CN112143970B

CN112143970B - 高强高韧非调质前轴用钢及其生产方法

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Publication number: CN112143970B
Application number: CN202010916229.5A
Authority: CN
Inventors: 郝彦英; 刘运娜; 刘献达; 戴观文; 焦雪城; 白素宏; 彭飞
Original assignee: Shijiazhuang Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shijiazhuang Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: CN112143970A

Abstract

本发明公开了一种高强高韧非调质前轴用钢及其生产方法，其化学成分的质量百分含量为：C 0.21%～0.25%、Si 0.15%～0.35%、Mn 1.40%～1.60%、Cr 0.20%～0.40%、N 0.009%～0.020%、Al 0.020%～0.050%、S 0.040%～0.070%、P≤0.030%、Ni≤0.15%、V 0.11%～0.16%、Mo≤0.06%，余量为Fe和不可避免的杂质；且Fn1=0.79～0.85%，Fn2≤1.80%。本钢具有优异的强度和低温韧性，并且生产成本较低，适合在重载汽车上使用。本方法所得钢水流动性好，单中包连拉钢水量达到600吨；结晶器液面波动在±3mm之内，连铸坯表面良好；所得产品的前轴屈服强度590～650Mpa、抗拉强度850～916Mpa、断后伸长率19～23%、断面收缩率55～58%，常温冲击韧性70～90J/cm²，低温（‑50℃）冲击韧性27～45J/cm²；前轴总成疲劳寿命试验平均值达到130万次。

Description

高强高韧非调质前轴用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种非调质钢，尤其是一种高强高韧非调质前轴用钢及其生产方法。

背景技术

汽车前轴做为汽车前桥重要安保件之一，前轴在前桥总成中同时承受弯曲载荷和冲击载荷等交变应力，工作环境极差，因此要求前轴具有较高的抗弯曲疲劳强度，同时强度和韧性需要有良好的匹配。前轴制作通常选用45#、50#、40Cr、42CrMo等传统材料，这些材料制作的前轴热锻完成后需要进行调质处理，不能同时满足零件强韧性及降本的要求。

中国发明专利申请公开号CN107620001A公开了一种高疲劳寿命汽车前轴用钢的生产方法，采用42CrMo+调质制作汽车前轴；在这种工艺中，前轴必须经过调质处理，存在生产周期长、零件变形开裂废品率高，污染环境、生产成本高的缺点。

文献《12Mn2VBS非调质钢汽车前轴的开发》提出12Mn2VB代替45#调质钢生产前轴，其中C：0.10-0.16%，Mn：2.25-2.55%，前轴屈服强度660-700Mpa、抗拉强度790-812Mpa、延伸率15-19%、面缩率55-58%，常温冲击韧性75-90J/cm²。该钢成分为包晶钢范畴，含碳量为0.08%～0.17%的碳钢从液相冷却到1495℃时发生包晶反应，由于发生δFe+L→γFe转变时，线收缩系数为9.8×10-5/℃，而未发生包晶反应的δFe线收缩系数为2×10-5/℃。因此包晶反应时线收缩量较大，坯壳与结晶器器壁容易形成气隙，气隙的过早形成会导致收缩不均和坯壳厚度不均，在薄弱处容易形成裂纹，容易发生漏钢事故和铸坯表面质量缺陷，是连铸生产中较难连铸的钢种之一。包晶钢及高Mn高硫含量，造成该钢在冶金生产中存在钢材表面裂纹、内裂及钢水流动性差等冶金难点问题，同时由于晶粒粗大，前轴的强韧性配合不足。

文献《新型非调质钢在重型载货汽车前轴的应用研究》（《汽车工艺与材料》 2015年08期）提出，C含量0.22-0.28%、Mn含量1.8-2.1%，属低碳高锰含量钢种，结晶器内初生坯壳相变收缩大，Mn高降低结晶器内出生坯壳的导热性，坯壳生长较普通钢慢，在保护渣结构、钢液温度、拉坯速度和钢液面波动的情况下，易使坯壳生长不均，形成横向缺陷，Mn高易使结晶器内钢渣界面保护渣黏度降低，容易产生夹渣缺陷，因此该钢冶金生产难度较大，钢材裂纹敏感，需要修磨，生产成本高。同时该钢前轴抗拉强度975Mpa 屈服强度700-725Mpa，延伸率7%、面缩率6.5%，常温冲击韧性50J/cm²，存在强度有余，韧性不足的缺点，车辆运行过程中易出现断裂，造成事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有优异的强度和低温韧性、低成本的高强高韧非调质前轴用钢；本发明还提供了一种高强高韧非调质前轴用钢的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的化学成分的质量百分含量为：C 0.21%～0.25%、Si 0.15%～0.35%、Mn 1.40%～1.60%、Cr 0.20%～0.40%、N 0.009%～0.020%、Al0.020%～0.050%、S 0.040%～0.070%、P≤0.030%、Ni≤0.15%、V 0.11%～0.16%、Mo≤0.06%，余量为Fe和不可避免的杂质；且由下述公式（1）表示的值Fn1为0.79～0.85%，由下述公式（2）表示的Fn2为≤1.80%：

Fn1=C+0.287Mn-1.78S+0.295Cr+1.21V （1）

Fn2=Mn+Cr （2）

所述公式（1）、公式（2）中的各元素标号，表示各元素的质量%的含量。

本发明各化学成分在钢中的作用机理为：

（1）化学元素：

C：提高钢材硬度和强度的主要元素，C含量高，珠光体含量增多，零部件塑韧性变差，硬度上升，切削性能变差；因此C含量在0.21%～0.25%。

Si：钢中的脱氧剂，在铁中的固溶度较大，显著强化铁素体，是保证强度和屈强比的必须元素，因此需要含有0.15%以上的Si，另一方面，Si含量高，引起铁素体基体变脆，韧性下降。因此Si含量在0.15%～0.35%，

Mn：珠光体形成元素，可降低相变温度，对强度和韧性均有良好作用；但Mn含量超过1.60%，有促进钢贝氏体化的作用，降低钢材组织及硬度均匀性，造成加工性能下降。因此Mn含量在1.40%～1.60%。

Cr：降低珠光体转变温度的合金元素，本发明中Cr、Mn同时加入，可有效降低珠光体片层间距，提高钢材强度和韧性；但Cr含量过高则容易形成贝氏体，降低钢材组织及硬度均匀性，恶化加工性能。因此Cr设为0.20%～0.40%。

N：最经济有效的合金化元素，可以通过与Al、C等结合形成AlN、V(C、N)加强非调质中微合金元素的沉淀强化及细化晶粒效果，代替贵重合金V的作用，达到低成本的目的。但是N含量过高容易生产较多的AlN增大连铸坯裂纹敏感性，同时增加钢种TiN夹杂的含量及尺寸，损害钢材韧性，同时含量达到0.020%，上述强化效果饱和。因此N含量在0.009%～0.020%。

Al：有使钢脱氧的效果，与N结合形成AlN粒子细化晶粒，利于提高强韧性；但Al含量过高容易引起连铸时流动性变差，连铸坯容易产生裂纹，增大钢的冶炼难度，因此Al含量在0.020%～0.050%。

S与Mn：一起形成MnS，提高钢的切削性能，为了得到这个效果，S的含量有必要在0.040%以上。但S含量超过0.070%，钢的热加工性能变差，偏析指数增加。因此S含量设为0.040～0.070%。

P：钢中杂质元素，在钢中大量存在会增加钢的脆性，降低冲击性能，将P元素含量控制在0.030%以下，可以防止降低钢的综合性能。

Ni：非碳化物形成元素，以固溶形式存在于钢中，降低Ar3转变温度，使铁素体晶粒变细，珠光体片间距减小，利于韧性的提高。但Ni为贵重合金，本发明是一种低成本非调质钢，因此Ni含量在0.15%以下。

Mo：提高钢的淬透性，Mo可明显推迟C曲线上半部分珠光体的转变区域，而对C曲线下半部分贝氏体转变区域推迟作用相对较弱，当钢中Mo含量高时，钢中容易出现贝氏体组织，在钢中形成硬点，恶化钢的加工性能，因此Mo≤0.6%。

V：V与C/N结合形成碳氮化物，是非调质钢中添加的主要微合金元素，它在加热和均热阶段溶解到奥氏体中，在冷却时弥散沉淀析出增加钢的强度、硬度，同时细化晶粒来提高韧性。但V是贵重合金，会造成设计钢种的成本增加，因此V含量在0.11～0.16%。

（2）Fn1和 Fn2：

Fn1：衡量非调质钢强度的一个公式。Fn1大时，钢材的强度高同时疲劳强度高但韧性下降，且易出现贝氏体组织，影响加工性能。Fn1小时不能满足零件的疲劳强度，因此控制在0.79-0.85%之间。

Fn2：Mn和Cr通过多种机制，有效提高钢的强度，但Mn、Cr超过一定量时，钢材易产生内裂、表面裂纹，造成冶金生产难度增大，成本增加，因此控制Mn+Cr≤1.80%。

本发明方法包括转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸和工序；所述转炉冶炼工序：炉前控制终点碳≤0.07wt%、终点P≤0.015wt%，终点温度≥1620℃；出钢配合金控制在2.5～3.5t；出钢加白灰200～400kg/炉、预熔渣200～400kg/炉；炉前挡渣出钢，出钢加钢芯铝100～200kg/炉。

本发明方法所述LF精炼工序：精炼过程分批添加碳化硅扩散脱氧，前期造碱度为4.0以上炉渣脱氧、精炼中后期变1.2～1.8的低碱度渣；根据过程成分情况，分批加入剩余所需要合金，白渣下加入钒铁调整V含量；吊包温度：△T＝120～160℃；

本发明方法所述VD真空处理工序：保67Pa以下真空时间10～12min；软吹时间15～40min；SiCa线喂入量20～50米，吊包温度：△T＝45～90℃；

本发明方法所述连铸工序：拉速：0.45～0.55m/min，目标0.53m/min；比水量：0.18～0.23，目标0.20；结晶器电搅： 200±10A/2.2±0.1Hz；末搅电搅： 130±10A/8±0.1Hz；冷却方式：坑冷36小时及以上；

本发明方法所述轧制工序：加热炉进出钢节奏≥2.6分钟/支，预热段≤700℃，控制其他各区加热温度保证开轧温度1050～1140℃。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明具有优异的强度和低温韧性，并且生产成本较低，适合在重载汽车上使用。

本发明方法即使省略热锻造后的调质处理也具有较高的强度、韧性的非调质钢，尤其具有良好的低温韧性，并适合在重载汽车上使用；同时具有生产操作简单，表面质量良好，低成本的特点。

本发明方法所得钢水流动性好，单中包连拉钢水量达到600吨；结晶器液面波动在±3mm之内，连铸坯表面良好；所得产品的前轴屈服强度590～650Mpa、抗拉强度850～916Mpa、断后伸长率19～23%、断面收缩率55～58%，常温冲击韧性70～90J/cm²，低温（-50℃）冲击韧性27～45J/cm²；前轴总成疲劳寿命试验平均值达到130万次。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1 是实施例1 所得连铸坯的表面照片。

具体实施方式

实施例1－8：本高强高韧非调质前轴用钢的化学成分以及生产方法如下所述。

（1）转炉冶炼工序：按合金增碳0.03wt%、精炼增碳0.03wt%、连铸增碳0.01wt%计算，出炉前控制终点C≤0.07wt%、终点P≤0.015wt%、终点温度≥1620℃；根据成分目标，出钢配合金（硅铁、低锰、低铬）控制在2.5～3.5t。出钢加白灰200～400Kg/炉、预熔渣200～400Kg/炉；炉前挡渣出钢，出钢加钢芯铝100～200Kg/炉。各实施例转炉冶炼工序的具体工艺见表1。

表1：各实施例转炉冶炼工艺

（2）精炼工序：精炼过程分批添加碳化硅扩散脱氧，前期造碱度为4.0及以上炉渣脱氧、精炼中后期变碱度1.2～1.8的低碱度渣；根据过程成分情况，分批加入剩余所需要合金，白渣下加入钒铁调整V含量；吊包温度：△T＝120～160℃。

（3）VD真空处理工序：保67Pa以下真空时间10～12min；软吹时间15～40min；SiCa线喂入量20～50米，吊包温度：△T＝45～90℃。各实施例精炼和VD真空处理工序的具体工艺见表2。

表2：各实施例精炼和VD真空处理工艺

（4）连铸工序：拉速0.45～0.55m/min、目标0.53m/min；比水量 0.18～0.23、目标0.20；结晶器电搅：200±10A/2.2±0.1Hz；末端电磁搅拌：130±10A/8±0.1Hz；冷却方式：坑冷36小时及以上。

（5）轧制工序：加热炉进出钢节奏≥2.6分钟/支，预热段≤700℃，控制其他各区加热温度保证开轧温度1050～1140℃。

各区温度：ZONE21：750～850℃、ZONE19：850～950℃ 、ZONE17：900～1000℃、ZONE15：1000～1100℃、ZONE13：1080～1180℃、ZONE11：1100～1200℃、ZONE9： 1120～1240℃、ZONE7：1160～1240℃、ZONE5：1170～1250℃、ZONE3：1170～1240℃、ZONE1：1170～1240℃；底部温度大于顶部温度：10～30℃。

各实施例连铸和轧制工序的具体工艺见表3。

表3：各实施例连铸和轧制工艺

（6）各实施例所得非调质前轴用钢的化学成分见表4，

表4：各实施例成品的化学成分（wt%）

（7）图1为实施例1 所得连铸坯的表面照片，由图1可见，本方法所得连铸坯的表面良好；各实施例所得非调质前轴用钢的力学性能见表5。

表5：各实施例成品的力学性能

。

Claims

1.一种高强高韧非调质前轴用钢的生产方法，其特征在于：其包括转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸和轧制工序；所述转炉冶炼工序：炉前控制终点碳≤0.07wt%、终点P≤0.015wt%，终点温度≥1620℃；出钢配合金控制在2.5～3.5t；出钢加白灰200～400kg/炉、预熔渣200～400kg/炉；炉前挡渣出钢，出钢加钢芯铝100～200kg/炉；

所述LF精炼工序：精炼过程分批添加碳化硅扩散脱氧，前期造碱度为4.0以上炉渣脱氧、精炼中后期变1.2～1.8的低碱度渣；根据过程成分情况，分批加入剩余所需要合金，白渣下加入钒铁调整V含量；吊包温度：△T＝120～160℃；

所述VD真空处理工序：保67Pa以下真空时间10～12min；软吹时间15～40min；SiCa线喂入量20～50米，吊包温度：△T＝45～90℃；

所述连铸工序：拉速：0.45～0.55m/min，目标0.53m/min；比水量： 0.18～0.23，目标0.20；结晶器电搅： 200±10A/2.2±0.1Hz；末搅电搅： 130±10A/8±0.1Hz；冷却方式：坑冷36小时及以上；

所述轧制工序：加热炉进出钢节奏≥2.6分钟/支，预热段≤700℃，控制其他各区加热温度保证开轧温度1050～1140℃；

所述高强高韧非调质前轴用钢化学成分的质量百分含量为：C 0.21%～0.25%、Si0.15%～0.35%、Mn 1.40%～1.60%、Cr 0.20%～0.40%、N 0.009%～0.020%、Al 0.020%～0.050%、S 0.040%～0.070%、P≤0.030%、Ni≤0.15%、V 0.11%～0.16%、Mo≤0.06%，余量为Fe和不可避免的杂质；且Fn1=0.79～0.85%，Fn2≤1.80%；

所述钢的前轴屈服强度590～650Mpa、抗拉强度850～916Mpa、断后伸长率19～23%、断面收缩率55～58%，常温冲击韧性70～90J/cm²，-50℃冲击韧性27～45J/cm²；前轴总成疲劳寿命试验平均值达到130万次。