CN112048673B - 非调质曲轴钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及钢铁冶炼领域，具体而言，涉及一种非调质曲轴钢及其制备方法。通过调控核心合金成分C、Mn、V，使得其取值范围在：C：0.37‑0.40％，Mn：1.35‑1.45％，V：0.08‑0.15％，并添加一定含量Cr，控制Cr≤0.20％，确保Ceq碳当量控制在0.80‑0.86；同时，添加一定含量的Ti，控制Ti：0.010‑0.030％，形成了大量的Ti(C,N)第二相粒子细化晶粒，保证了钢材的屈服强度和抗拉强度，从而获得高的疲劳强度。该制备方法通过控制转炉终点碳含量，并采用预脱氧、扩散脱氧结合深脱氧的工艺，极大地降低了氧含量、使得夹杂物级别控制在较低级别。

Description

非调质曲轴钢及其制备方法
技术领域
本申请涉及钢铁冶炼领域，具体而言，涉及一种非调质曲轴钢及其制备方法。
背景技术
汽车的曲轴在发动机里承受着多向交变压应力、拉应力、弯曲应力等的长周期载荷作用，不可避免的产生疲劳。因此，对于曲轴用材料的疲劳寿命有较高的要求。而且目前随着汽车受载荷的要求不同，对曲轴用材料的疲劳寿命的要求呈现更高的趋势。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种非调质曲轴钢及其制备方法，其旨在使得非调质曲轴钢具有高的疲劳强度。
第一方面，本申请提供一种非调质曲轴钢，以质量百分比计，非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.40％，Si：0.55-0.65％，Mn：1.35-1.45％，P≤0.018％，S：0.045-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Al≤0.030％，V：0.08-0.15％，N：0.010-0.020％，Ti：0.010-0.030％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；
非调质曲轴钢的碳当量Ceq＝C+Si/7+Mn/5+Cr/9+V/2+Ti/3，碳当量Ceq控制在0.80-0.86。
在本申请一些实施方式中，非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.39％，Si：0.56-0.64％，Mn：1.38-1.43％，P≤0.018％，S：0.046-0.059％，Cr：0.15-0.20％，Mo≤0.05％，Al≤0.030％，V：0.09-0.14％，N：0.011-0.019％，Ti：0.010-0.020％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
在本申请一些实施方式中，碳当量Ceq控制在0.81-0.83。
在本申请一些实施方式中，非调质曲轴钢的抗拉疲劳强度σ＝0.30-0.40*(Re+Rm)；
其中，Re≥600MPa，Rm≥800MPa；Re为屈服强度，Rm为抗拉强度。
在本申请一些实施方式中，非调质曲轴钢的延伸率≥14％。
在本申请一些实施方式中，非调质曲轴钢中的B类夹杂物≤1.0级、D类夹杂物≤1.0级、DS类夹杂物≤0.5级。
第二方面，本申请提供一种上述的非调质曲轴钢的制备方法，包括：
第一步：转炉冶炼，将转炉终点碳含量控制在0.12-0.22％；出钢过程，喂入铝铁进行预脱氧；
第二步：LF钢包炉精炼，进行扩散脱氧和深脱氧工艺；
第三步：RH真空脱气；
第四步：连铸；以及
第五步：加热轧制。
在本申请一些实施方式中，进行扩散脱氧和深脱氧工艺的步骤，包括：在精炼前期喂入铝粒和碳化硅进行扩散脱氧，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将铝线控制在0.020％-0.025％。
在本申请一些实施方式中，第二步中，精炼中后期不允许补喂铝线。
在本申请一些实施方式中，第五步中，将钢坯加热温度控制在1225～1245℃。
在本申请一些实施方式中，第三步中，真空处理时间≥30min，真空处理后软吹时间≥25min。
本申请实施例提供的轴承钢及其制备方法的有益效果包括：
本申请实施例提供的非调质曲轴钢通过调控核心合金成分C、Mn、V，使得其取值范围在：C：0.37-0.40％，Mn：1.35-1.45％，V：0.08-0.15％，并添加一定含量Cr，控制Cr≤0.20％，确保Ceq碳当量控制在0.80-0.86。同时，添加一定含量的Ti，控制Ti：0.010-0.030％，形成了大量的Ti(C,N)第二相粒子细化晶粒，保证了钢材的屈服强度和抗拉强度，从而获得高的疲劳强度。该制备方法通过控制转炉终点碳含量，并采用预脱氧、扩散脱氧结合深脱氧的工艺，极大地降低了氧含量、使得夹杂物级别控制在较低级别，保证钢材的屈服强度和抗拉强度，从而获得高的疲劳强度。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下“％”均指质量百分比。
本申请实施方式提供一种非调质曲轴钢，以质量百分比计，非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.40％，Si：0.55-0.65％，Mn：1.35-1.45％，P≤0.018％，S：0.045-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Al≤0.030％，V：0.08-0.15％，N：0.010-0.020％，Ti：0.010-0.030％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；
非调质曲轴钢的碳当量Ceq＝C+Si/7+Mn/5+Cr/9+V/2+Ti/3，碳当量Ceq控制在0.80-0.86。
该非调质曲轴钢通过设计C、Mn、V合金成分在上述范围内，并添加一定含量Cr，控制Cr≤0.20％，确保Ceq碳当量控制在0.80-0.86；同时，添加一定含量的Ti，控制Ti：0.010-0.030％，形成了大量的Ti(C,N)第二相粒子细化晶粒，保证了钢材的屈服强度和抗拉强度，从而获得高的疲劳强度。
下面对于该非调质曲轴钢的成分C、Mn、Cr、Mo、Ti的取值范围的限定理由进行说明：
C：0.37-0.40％；
C是保证曲轴钢使用强度所必需的成分。曲轴钢需要表面强度的同时也需要足够的心部塑韧性，同时，C是影响钢的淬透性最主要的元素之一。C含量太低曲轴钢强度不够，且不能保证良好的淬透性要求；太高不能满足曲轴心部韧塑性的需求，且会导致曲轴锻件的铁素体含量偏低。因此，本申请实施方式确定C含量为0.37-0.40％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分C的取值范围在0.37-0.39％。进一步可选地，上述的化学成分C的取值范围在0.38-0.39％。示例性地，上述的化学成分Al的取值为0.37％、0.38％或者0.39％。
Mn：1.35-1.45％；
Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，是保证曲轴钢使用强度所必需的成分，同时也是影响钢的淬透性的元素之一。Mn含量小于1.35％时，强度偏低；大于1.45％，曲轴锻件容易出现贝氏体，导致组织不合格。因此，本申请实施方式确定Mn含量为1.35-1.45％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分Mn的取值范围在1.38-1.43％。进一步可选地，上述的化学成分Mn的取值范围在1.39-1.42％。示例性地，上述的化学成分Mn的取值为1.39％、1.40％或者1.41％。
Cr：≤0.25％；
Cr在钢中可以增加淬透性，并改善钢的力学性能，但是Cr过高，钢的成本增加。因此，本申请实施方式确定Cr的含量为≤0.25％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分Cr的取值范围在0.15-0.20％。进一步可选地，上述的化学成分Cr的取值范围在0.16-0.19％。示例性地，上述的化学成分Cr的取值为0.17％、0.18％或者0.19％。
Mo：≤0.20％；
Mo在钢中的性能和Cr类似，可以增加淬透性，并改善钢的力学性能，特别是提高韧性效果，但是钢中含有Mo，容易导致曲轴锻件出现贝氏体。因此，本申请实施方式确定Mo的含量≤0.20％。
在本申请一些实施方式中，上述的化学成分Mo的取值范围≤0.05％。进一步可选地，上述的化学成分Mo的取值范围在≤0.04％。示例性地，上述的化学成分Mo的取值为0.05％、0.04％或者0.03％。
Ti：0.010-0.030％；
Ti在钢中与C、N结合，形成Ti(C，N)第二相粒子，钉扎晶界，细化晶粒，提高屈服强度和抗拉强度，从而提高曲轴疲劳强度。Ti含量太高，容易在连铸冷却过程中吸出大量大尺寸液相TiN，降低曲轴疲劳强度。因此本申请实施方式确定Ti的含量≤0.030％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分Ti的取值范围在0.010-0.020％。进一步可选地，上述的化学成分Ti的取值范围在0.011-0.019％。示例性地，上述的化学成分Ti的取值为0.012％、0.014％或者0.016％。
Si：0.045-0.060％；
Si可以增加钢的强度和硬度，但是硅含量过高会导致塑性和韧性下降。本申请实施方式确定Si的含量为0.045-0.060％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分Si的取值范围在0.046-0.059％。进一步可选地，上述的化学成分Si的取值范围在0.047-0.058％。示例性地，上述的化学成分Si的取值为0.050％、0.055％或者0.056％。
V：0.08-0.15％；
钒可以细化组织晶粒，提高强度和韧性。本申请实施方式确定V的含量为0.08-0.15％。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的化学成分V的取值范围在0.09-0.14％。进一步可选地，上述的化学成分V的取值范围在0.10-0.13％。示例性地，上述的化学成分V的取值为0.11％、0.12％或者0.13％。需要说明的是，该非调质曲轴钢不允许加入Nb。
在本申请一些实施方式中，以质量百分比计，非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.39％，Si：0.56-0.64％，Mn：1.38-1.43％，P≤0.018％，S：0.046-0.059％，Cr：0.15-0.20％，Mo≤0.05％，Al≤0.030％，V：0.09-0.14％，N：0.011-0.019％，Ti：0.010-0.020％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
在本申请一些实施方式中，以质量百分比计，非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.38-0.39％，Si：0.56-0.64％，Mn：1.39-1.42％，P≤0.018％，S：0.046-0.059％，Cr：0.16-0.19％，Mo≤0.04％，Al≤0.030％，V：0.09-0.14％，N：0.011-0.019％，Ti：0.011-0.019％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，上述任一个实施方式中的非调质曲轴钢的碳当量Ceq控制在0.81-0.85。进一步可选地，非调质曲轴钢的碳当量Ceq控制在0.81-0.83。示例性地，非调质曲轴钢的碳当量Ceq控制在0.81、0.82、0.83或者0.84。
进一步地，上述任一个实施方式中的非调质曲轴钢的抗拉疲劳强度σ＝0.30-0.40*(Re+Rm)；
其中，Re≥600MPa，Rm≥800MPa；Re为屈服强度，Rm为抗拉强度。
进一步地，上述任一个实施方式中的非调质曲轴钢的延伸率≥14％。
进一步地，上述任一个实施方式中的非调质曲轴钢中的B类夹杂物≤1.0级、D类夹杂物≤1.0级、DS类夹杂物≤0.5级。
本申请一些实施方式提供一种非调质曲轴钢的制备方法，制备前述任一实施方式提供的非调质曲轴钢。
该方法通过控制转炉终点碳含量，并采用预脱氧、扩散脱氧结合深脱氧的工艺，极大地降低了氧含量、使得夹杂物级别控制在较低级别，保证了钢材的屈服强度和抗拉强度，从而获得高的疲劳强度。
第一步：转炉冶炼。
将转炉终点碳含量控制在0.12-0.22％；出钢过程，喂入铝铁进行预脱氧。
通过在转炉冶炼步骤，将转炉终点碳含量控制在0.12-0.22％，能够降低钢中的自由氧，同时在出钢过程，喂入铝铁进行预脱氧，有利于降低钢中的夹杂物。
进一步可选地，将转炉终点碳含量控制在0.13-0.21％。
示例性地，将转炉终点碳含量控制在0.13％、0.15％、0.16％、0.18％、0.20％或者0.21％。
进一步地，出钢过程，每吨钢喂入130～170kg铝铁进行预脱氧。
进一步可选地，出钢过程，每吨钢喂入140～160kg铝铁进行预脱氧。
示例性地，出钢过程，每吨钢喂入140kg、150kg或者160kg铝铁进行预脱氧。
第二步：LF钢包炉精炼，进行扩散脱氧和深脱氧工艺。
通过在LF钢包炉精炼步骤，能够降低钢中的自由氧，同时在出钢过程，喂入铝铁进行预脱氧，有利于降低钢中的夹杂物。
进一步地，进行扩散脱氧和深脱氧工艺的步骤包括：在精炼前期喂入铝粒和碳化硅进行扩散脱氧，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将铝线控制在0.020％-0.025％。
进一步地，在精炼前期喂入铝粒和碳化硅进行扩散脱氧的步骤，包括：
在精炼前期5分钟内喂入60～100kg的铝粒和80～120kg的碳化硅进行扩散脱氧。
进一步可选地，在精炼前期喂入铝粒和碳化硅进行扩散脱氧的步骤，包括：
是在精炼前期5分钟内喂入70～90kg的铝粒和90～110kg的碳化硅进行扩散脱氧。
示例性地，在精炼前期5分钟内喂入80kg的铝粒和100kg的碳化硅进行扩散脱氧。
进一步地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将铝线控制在0.020％-0.025％。
进一步可选地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将铝线控制在0.021％-0.024％。
示例性地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将铝线控制为0.021％、0.022％、0.023％或者0.024％。
进一步地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧的步骤包括，在精炼前期10分钟内喂入铝丝80～120m进行深脱氧。
进一步可选地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧的步骤包括，在精炼前期10分钟内喂入铝丝90～110m进行深脱氧。
示例性地，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧的步骤包括，在精炼前期10分钟内喂入铝丝90m、100m或者110m进行深脱氧。
进一步地，精炼中后期不允许补喂铝线。
通过控制在精炼中后期不允许补喂铝线，能够有效地防止钢中形成大量的含Al夹杂物，避免出现B类夹杂物超标。
第三步：RH真空脱气。
进一步地，RH真空脱气，真空时间≥30min。
进一步可选地，上述的真空处理选择在真空度≤20Pa进行真空处理。
通过在RH真空脱气时，真空处理时间≥30min，能够降低钢中的氧含量。
进一步地，真空处理后软吹时间≥25min。
通过真空处理后软吹≥25min，能够促进细小氧化物类夹杂物聚集上浮的去除。防止钢中生产大尺寸脆性夹杂物，降低钢的疲劳强度。
第四步：连铸。
采用本领域常规的连铸工艺进行。
第五步：加热轧制。
进一步地，将钢坯加热温度控制在1225～1245℃。
通过将钢坯加热温度控制在1225～1245℃，能够确保Ti含量与C、N形成足够Ti(C,N)第二相粒子细化晶粒。
进一步可选地，将钢坯加热温度控制在1230～1240℃。
示例性地，将钢坯加热温度控制在1230℃、1232℃、1234℃、1236℃或者1238℃。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
提供一种非调质曲轴钢，该非调质曲轴钢的化学成分见表1。按照下述步骤制备：
第一步：转炉冶炼；将转炉终点碳控制在0.12％，降低钢中的自由氧；出钢过程，喂入150kg铝铁进行预脱氧。
第二步：LF钢包炉精炼；在精炼前期5分钟内喂入80kg的铝粒和100kg的碳化硅进行扩散脱氧，同时在精炼前期10分钟内喂入铝丝100m进行深脱氧，将铝丝控制在0.020％。精炼中后期不允许补喂铝丝。
第三步：RH真空脱气；真空(≤20Pa)处理的时间≥30min，降低钢中的氧含量；真空处理后软吹时间≥25min，促进细小氧化物类夹杂物聚集上浮的去除。
第四步：连铸；
第五步：加热轧制。将钢坯加热温度控制在1235±10℃。
实施例2
提供一种非调质曲轴钢，其制备步骤基本与实施例1相同，所不同之处在于：化学成分不同，具体的化学成分见表1；以及制备步骤中工艺参数不同，主要包括第一步终点碳含量不同、第二步中加入的铝粒和铝丝的量不同，具体的工艺参数见表2。
实施例3
提供一种非调质曲轴钢，其制备步骤基本与实施例1相同，所不同之处在于：化学成分不同，具体的化学成分见表1；以及制备步骤中工艺参数不同，主要包括第一步终点碳含量不同、第二步中加入的铝粒和铝丝的量不同、第五步中铸坯加热温度和时间不同。具体的工艺参数见表2。
表1实施例1～3非调质曲轴钢熔炼成分
熔炼成分 C Si Mn P S Mo Cr Al V Ti N/ppm Ceq
实施例1 0.37 0.56 1.42 0.012 0.053 0.004 0.17 0.012 0.10 0.014 145 0.81
实施例2 0.38 0.58 1.39 0.009 0.049 0.006 0.16 0.010 0.13 0.018 162 0.83
实施例3 0.39 0.60 1.40 0.014 0.055 0.005 0.17 0.007 0.09 0.015 173 0.82
表2非调质曲轴钢主要生产工艺参数
Figure BDA0002680035750000111
对实施例1～3提供的非调质曲轴钢的性能进行检测：
疲劳强度试验条件：按照GB/T 3075-2008标准进行拉拉交变疲劳强度试验，按照GB/T 12433-2017标准进行扭转交变疲劳强度试验，试验温度为21-23℃，试样测试段的直径为10mm，试样表面粗糙度Ra≤0.2um。采用成组法进行疲劳试验，加载波形为正弦波，试验最大循环基数为1x107次。
检测结果见表3。
表3非调质曲轴钢主要性能
Figure BDA0002680035750000112
由上述表3的检测结果可以看出，本申请实施例提供的非调质曲轴钢具有良好的抗疲劳强度，并且非金属夹杂物少。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非调质曲轴钢，其特征在于，以质量百分比计，所述非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.40％，Si：0.55-0.65％，Mn：1.35-1.45％，P≤0.018％，S：0.045-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.20％，Al≤0.030％，V：0.08-0.09％，N：0.010-0.020％，Ti：0.010-0.030％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述非调质曲轴钢的碳当量Ceq＝C+Si/7+Mn/5+Cr/9+V/2+Ti/3，所述碳当量Ceq控制在0.80-0.86；所述非调质曲轴钢中的B类夹杂物≤1.0级、D类夹杂物≤1.0级、DS类夹杂物≤0.5级。
2.根据权利要求1所述的非调质曲轴钢，其特征在于，以质量百分比计，所述非调质曲轴钢的化学成分包括：
C：0.37-0.39％，Si：0.56-0.64％，Mn：1.38-1.43％，P≤0.018％，S：0.046-0.059％，Cr：0.15-0.20％，Mo≤0.05％，Al≤0.030％，V：0.08-0.09％，N：0.011-0.019％，Ti：0.010-0.020％，O≤15ppm，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的非调质曲轴钢，其特征在于，所述碳当量Ceq控制在0.81-0.83。
4.根据权利要求1所述的非调质曲轴钢，其特征在于，
所述非调质曲轴钢的抗拉疲劳强度σ＝0.30-0.40*(Re+Rm)；
其中，Re≥600MPa，Rm≥800MPa；Re为屈服强度，Rm为抗拉强度。
5.根据权利要求1所述的非调质曲轴钢，其特征在于，
所述非调质曲轴钢的延伸率≥14％。
6.一种权利要求1～5任一项所述的非调质曲轴钢的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：转炉冶炼，将转炉终点碳含量控制在0.12-0.22％；出钢过程，喂入铝铁进行预脱氧；
第二步：LF钢包炉精炼，进行扩散脱氧和深脱氧工艺；
第三步：RH真空脱气；
第四步：连铸；以及
第五步：加热轧制。
7.根据权利要求6所述的非调质曲轴钢的制备方法，其特征在于，所述进行扩散脱氧和深脱氧工艺的步骤包括：
在精炼前期喂入铝粒和碳化硅进行扩散脱氧，在精炼前期喂入铝线进行深脱氧，将所述铝线控制在0.020％-0.025％。
8.根据权利要求6所述的非调质曲轴钢的制备方法，其特征在于，
所述第二步中，精炼中后期不允许补喂铝线。
9.根据权利要求6所述的非调质曲轴钢的制备方法，其特征在于，
所述第五步中，将钢坯加热温度控制在1225～1245℃；
可选地，所述第三步中，真空处理时间≥30min，真空处理后软吹时间≥25min。
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