化学成分质量百分数为：0.38％～0.42％的C、0.17％～0.37％的Si、0.60％～0.90％的Mn、0.90％～1.10％的Cr、0.015％～0.035％的Al、S≤0.025％、P≤0.025％、Ti≤0.005％、Cu≤0.20％、Ni≤0.30％、Sn≤0.03％、O≤16×10-4％、N≤70×10-4％和H≤2.0×10-4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的优选示例性实施例，所述中碳合金钢的化学成分质量百分数为：0.39％～0.41％的C、0.18％～0.25％的Si、0.65％～0.70％的Mn、1.00％～1.05％的Cr、0.020％～0.030％的Al、S≤0.015％、P≤0.020％、Ti≤0.004％、Cu≤0.15％、Ni≤0.10％、Sn≤0.02％、O≤15×10-4％、N≤60×10-4％和H≤1.5×10-4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了一种汽车转向节用中碳合金钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
采用电弧炉冶炼，控制钢包的烘烤温度≥850℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.15％～0.20％和[P]≤0.015％，并且使残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1620℃～1650℃，在钢包内进行预脱氧合金化，电弧炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块预脱氧；采用LF炉精炼，精炼过程不再补加铝质材料，采用碳硅质材料进行扩散脱氧，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥12min，破空后软吹时间≥15min；采用全保护浇注进行连铸，连铸钢包浇注末期采用预留钢模式，将结晶器的液面波动控制在≤±2mm，将中间包的液面波动控制在720±20mm，将钢水的过热度控制在16℃～25℃，拉钢速度为0.52m/min～0.55m/min，入坑缓冷时间≥24h进行轧制，加热炉的均热温度为1180℃～1270℃，加热时间为3.0h～4.0h，开轧温度为1100℃～1170℃，终轧温度为930℃～1030℃，控制轧制的压缩比≥7，轧后缓冷≥16h，最终制得用于汽车转向节用中碳合金钢的热轧圆钢。
本发明中，电弧炉冶炼的冶炼原料为铁水+废钢，其中铁水的质量比例占冶炼原料总质量的75％～85％。
本发明中，在电炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块预脱氧时，出钢时加入纯铝块1.2kg/t～1.5kg/t钢。
本发明中，LF炉精炼过程采用碳硅质材料进行扩散脱氧时，采用低钛高纯碳化硅进行扩散脱氧，其中TSi+TC≥96％，TiO2≤0.015％。
本发明中，连铸钢包开浇过程对引流砂进行吹气清理。
本发明中，连铸钢包浇注末期采用预留钢模式时，钢包浇注末期剩余钢水2.0t～3.0t。
本发明中，连铸过程中间包液面采用低钛碱性覆盖剂(下层)及低钛空心颗粒覆盖剂(上层)双层覆盖剂保护；其中低钛碱性覆盖剂CaO/SiO2≥6.0，TiO2≤0.50％；低钛空心颗粒覆盖剂CaO/SiO2控制在0.20～0.50，TiO2≤0.20％。
下面将详细地描述制造根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢的制备方法。根据本发明，汽车转向节用中碳合金钢的制备方法包括冶炼、连铸和轧制等工艺步骤，具体步骤如下：
(1)冶炼
采用电弧炉冶炼，冶炼原料为铁水+废钢，控制钢包的烘烤温度≥850℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.15％～0.20％和[P]≤0.015％，并且使钢水的残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1620℃～1650℃，在钢包内进行预脱氧合金化，电炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块预脱氧，出钢时加入纯铝块1.2kg/t～1.5kg/t钢。采用LF炉精炼，精炼过程不再补加铝质材料，采用碳硅质材料进行扩散脱氧，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥12min，破空后软吹时间≥15min。
冶炼原料为铁水+废钢，其中铁水的质量比例占冶炼原料总质量的75％～85％。采用高铁水比的冶炼原料，可以起到如下作用：第一，有利于减少有害残余元素；第二提高生产效率，降低冶炼成本。
另外，根据本发明，残余元素主要指铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)等有害残留元素。
LF炉精炼过程采用碳硅质材料进行扩散脱氧时，采用低钛高纯碳化硅进行扩散脱氧，其中TSi+TC≥96％，TiO2≤0.015％。
(2)连铸
采用全保护浇注进行连铸，连铸钢包浇注末期采用预留钢模式，将结晶器的液面波动控制在≤±2mm，将中间包的液面波动控制在720±20mm，将钢水的过热度控制在16℃～25℃，拉钢速度为0.52m/min～0.55m/min，入坑缓冷时间≥24h进行轧制。
连铸钢包开浇过程对引流砂进行吹气清理。
连铸钢包浇注末期采用预留钢模式时，钢包浇注末期剩余钢水2.0t～3.0t。
连铸过程中间包液面采用低钛碱性覆盖剂(下层)及低钛空心颗粒覆盖剂(上层)双层覆盖剂保护；其中低钛碱性覆盖剂CaO/SiO2≥6.0，TiO2≤0.50％；低钛空心颗粒覆盖剂CaO/SiO2控制在0.20～0.50，TiO2≤0.20％。
(3)轧制
为保证钢的内部质量，加热炉的均热温度为1180℃～1270℃，加热时间为3.0h～4.0h，开轧温度为1100℃～1170℃，终轧温度为930℃～1030℃，控制轧制的压缩比≥7，轧后缓冷≥16h，最终制得用于汽车转向节用中碳合金钢的热轧圆钢。
通过如上所述合理地制定了加热制度及轧后冷却制度，可以有效解决轧材的中心疏松、表面质量及轧后组织的均匀性问题。
本发明提供了一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法，能够很好的满足汽车转向节用钢材对非金属夹杂物级别及综合力学性能等的较高要求，避免发生转向节突然断裂的恶性事故。
对于根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢的化学成分的设计，根据微合金化原理，将汽车转向节用中碳合金钢中的Ti含量控制在0.005wt％以下。如果Ti含量过高则容易形成TiN夹杂物，影响钢的疲劳寿命；将汽车转向节用中碳合金钢中的Al含量限制在0.015wt％～0.035wt％。如果钢中的Al含量过高，则也容易造成二次氧化，形成Al2O3夹杂，影响钢材性能；如果Al含量太低，则起不到预期的细化晶粒的效果。另外，根据本发明，出于对汽车转向节用中碳合金钢的综合性能的考虑，将钢中的Cr含量限制在0.90wt％～1.10wt％。如果钢中的Cr含量太高，则会使成本升高；如果钢中的Cr含量低，则起不到预期的效果。另外，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，消除或减弱钢中S所引起的热脆性，改善钢的热加工性能，Cr对提高表面硬度效果明显，同时，为了保证钢的强度和整体淬透性，Cr、Mn复合加入，因此，在根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢中，将Cr的含量控制为0.90wt％～1.10wt％，并且将Mn的含量控制为0.60wt％～0.90wt％。C对心部硬度、疲劳强度、冲击值有很大影响，考虑到韧性、切削性，因此，在根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢中，将C的含量控制为0.38wt％～0.42wt％。
具体实施方式
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面将结合具体的实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。
实施例1-3
制备汽车转向节用中碳合金钢。采用UHP超高功率电弧炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理、连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。各实施例生产Φ100mm规格的钢材。具体生产工艺如下：
(1)冶炼
冶炼原料为铁水+废钢，其中铁水的质量比例占冶炼原料总质量的75％～80％。控制钢包的烘烤温度≥850℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.15％～0.20％和[P]≤0.015％，并且使钢水的残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1630℃～1640℃，在钢包内进行预脱氧合金化，电弧炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块1.3kg/t～1.4kg/t钢预脱氧。采用LF炉精炼，精炼过程不再补加铝质材料，采用低钛高纯碳硅质材料进行扩散脱氧，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥12min，破空后软吹时间≥15min。
(2)连铸
采用全保护浇注进行连铸，钢包开浇过程对引流砂进行吹气清理，中间包液面采用低钛碱性覆盖剂(下层)及低钛空心颗粒覆盖剂(上层)双层覆盖剂保护；钢包浇注末期剩余钢水2.0t～3.0t。将结晶器的液面波动控制在≤±2mm，将中间包的液面波动控制在720±20mm，将钢水的过热度控制在16℃～25℃，拉钢速度为0.53m/min～0.54m/min，入坑缓冷时间≥24h进行轧制。
(3)轧制
加热炉的均热温度为1200℃～1250℃，加热时间为3.0h～4.0h，开轧温度为1120℃～1160℃，终轧温度为950℃～1000℃，控制轧制的压缩比≥8，轧后缓冷≥16h。汽车转向节用中碳合金钢的化学成分和具体工艺参数见表1、表2。表3，表1是实施例1至实施3的汽车转向节用中碳合金钢的化学成分，表2是实施例1至实施例3的冶炼工艺控制参数，表3是实施例1至实施例3的连铸、轧制工艺参数，表4是是实施例1至实施例3的钢材非金属夹杂物检验情况，表5是实施例1至实施例3的热轧圆钢的各性能指标检验情况，表6是实施例1至实施例3的热轧圆钢末端淬透性检验情况。
表1各实施例的钢的化学成分(wt％)
Figure BDA0002185675260000051
Figure BDA0002185675260000061
表2冶炼工艺控制参数
Figure BDA0002185675260000062
表3连铸、轧制工艺控制参数
Figure BDA0002185675260000063
表4钢材非金属夹杂物检验情况(级别)
Figure BDA0002185675260000064
Figure BDA0002185675260000071
表5热轧圆钢的各性能指标检验情况
Figure BDA0002185675260000072
表6热轧圆钢的末端淬透性检验情况
Figure BDA0002185675260000073
由上面的表4、表5及表6可以看出，根据本发明的实施例1至实施例3的汽车转向节用中碳合金钢的非金属夹杂物级别、抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rel)、断后伸长率(Z)、断面收缩率(Z)和冲击功(KU2)均有很大的提高，并且淬透性好且波动范围小，钢材各项性能指标远远高于国标要求。
因此，本发明提供了一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法，能够很好的满足汽车转向节用钢材对非金属夹杂物级别及综合力学性能等的较高要求，避免发生转向节突然断裂的恶性事故。
因此，根据本发明的汽车转向节用中碳合金钢对化学成分进行了优化，通过严格控制钢中残余Ti元素含量，且加入适量的合金元素Al来进一步细化组织提高材料的强度和疲劳寿命。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种汽车转向节用中碳合金钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)冶炼
采用电弧炉冶炼，控制钢包的烘烤温度≥850℃，控制冶炼的钢水终点[C]0.15％～0.20％和[P]≤0.015％，并且使残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1620℃～1650℃，在钢包内进行预脱氧合金化，电弧炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块预脱氧；采用LF炉精炼，精炼过程不再补加铝质材料，采用碳硅质材料进行扩散脱氧，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥12min，破空后软吹时间≥15min；
2)连铸
采用全保护浇注进行连铸，连铸钢包浇注末期采用预留钢模式，将结晶器的液面波动控制在±2mm，将中间包的液面波动控制在720±20mm，将钢水的过热度控制在16℃～25℃，拉钢速度为0.52m/min～0.55m/min，入坑缓冷时间≥24h进行轧制；
3)轧制
加热炉的均热温度为1180℃～1270℃，加热时间为3.0h～4.0h，开轧温度为1100℃～1170℃，终轧温度为930℃～1030℃，控制轧制的压缩比≥7，轧后缓冷≥16h，制得汽车转向节用中碳合金钢的热轧圆钢；
所述中碳合金钢的化学成分质量百分数为：0.38％～0.42％的C、0.17％～0.37％的Si、0.60％～0.90％的Mn、0.90％～1.10％的Cr、0.015％～0.035％的Al、S≤0.025％、P≤0.025％、Ti≤0.005％、Cu≤0.20％、Ni≤0.30％、Sn≤0.03％、O≤16×10-4％、N≤70×10-4％和H≤2.0×10-4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电弧炉冶炼的冶炼原料为铁水+废钢，其中铁水的质量比例占冶炼原料总质量的75％～85％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电弧炉出钢1/5时随钢流加入纯铝块预脱氧时，出钢时加入纯铝块1.2kg/t钢～1.5kg/t钢。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳硅质材料为低钛高纯碳化硅，其中TSi+TC≥96％，TiO2≤0.015％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，连铸钢包开浇过程对引流砂进行吹气清理。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，连铸钢包浇注末期采用预留钢模式时，钢包浇注末期剩余钢水2.0t～3.0t。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，连铸过程中间包液面采用双层覆盖剂保护；下层为低钛碱性覆盖剂，上层为低钛空心颗粒覆盖剂；其中低钛碱性覆盖剂中CaO/SiO2≥6.0，TiO2≤0.50％；低钛空心颗粒覆盖剂中CaO/SiO2控制在0.20～0.50，TiO2≤0.20％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中碳合金钢的化学成分质量百分数为：0.39％～0.41％的C、0.18％～0.25％的Si、0.65％～0.70％的Mn、1.00％～1.05％的Cr、0.020％～0.030％的Al、S≤0.015％、P≤0.020％、Ti≤0.004％、Cu≤0.15％、Ni≤0.10％、Sn≤0.02％、O≤15×10-4％、N≤60×10-4％和H≤1.5×10-4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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