CN111218614B

CN111218614B - 一种易切削连杆用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN111218614B
Application number: CN202010086206.6A
Authority: CN
Inventors: 梁娜; 王建军; 修冬; 赵燕; 李猛; 戈文英; 刘兵; 李飞; 杨密平
Original assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-02-11
Also published as: CN111218614A

Abstract

本发明公开了一种易切削连杆用钢及其制造方法，该钢的化学成分质量百分比为：C：0.43‑0.47％、Si：0.20‑0.35％、Mn：1.10‑1.40％、Cr：0.30‑0.40％、P：≤0.020％、S：0.060‑0.090％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：≤0.10％、Ti：≤0.015％、Al：0.010‑0.040％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法包括冶炼、浇注和轧制步骤；冶炼步骤包括电炉冶炼，LF精炼和VD真空脱气处理。本发明通过设计材料的化学成分和合理的生产工艺来控制钢材的洁净度及均质性，使材料获得优良的力学性能以及易切削加工性能。

Description

一种易切削连杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于汽车用钢技术领域，具体涉及一种易切削连杆用钢及其制造技术。

背景技术

连杆是汽车发动机的关键零部件，对钢材的纯净度、综合力学性能和加工性能要求较高。连杆在机体中做复杂的平面运动，在工作过程中承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力，其质量直接影响到发动机的性能。

现阶段国内外汽车发动机连杆材料主要使用的原料有四类，分别为调质钢、非调质钢、粉末冶金材料和金属基复合型材料。调质钢是传统的发动机连杆材料，通常小功率的发动机采用碳素调质钢，大功率的发动机采用合金调质钢。其加工过程主要为：下料—加热—锻造—调质—粗加工—精加工—磷化皂化—喷漆—包装，加工性能是对连杆用钢不可缺少的要求。由于调质钢需经调质(淬火后高温回火)处理，20世纪70年代由于石油危机，为节省能源，世界各国陆续开发并生产了不需调质处理，只需控制轧制(锻造)工艺及轧(锻)后的冷却速度就可以获得所需要的强度、韧度和切削性能的非调质钢。目前已有的连杆用钢的研究主要集中在连杆用非调质钢方面，涉及调质型易切削连杆用钢的研究较少。由于近年来原料成本日益增加，连杆用非调质钢的生产成本不断增加。同时，连杆用非调质钢的生产工艺控制较为困难，非调质钢的强韧性匹配问题较难解决，因而，开发经济、实用的连杆用钢具有重要的意义。

发明内容

本发明针对连杆用钢加工问题，从低成本的角度开展设计，以满足小功率发动机的需求。本发明的目的在于提供一种易切削连杆用钢及其制造方法，通过设计材料的化学成分和合理的生产工艺来控制钢材的洁净度及均质性，使材料获得优良的力学性能以及易切削加工性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种易切削连杆用钢，其化学成分按质量百分比包括：C：0.43-0.47％、Si：0.20-0.35％、Mn：1.10-1.40％、Cr：0.30-0.40％、P：≤0.020％、S：0.060-0.090％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：≤0.10％、Ti：≤0.015％、Al：0.010-0.040％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述易切削连杆用钢，作为一种优选方式，所述易切削连杆用钢的化学成分按质量百分比包括：C：0.44-0.46％、Si：0.25-0.32％、Mn：1.20-1.25％、Cr：0.33-0.38％、P：≤0.020％、S：0.065-0.080％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：≤0.10％、Ti：≤0.010％、Al：0.015-0.035％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述易切削连杆用钢，作为一种优选方式，所述易切削连杆用钢的晶粒度为6-9级；经正火后所述钢的屈服强度≥470MPa(优选为470-500MPa)，抗拉强度≥730MPa(优选为750-800MPa)，延伸率≥17％(优选为17-25％),硬度217～245HB；经正火和淬火后所述钢的淬透性如下：J1.5为55～62HRC，J11为32～39HRC，J15为28～35HRC。

上述易切削连杆用钢，作为一种优选方式，所述钢为圆钢，更优选地，所述钢的规格为Φ20mm～Φ100mm。

本发明的设计思想如下：

针对连杆对钢材的纯净度、综合力学性能和加工性能要求较高，本发明采用Mn、Cr合金化来提高材料的强度，采用中硫的成分设计提高钢材的易切削性能，采用低P、Ti、O的成分设计保证钢材的洁净度，提高钢材的疲劳性能，降低钢的冷脆性，采用Al细化晶粒，最终使材料获得良好的综合性能。

本发明的技术特点之一在于合理的成分设计，采用低成本的Mn、Cr合金化、中硫、低P、Ti、O，适量Al的成分设计，降低钢材的成本的同时又保证钢材具有高强度、高洁净度、低冷脆性、良好的疲劳性和易切削加工性能以及提高的综合性能。

采用Mn、Cr合金化，提高钢的强度，设计Mn：1.10-1.40％，Cr：0.30-0.40％，以较低成本实现了高淬透性；为保证钢材高的洁净度和低的冷脆性，采用低P、Ti和[O]成分设计，P：≤0.020％、Ti：≤0.015％、[O]≤0.0015％，为获得良好的疲劳性能奠定基础；为获得良好的易切削加工性能，设计S：0.060-0.090％；为细化晶粒，提高钢的综合性能，Al：0.010-0.040％。

本发明的技术特点之二在于采用合理的生产工艺设计，提高钢的纯净度，保证钢综合性能的稳定性，使钢材满足使用条件的需要。

本发明还提供了一种易切削连杆用钢的制造方法，所述易切削连杆用钢的化学成分如上所述，所述制造方法依次包括冶炼、浇注和轧制步骤；所述冶炼步骤依次包括电炉冶炼，LF精炼和VD真空脱气处理。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述电炉冶炼中，铁水占原料总质量的百分比≥40％(例如，45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％)，控制电炉出钢终点的[C]≥0.10wt％、[P]≤0.012wt％，出钢温度为1620～1660℃(例如，1625℃、1630℃、1635℃、1640℃、1645℃、1650℃、1655℃)，采用钢包合金化；更优选地，在出钢过程中加入钢芯铝，所述钢包合金化时按照Mn、Cr设计成分含量下限配入锰铁、硅铁和铬铁合金(优选地，所述锰铁合金中的锰的质量含量≥65％)，控制钢液中Ti含量≤0.015％，铜、镍、钼残余元素含量符合相应成分设计要求；进一步优选地，出钢时造渣料按10～15kg/t钢(例如，11kg/t钢、12kg/t钢、13kg/t钢、14kg/t钢)的量加入；进一步优选地，所述原料为铁水和废钢。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述LF精炼中，控制精炼渣的碱度＞3.0(优选为3.0-5.5，例如，3.5、4.0、5.0，更优选所述精炼渣的碱度为4.5-5)，使用含钛量≤0.010wt％碳化硅进行脱氧，优选采用高纯碳化硅(所述高纯碳化硅的纯度为96wt％以上)进行脱氧；取一次样前，钢液中硫含量控制在0.008wt％以下，按照1.0～2.0m/t钢(例如，1.2m/t钢、1.4m/t钢、1.6m/t钢、1.8m/t钢)的量喂入钙线；根据一次样分析结果，按照钢的设计成分含量进行钢液成分调整，LF精炼出钢前，按5.5～6.5m/t钢(例如，5.7m/t钢、5.8m/t钢、6.0m/t钢、6.2m/t钢、6.4m/t钢)的量喂入硫线，以使钢液中硫含量控制在0.065-0.080wt％；

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述LF精炼后的钢液扒渣后进行VD真空脱气处理。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述VD真空脱气处理中，吹氩气的流量为100～120NL/min(例如，105NL/min、110NL/min、115NL/min、118NL/min)，真空处理的时间≥20分钟(优选为20-25min)；更优选地，所述真空脱气处理后还包括软吹氩操作，所述软吹氩操作是向真空脱气处理后的钢液中进行软吹氩气，其中，所述软吹氩气的流量为10～25NL/min，软吹氩气的时间≥20分钟(优选为20-30min)，以保证夹杂物充分上浮、去除。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述浇注采用连铸浇注以获得铸坯。

更优选地，所述连铸中采用结晶器和末端电磁搅拌，所述连铸过程中使用的保护渣为中碳连铸保护渣，比如45号钢使用的连铸保护渣；

更优选地，在所述浇注中，控制连铸中间包温度为1525℃～1535℃，比水量为0.30～0.35L/kg，铸坯在一定的拉钢速度下入缓冷坑进行缓冷，当铸坯温度低于200℃(优选为100～160℃)后出所述缓冷坑。在本发明的中间包温度范围内可以提高钢的可浇性。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述浇注过程中，260mm×300mm坯型的铸坯的拉钢速度控制为0.50～0.55m/min(例如，0.51m/min、0.52m/min、0.53m/min、0.54m/min)，180mm×220mm坯型的铸坯的拉钢速度为0.95～1.05m/min(例如：0.96m/min、0.98m/min、1.00m/min、1.02m/min、1.04m/min)。在本发明的拉钢速度下进行，可以稳定工艺，保证铸坯质量。

上述易切削连杆用钢的制造方法，作为一种优选实施方式，所述轧制是将缓冷后的铸坯进行轧制处理，其中，均热温度为1180～1230℃(例如，1190℃、1200℃、1210℃、1220℃)，加热时间为2.5～4.0小时(例如2.7小时、3.0小时、3.2小时、3.5小时)，开轧温度为1125～1180℃(1130℃、1135℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃)，终轧温度为950～1000℃(960℃、970℃、980℃、990℃)；本发明的开轧温度可以降低钢的热脆性。

进一步优选地，将轧制后的钢材上冷床冷却，下冷床温度控制在500～600℃(520℃、540℃、550℃、580℃)；在此温度范围内下冷床更有利于钢的组织均匀性。

进一步优选地，下冷床后的钢材立即收集进入缓冷坑缓冷，缓冷后出坑的钢材温度不大于100℃(优选为50-90℃)，制得热轧圆钢，即本发明的易切削连杆用钢。钢材出缓冷坑的温度不大于100℃有利于消除钢材应力，提高钢的组织均匀性。

以上制造方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

本发明通过采用合理的中硫钢的生产工艺，优化精炼及钙处理工艺，解决了中硫钢整体中间包浇注结瘤的问题，钢材具有良好的洁净度和易切削性。

与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果如下：

1.采用合理的成分设计，即，低成本Mn、Cr合金化和中硫的成分设计连杆用钢，使钢在满足性能要求的同时，获得良好的易切削性能；

2.采用电炉深脱磷，精炼深脱氧，使用低Ti合金等生产工艺，使P、Ti、[O]等有害元素控制在较低的范围内；通过优化精炼过程及钙处理工艺，较好的控制硫化物夹杂形态，大大的提高了钢的纯净度和性能的稳定性；

3.在生产过程中，通过合理的工艺设计特别是本发明的LF精炼工艺，解决了中硫钢的连浇问题，实现9炉连浇，过程稳定顺行。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1-3：

一种连杆用钢，采用UHP超高功率电炉、LF精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。实施例1-3是以Φ45mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

按质量百分比，钢的组成为：

C：0.44-0.46％、Si：0.25-0.32％、Mn：1.20-1.25％、Cr：0.33-0.38％、P：≤0.020％、S：0.065-0.080％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：≤0.10％、Ti：≤0.010％、Al：0.015-0.035％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

生产工艺如下：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，铁水加入比例60～70％，电炉出钢终点[C]＝0.11～0.15％、[P]＝0.010～0.012％，出钢温度1630～1650℃。电炉出钢过程中加钢芯铝，钢包合金化时按照Mn、Cr成分下限配入锰铁、硅铁和铬铁合金，控制钢液中Ti含量≤0.015％，铜、镍、钼残余元素含量符合成分要求。造渣料按13～15kg/t加入。

LF精炼，控制渣碱度4.5～5，加强脱氧、脱硫，使用含钛量≤0.010％的高纯碳化硅脱氧。取一次样前，硫含量控制在0.005％以下，并喂入钙线1.0～1.5m/t钢。根据一次样分析结果，调整成分，LF出钢前，按5.5～6m/t钢喂入硫线。

入VD前扒渣，钢材的真空处理时间20～23min，真空处理后软吹氩时间20～26min，以保证夹杂物充分上浮、去除。真空处理过程吹氩气流量110～120NL/min，软吹氩气流量10～15NL/min。

(2)浇注

采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器和末端电磁搅拌，中碳连铸保护渣(45号钢使用的连铸保护渣)。为了保证中硫钢的可浇性，控制中间包温度为1525℃～1535℃，180mm×220mm坯型拉速按照0.95～1.00m/min控制，比水量0.33～0.35L/kg，铸坯入缓冷坑缓冷，出缓冷坑温度100～160℃，然后进行轧制。

(3)轧制

控制加热炉均热温度1180～1210℃，加热时间3.0～3.5小时，开轧温度为1128～1140℃，终轧温度960～980℃，为了消除内应力，提高钢的组织均匀性，下冷床温度控制在550～600℃，下冷床后及时收集入缓冷坑缓冷，缓冷后出坑温度70～90℃，制得热轧圆钢。

具体的工艺参数见表1～表3所示。表1是1-3实施例易切削连杆用钢的化学成分，表2是冶炼、连铸过程关键工艺参数，表3为轧制过程关键工艺参数。

表1连杆用钢实施例化学成分(重量，％)

实施例	C	Si	Mn	Cr	P	S	Cu	Ni	Mo	Ti	Al	O×10<sup>-4</sup>	Fe
														1	0.46	0.26	1.22	0.33	0.013	0.080	0.03	0.02	0.004	0.005	0.030	12	余量
2	0.46	0.25	1.26	0.35	0.010	0.074	0.04	0.02	0.003	0.004	0.016	13	余量
														3	0.45	0.28	1.25	0.34	0.015	0.071	0.03	0.02	0.004	0.005	0.034	12	余量

表2冶炼、连铸过程关键工艺参数

表3轧制过程关键工艺参数

实施例1-3每炉钢材成品的性能检验结果如表4、表5、表6所示，表4中的力学性能测试参照国标GB/T228、GB/T2975、GB/T 231。

表4力学性能

表5非金属夹杂物及晶粒度检验结果

表6淬透性

从实施例1-3可以看出，该连杆用钢成分控制稳定，钢材的洁净度较高，硫化物夹杂控制较好，均不超过2级；钢材的淬透性、力学性能好，控制较稳定；组织均匀，晶粒细小。钢材的加工性能好，使用过程中刀具磨损小，与硬度相当的45钢刀具相比，刀具寿命可提升3倍以上，综合性能良好。

Claims

1.一种易切削连杆用钢，其特征在于，所述钢的化学成分按质量百分比包括：C：0.43-0.47％、Si：0.20-0.35％、Mn：1.10-1.40％、Cr：大于0.30％，小于等于0.40％、P：≤0.020％、S：0.060-0.090％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：0.003％-0.10％、Ti：≤0.015％、Al：0.010-0.040％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述易切削连杆用钢的晶粒度为6-9级；经正火后所述钢的屈服强度≥470MPa，抗拉强度≥730MPa，延伸率≥17％,硬度217～245HB；经正火和淬火后所述钢的淬透性如下：J1.5为55～62HRC，J11为32～39HRC，J15为28～35HRC；

所述易切削连杆用钢的制造方法，依次包括冶炼、浇注和轧制步骤；所述冶炼步骤依次包括电炉冶炼，LF精炼和VD真空脱气处理；

所述LF精炼中，控制精炼渣的碱度为3.0-5.5，使用含钛量≤0.010wt％碳化硅进行脱氧；取一次样前，钢液中硫含量控制在0.008wt％以下，按照1.0～1.6m/t钢的量喂入钙线；根据一次样分析结果，按照钢的设计成分含量进行钢液成分调整，LF精炼出钢前，按5.5～6.5m/t钢的量喂入硫线，以使钢液中硫含量控制在0.065-0.080wt％；

所述LF精炼后的钢液扒渣后进行VD真空脱气处理；

所述VD真空脱气处理中，吹氩气的流量为100～120NL/min，真空处理的时间≥20分钟；

所述真空脱气处理后还包括软吹氩操作，所述软吹氩操作是向真空脱气处理后的钢液中进行软吹氩气，其中，所述软吹氩气的流量为10～25NL/min，软吹氩气的时间≥20分钟；

所述浇注采用连铸浇注以获得铸坯；在所述浇注中，控制连铸中间包温度为1525℃～1535℃，比水量为0.30～0.35L/kg，铸坯在一定的拉钢速度下入缓冷坑进行缓冷，当铸坯温度低于200℃后出所述缓冷坑；所述浇注过程中，260mm×300mm坯型的铸坯的拉钢速度控制为0.50～0.55m/min，180mm×220mm坯型的铸坯的拉钢速度为0.95～1.05m/min；

在所述轧制过程中，终轧温度960～980℃；将轧制后的钢材上冷床冷却，下冷床温度控制在500～600℃；

下冷床后的钢材立即收集进入缓冷坑缓冷，缓冷后出坑的钢材温度不大于100℃，制得易切削连杆用钢。

2.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述易切削连杆用钢的化学成分按质量百分比包括：C：0.44-0.46％、Si：0.25-0.32％、Mn：1.20-1.25％、Cr：0.33-0.38％、P：≤0.020％、S：0.065-0.080％、Ni：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Mo：0.003％-0.10％、Ti：≤0.010％、Al：0.015-0.035％、[O]≤0.0015％，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述易切削连杆用钢的晶粒度为6-9级；经正火后所述钢的屈服强度≥470MPa，抗拉强度≥730MPa，延伸率≥17％,硬度217～245HB；经正火和淬火后所述钢的淬透性如下：J1.5为55～62HRC，J11为32～39HRC，J15为28～35HRC。

3.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述钢为圆钢。

4.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述钢的规格为Φ20mm～Φ100mm。

5.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述电炉冶炼中，铁水占原料总质量的百分比≥40％，控制电炉出钢终点的[C]≥0.10wt％、[P]≤0.012wt％，出钢温度为1620～1660℃，采用钢包合金化。

6.根据权利要求5所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述电炉冶炼中，在出钢过程中加入钢芯铝，所述钢包合金化时按照Mn、Cr设计成分含量下限配入锰铁、硅铁和铬铁合金，控制钢液中Ti含量≤0.015％，铜、镍、钼残余元素含量符合相应成分设计要求。

7.根据权利要求6所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述电炉冶炼中，出钢时造渣料按10～15kg/t钢的量加入。

8.根据权利要求7所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述原料为铁水和废钢。

9.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述LF精炼中，控制精炼渣的碱度为4.5-5，使用含钛量≤0.010wt％碳化硅进行脱氧；取一次样前，钢液中硫含量控制在0.008wt％以下，按照1.0～2.0m/t钢的量喂入钙线；根据一次样分析结果，按照钢的设计成分含量进行钢液成分调整，LF精炼出钢前，按5.5～6.5m/t钢的量喂入硫线，以使钢液中硫含量控制在0.065-0.080wt％。

10.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述真空处理的时间为20-25min。

11.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述软吹氩气的时间为20-30min。

12.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述连铸中采用结晶器和末端电磁搅拌，所述连铸过程中使用的保护渣为中碳连铸保护渣。

13.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，在所述浇注中，控制连铸中间包温度为1525℃～1535℃，比水量为0.30～0.35L/kg，铸坯在一定的拉钢速度下入缓冷坑进行缓冷，当铸坯温度为100～160℃后出所述缓冷坑。

14.根据权利要求1所述的易切削连杆用钢，其特征在于，所述轧制是将缓冷后的铸坯进行轧制处理，其中，均热温度为1180～1230℃，加热时间为2.5～4.0小时，开轧温度为1125～1180℃。