CN111363984A - 一种凸轮轴用钢cf53的生产方法 - Google Patents

一种凸轮轴用钢cf53的生产方法 Download PDF

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Abstract

一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+VD炉或RH炉。钢的化学成分质量百分比为：C=0.53~0.56，Si=0.20~0.30，Mn=0.67~0.75，P≤0.020，S≤0.015，Cr=0.18~0.24，Ni≤0.25，Al≤0.012~0.030，Cu≤00.25%，Mo≤0.10%，其余为Fe和必不可少的杂质,本发明自创中碳高合金成分设计体系，LF+VD复合精炼技术，采用高温大压下轧制缓冷新技术，成功开发了车用凸轮轴用钢CF53，经用户试制成凸轮轴零件，其疲劳台架试验达到100万次无损坏；突破常规的生产工艺，利用钢厂现有设备和工艺条件，充分发挥设备优势，节能环保，生产出高淬透性的车用凸轮轴用汽车钢，产品可广泛应用于制造车用凸轮轴等关键部分零件。

Description

一种凸轮轴用钢CF53的生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种凸轮轴用钢CF53的生产方法。
技术背景
汽车配件用钢CrMo系列是使用档次高和质量要求高的特钢品种，该品种在汽车行业中主要用于做关键部分材料，它直接影响汽车行驶的可靠性与安全性，因此必须具有足够的强度、刚度、淬透性和抗疲劳性能。随着现在世界各国对节能环保要求的日益提高，汽车用钢的应用越来越受到重视，应用的范围越来越广泛。C53为高级优质碳素结构钢，主要用为汽车发动机凸轮轴配件，产品要求具有较好的机械加工性能，较高的纯净度和优良的内部组织。
发明内容
本发明旨在提供一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，其圆钢代表规格为φ85mm，锻造成车用凸轮轴零件后要求调质硬度45-55HRC，锻件表面喷丸强化处理、晶粒度5-8级、凸轮轴总成疲劳寿命试验达50万次无损坏。
发明的技术方案：
一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，采用工艺路线为转炉+LF炉+VD炉或RH炉。钢的化学成分质量百分比为：C=0.53~0.56，Si=0.20~0.30，Mn=0.67~0.75，P≤0.020，S≤0.015，Cr=0.18~0.24，Ni≤0.25，Al≤0.012~0.030，Cu≤00.25%，Mo≤0.10%，其余为Fe和必不可少的杂质；
关键工艺步骤包括：
冶炼：转炉出钢C≥0.08；P≤0.015，采用LF+VD炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，通电时间≥15min，总吹氩时间≥40min，快速造白渣脱氧，过程控制Als=0.015~0.025；在VD/RH炉总吹氩时间≥35 min，VD真空脱气处理，在真空度0.5tor VD/RH炉保持时间≥8min，破空后严禁进行成分调整，钢水出VD/RH炉前软吹时间≥10min；出站钢水H≤2ppm，O≤10ppm；
连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉≤25℃，开浇炉≤35℃，铸坯尺寸分别为280*280mm和150*150mm；
加热：铸坯加热时间120~350min，加热段温度1150~1210℃之间，均热段温度1145~1195℃之间；
轧制： 800轧机采用大压下进行轧制，增加初轧压下量，一、二道次压下量分别按65mm、60mm控制；开轧温度≥1000℃，终轧温度≥850℃；
冷却：轧后圆钢采用密排进保温罩缓冷，冷速≤0.13℃/s；进保温罩温度730~750℃，在保温罩时间≥35min，出保温罩后快速入坑缓冷；规格φ50~φ100mm采用冷床进保温罩工艺入坑缓冷，入坑温度≥300℃，盖罩缓冷时间不小于24h。
精整：超声波探伤+磁粉表面探伤。
本发明主要从以下几方面来提高产品的淬透性和疲劳寿命
（1）化学成分的设计
C含量成分均匀性控制较好，偏差达到在0.035%以内，其他合金元素偏析控制也较好，Ni控制量在0.15~0.20%细化组织和晶粒、提高强度和韧性；Cr合金元素含量加入0. 1~0.2%的提高淬透性。采用与设计钢种类似成分和相同工艺路线的钢种对其原始N含量进行检验，参照检验结果和设计钢种的目标N含量，并结合实验每米NSiMn包芯线的增N量确定设计钢种N包芯线的喂入量。
含碳量在化学成分中对淬透性和疲劳极限的影响是主要的，疲劳极限随含碳量的增加而升高，钢中合金元素能够提淬透性、高塑性和韧性，缩小含碳量的波动范围，提高合金Mn、Cr元素的含量，并适当加入提高冲击韧性的Ni元素，对疲劳强度是有利的。
2、降低钢中非金属夹杂物
钢中由于非金属夹杂物的存在,破坏了金属基体的连续性,易产生应力集中,成为金属疲劳的发源地。裂纹多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间,当应力足够大时就产生裂纹,并迅速扩展而破坏。非金属夹杂物塑性越低,形状越尖棱,则应力集中也就越大。为了提高产品的淬透性和疲劳寿命，控制好真空脱气处理和炉外精炼，减少非金属夹杂物的含量、改变夹杂物类型和分布状态。
（2）钢种硫含量的控制
钢中的硫化物几乎全部以硫化物形态存在。一些研究表明，钢中呈椭球状的MnS夹杂物能够包裹危害较大的氧化物夹杂, 形成氧化物-硫化物共生夹杂物，当硫化物与氧化物共生时，则残余应力较低，压应力的作用也小,这将阻碍裂纹的发生,材料也就增强了抵抗外来应力的能力,提高材料的疲劳寿命。适当提高钢中的硫含量，则钢中的化合硫相应增高，增加氧化物被硫化物包围的机会，导致共生夹杂数量增多，减少了氧化物对疲劳寿命的影响。
（3）降低钢中气体含量、残余元素Ti、Ca含量
钢中气体含量是影响材质的重要因素，钢中含氧量增高，弯曲疲劳和接触疲劳寿命在高应力作用下随之降低。钢种氮含量过高容易形成氮化物：氮化钛、氮化铝夹杂。钢中氢含量越高，在轧后的冷却过程中,通过氢原子的扩散输运的富集, 越容易产生白点断裂。通过LF精炼和VD抽真空处理将钢水中的活度氧含量控制在5ppm以内，氢含量控制在1.5ppm以内。氧含量控制在50ppm以氧含量控制在5ppm以内。Ti是形成氮化物的最强元素之一， Ti留在钢中形成多棱角的夹杂物，Ca容易形成硬质点夹杂，这两种夹杂物容易引起局部应力集中，产生疲劳裂纹，因此要控制此两种元素的含量。
（4）提高产品表面质量
汽车用钢在汽车行业中主要制作发动机的凸轮轴、连杆、轮毂、花键轴、传动轴等，其中发动机的凸轮轴是汽车零部件中最大的零件。目前1．6 L以上的发动机凸轮轴基本都采用锻钢件，而汽车用钢是锻钢凸轮轴的首选钢种（因凸轮轴加工较复杂，使用汽车用钢在调质时易使凸轮轴发生变形）。
由于疲劳裂纹经常从零构件的表面开始，产品表面产生的裂纹缺陷造成应力集中，造成疲劳失效。如存在表面划伤、微裂纹、脱碳等表面缺陷, 将会影响产品性能的均匀性, 从而大幅降低产品的疲劳寿命。提高产品的表面质量将明显提高产品的使用性能和使用寿命。
（5）优化轧制工艺提高产品晶粒度
金相组织表面有少量贝氏体，说明表面经过强冷处理，内部均为F+P，晶粒度在6~7级之间，控制较好；夹杂物控制较好，只存在极少硫化物和球状氧化物夹杂。整体的强度性能控制较好，能很好满足性能要求，塑性和冲击韧性标控制也较好。
晶粒越小，则单位体积内的晶界越多，晶界间的原子排列比晶粒内部更为紊乱，位错密度较高。一方面晶界对塑性变形(如滑移等)的阻碍作用增强，有利于强度的提高；另一方面晶粒越小、细、圆，钢丝的塑性越好。细晶粒可以提高产品的淬透性和强韧性，从而提高抗疲劳性能。
本发明的有益效果：
a.本发明自创中碳高合金成分设计体系，LF+VD复合精炼技术，严格控制钢水的纯净度，并采用高温大压下轧制缓冷新技术，成功开发了车用凸轮轴用钢CF53，经用户试制成凸轮轴零件，其疲劳台架试验达到100万次无损坏。
b.本发明突破常规的生产工艺，利用钢厂现有设备和工艺条件，充分发挥设备优势，节能环保，生产出高淬透性的车用凸轮轴用汽车钢。
c.本发明的产品可广泛应用于制造车用凸轮轴等关键部分零件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明：
实施例1：
一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，钢的化学组成质量百分比为C=0.53，Si=0.25，Mn=0.70，P=0.016，S=0.006，Cr=0.178，Ni=0.0223， Al=0.025， Cu=0.019，Mo=0.0697。关键工艺步骤包括：
冶炼：转炉出钢P=0.011，C=0.095，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间21min，精炼渣碱度CaO/SiO2=3.5；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间15min，出站钢水H=1.3ppm，O=4.1ppm。
连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度25℃。
加热：温度1190～1200℃，时间180min。
轧制：轧制规格φ85mm，800轧机采用大压下。
冷却：二棒釆用进保温罩缓冷工艺，新棒线采用控冷控轧工艺，进罩温度730-760℃，保温时间39min。
钢材性能检验结果见从表1~表3。
实施例2：
一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，钢的化学成分重量百分比为C=0.54，Si=0.24，Mn=0.70，P=0.014，S=0.005，Cr=0.175，Ni=0.0216， Al=0.021， Cu=0.016，Mo=0.0811。关键工艺步骤包括：
冶炼：转炉出钢P=0.010，C=0.11，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间25min，精炼渣碱度CaO/SiO2=3.9；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间19min，出站钢水H=1.1ppm，O=3.1ppm。
连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度21℃。
加热：温度1180～1220℃，时间180min。
轧制：轧制规格φ85mm，采用800轧机大压下，生产工艺控制正常。
冷却：轧后采用密排进保温罩和冷床缓冷，进罩温度730-760℃
钢材性能检验结果见从表1~表3。
实施例3：
一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，钢的化学组成质量百分比为C=0.54，Si=0.27，Mn=0.70，P=0.015，S=0.005，Cr=0.183，Ni=0.0256， Al=0.023， Cu=0.012，Mo=0.0723。关键工艺步骤包括：
冶炼：转炉出钢P=0.007，C=0.12，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间25min，精炼渣碱度CaO/SiO2=3.8；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间18min，出站钢水H=1.2ppm，O=2.9ppm。
连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度18℃。
加热：温度1100～1150℃，均热时间120min。
轧制：轧制规格φ85mm，采用800轧机轧制，生产工艺控制正常。
冷却：轧后采用密排进保温罩和冷床缓冷，进罩温度730~760℃
钢材性能检验结果见从表1~表3。
表1 实施例中钢材低倍组织的检验情况
Figure 252540DEST_PATH_IMAGE001
。
表2 实施例中钢材非金属夹杂的检验情况
Figure 297857DEST_PATH_IMAGE002
。
表3 实施例中钢材力学性能、脱碳、晶粒度、热轧硬度检验情况
Figure 958645DEST_PATH_IMAGE003
。
从表1~表3测试结果可见，采用本发明的方法生产的车用凸轮轴产品用CF53钢，各项检验指标较好，钢材气体含量，非金属夹杂物较低，能够很好的满足车用凸轮轴产品超高淬透性和疲劳寿命的使用需求。

Claims (1)

1.一种凸轮轴用钢CF53的生产方法，其特征在于：钢的化学成分质量百分比为：C=0.53~0.56，Si=0.20~0.30，Mn=0.67~0.75，P≤0.020，S≤0.015，Cr=0.18~0.24，Ni≤0.25，Al≤0.012~0.030，Cu≤00.25%，Mo≤0.10%，其余为Fe和必不可少的杂质；关键工艺步骤包括：
冶炼：转炉出钢C≥0.08；P≤0.015，采用LF+VD炉精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，通电时间≥15min，总吹氩时间≥40min，快速造白渣脱氧，过程控制Als=0.015~0.025；在VD/RH炉总吹氩时间≥35 min，VD真空脱气处理，在真空度0.5tor VD/RH炉保持时间≥8min，破空后严禁进行成分调整，钢水出VD/RH炉前软吹时间≥10min；出站钢水H≤2ppm，O≤10ppm；
连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉≤25℃，开浇炉≤35℃，铸坯尺寸分别为280*280mm和150*150mm；
加热：铸坯加热时间120~350min，加热段温度1150~1210℃之间，均热段温度1145~1195℃之间；
轧制： 800轧机采用大压下进行轧制，增加初轧压下量，一、二道次压下量分别按65mm、60mm控制；开轧温度≥1000℃，终轧温度≥850℃；
冷却：轧后圆钢采用密排进保温罩缓冷，冷速≤0.13℃/s；进保温罩温度730~750℃，在保温罩时间≥35min，出保温罩后快速入坑缓冷；规格φ50~φ100mm采用冷床进保温罩工艺入坑缓冷，入坑温度≥300℃，盖罩缓冷时间不小于24h；
精整：超声波探伤+磁粉表面探伤。
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