CN112981229A

CN112981229A - 一种耐高温细晶空心传动半轴用中碳圆钢及其制造方法

Info

Publication number: CN112981229A
Application number: CN202110075294.4A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 张磊; 汤敏浩; 孙艺凡
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明涉及一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，化学成分按质量百分比包括C：0.30～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.60～0.95％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：≤0.40％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤0.05％，Al：0.005～0.050％，V：0.05～0.10％，N：0.005～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢中的Al、V元素与N元素形成化合物，并在晶界处析出。本发明制备得到的圆钢按照“1250～1300℃步进式加热炉加热后穿管/空冷→冷拔→正火热处理”的生产工艺，穿管后尺寸为外径φ40～60mm×内径φ35～55mm的轴管。管壁上实际晶粒度达到6级以上，且均匀无混晶。

Description

一种耐高温细晶空心传动半轴用中碳圆钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温细晶空心传动半轴用中碳圆钢及其制造方法。属于冶金行业技术领域。

背景技术

汽车传动系统，是汽车底盘中重要的一部分，是负责汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置。它保证了汽车在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速，以及保证牵引力与车速之间协调变化等功能，使汽车具有良好的动力性和燃油经济性；还保证汽车能倒车，以及左、右驱动轮能适应差速要求。

乘用车普遍采用半轴作为传递动力的主要零部件，半轴是变速箱减速器与驱动轮之间传递扭矩的轴，其内外端各有一个万向节，分别通过万向节上的花键与减速器齿轮及轮毂轴承内圈连接。目前，半轴主要使用热轧圆钢棒材，经过机加工和表面感应热处理的工艺制造，因此是实心轴。

随着汽车工业的发展和消费者节能环保意识的增强，节能成为汽车制造业发展的方向之一，汽车轻量化逐步为各大汽车制造厂商重视。在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

轻量化对汽车传动半轴提出了以下要求：

1、空心化

通过用空心管轴代替实心轴，降低整体质量，从而降低能耗。

2、高强度

空心化的同时，要求管轴具有高强度，从而保证汽车的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种耐高温细晶空心传动半轴用中碳圆钢及其制造方法，通过合理的化学成分设计，尤其是合理的Al、V、N元素配比，显著提高中碳圆钢经过高温(＞1250℃)热穿管之后管轴的晶粒度，从而确保空心半轴实现轻量化的同时还具有高强度，满足零件的设计和使用要求，确保车辆安全性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，化学成分按质量百分比包括C：0.30～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.60～0.95％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：≤0.40％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤0.05％，Al：0.005～0.050％，V：0.05～0.10％，N：0.005～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本申请钢中所有的Al元素、V元素和N元素形成化合物，并在晶界处析出。钢中Al:N的质量分数比值为Al：N＝0.5～3.5，V：N＝2.0～7.0。

本发明微合金中碳钢的化学成分设计依据入如下：

1)C含量的确定

C作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的中心偏析、塑韧性和焊接性能带来不利影响；本发明C含量的范围确定为0.30～0.40％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；

2)Si含量的确定

此处的Si为强化铁素体，可提高材料的基体强度，对材料屈服强度和抗拉强度有显著贡献。本发明的Si含量范围确定为0.10～0.50％；

3)Mn含量的确定

此处Mn通过固溶强化能提高钢的抗拉强度，同时提高钢材淬透性，而且作为炼钢过程的脱氧元素，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和 (Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生成；但是Mn元素属于易偏析元素，含量过高会造成钢材中心偏析严重；本发明Mn含量的范围确定为0.60-0.95％；

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr可以提高淬透性。钢中的Cr，部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度；Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度；但是，Cr含量过高，会与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的塑韧性降低；且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用。综合考虑以上因素，本发明Cr含量的范围确定为≤0.40％；

5)Al含量的确定

Al元素与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al2O3等脆性夹杂，降低钢水纯净度；同时Al还作为钢中脱氧元素加入，降低了钢水中的溶解氧；本发明Al含量的范围确定为0.005-0.050％；

6)S元素的确定

S元素，会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，增加钢材中心偏析；本发明S含量的范围确定为≤0.010％；

7)P含量的确定

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.010％；

8)V元素的确定

V元素在钢中具有较高的溶解度，是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一，形成V(C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性。由于V(C，N)的析出，促进了晶内铁素体的形成，使铁素体和珠光体均匀分布在晶界与晶内，晶粒明显细化。本发明V含量的范围确定为0.05～ 0.10％；

9)N含量的确定

钢中的Al元素需要与N结合，形成氮化物，才能发挥提高强度、细化晶粒的作用，因此需要适量的N元素，根据Al的含量及相应氮化物的化学计量配比，确定本发明N 含量的范围确定为0.005～0.050％。

10)Al、V、N元素的配比

钢中Al、V元素与N元素按照以下化学方程式发生反应，形成化合物。

2Al+N₂＝2AlN

V+N＝VN

根据Al、V、N元素的原子量，以及以上反应方程式，选择合理的Al、V、N配比，使钢中的Al元素和V元素尽可能多得与N元素形成化合物，并在后续加热轧制过程中在晶界处析出，对晶界起到了钉扎作用，保证了空心半轴管壁的晶粒度细小均匀，且通过细晶强化有效提高了圆钢和零件的强度。

N元素的含量决定了Al和V转变为氮化物的量，因此合理的Al、N元素含量配比，可以最大程度地发挥化合物钉扎晶界和细晶强化的效果，从而使中碳圆钢经过高温加热穿管后仍然具有细小均匀的晶粒度，同时保证空心半轴强度。如果没有足够的N元素， Al、V元素会以氧化物或固溶体形式存在，无论是氧化物还是固溶体，均无法起到细晶强化的作用；同时氧化铝是钢中典型的内生非金属夹杂物，对钢材纯净度有不利影响。因此，为了使Al、V元素充分发挥作用，必须添加足够且适量的氮元素与之发生反应形成氮化物。

钢材轧制过程中，将连铸坯加热至1000-1100℃，总在炉加热时间不大于3小时，连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制；使用往复式轧机进行粗轧，轧制8～15道次，轧制成中间坯；再使用连轧机精轧，轧制10～15道次，轧制成品尺寸φ30～90mm圆钢。通过合理的连铸坯加热温度、在炉保温时间，保证全截面温度到位，让氮化物充分析出细化晶粒，钉扎组织，细化晶粒，同时避免过热导致的晶粒粗化和严重脱碳；通过合理的轧制道次设计与轧制速率，确保终轧温度，避免轧制过程中温降过快导致氮化物析出受阻，从而保证了圆钢晶粒度细小均匀。

具体地，上述耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制备方法，主要流程为电炉或转炉初炼→炉外精炼及VD或RH真空脱气→连铸浇铸→往复式轧机和或连轧轧机轧制→锯切或剪切断料→冷床冷却→表面及内部探伤→成品检验包装，主要生产工序的具体要求如下

(1)采用微合金化生产技术，调整合金成分及含量，通过提高Al、V含量，调节N 含量，提高钢材奥氏体晶粒度；选择合理的Al、V含量与N匹配，实现细晶强化；

(2)在“电炉或转炉初炼”和“炉外精炼及VD或RH真空脱气”生产过程中，采用多项纯净钢冶炼技术，包括热装铁水生产技术，减少有害元素，缩短生产时间，节约能源；加强精炼过程的脱氧，保证钢中残铝量，利用钢水中良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量；采用专家判定系统，对生产的连铸坯的质量进行综合判定，保证产品的表面质量；采用大包下渣检测技术，控制大包炉渣流入连铸中间包以免污染钢水，提高钢水纯净度；

(3)钢材轧制过程中，将连铸坯加热至1050-1150℃，总在炉加热时间不大于3小时，在确保连铸坯芯部温度与表面一致的前提下避免晶粒粗大和脱碳严重；连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制，轧制包括往复式轧机粗轧和连轧机精轧两步，粗轧开轧温度1000-1100℃，平均道次压缩比1-1.15，粗轧6-15道次，通过合理的道次设计分配有效破碎连铸坯的柱状晶和芯部粗大等轴晶，形成细小晶粒，为后续轧制棒材提供良好组织基础，通过上述道次分配轧制成(200mm×200mm)的中间坯尺寸，粗轧结束后堆缓冷，缓冷至室温；再使用连轧机精轧，精轧前使用步进式连续加热炉，将粗坯加热到 1000-1100℃，开轧温度950-1050℃，平均道次压缩比1.1-1.2，轧制10～15道次，保证轧制过程的每道次压下量可以有效破碎晶粒，避免棒材芯部产生粗大晶粒，轧制成品尺寸φ30～90mm圆钢，保证终轧温度高于900℃，实现冷床上快速冷却，形成细晶组织。

(4)锯切或剪切定尺断料；

(5)冷床冷却，圆钢离开冷床温度需≤400℃；

(6)表面及内部探伤，表面探伤要求缺陷深度≤0.30mm；内部探伤要求满足 GB/T4162中A级标准要求；

(7)成品检验包装。

本发明所得的φ30～90mm耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，达到以下技术要求：

(1)圆钢的金相组织为铁素体和珠光体组织，奥氏体晶粒度≥5级，非金属夹杂物A细≤1.5级，A粗≤1.5级，B细≤1.5级，B粗≤1.0级，C细≤1.0级，C粗≤1.0级， D细≤1.5级，D粗≤1.0级，Ds≤1.0级。

(2)圆钢经过高温(＞1250℃)加热穿管后，空心半轴的管壁上，实际晶粒度5-8级；抗拉强度≥700N/mm²；延伸率≥10％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提出一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢及其连铸制造方法，通过改进成分设计，尤其是优化Mn、Si、Al、V、N元素配比，既保证了中碳圆钢棒材的奥氏体晶粒度≥5级，又保证了经过1200℃以上高温穿管加工后，空心半轴的管壁上实际晶粒度仍然在5～8级，从而确保了空心半轴的抗拉强度和延伸率满足标准要求，零件具有优良的强韧性。

通过合理的炼钢和轧制工艺，运用了多项国内外先进的特殊钢生产技术，实现了化学成分精确控制，同时确保了此耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的纯净度，避免了由于钢材内部存在异常的非金属夹杂物等冶金缺陷，引起空心半轴的异常失效。

本发明φ30～90mm耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，在合理优化前提下，满足了空心传动管轴用中碳圆钢的各项要求，可以广泛应用于汽车传动系统零部件的制造，并具有进一步推广的意义。

附图说明

图1为本发明实施例1圆钢奥氏体晶粒度照片；

图2为本发明实施例1经过高温工艺穿管后管壁的晶粒度照片；

图3为本发明实施例2圆钢奥氏体晶粒度照片；

图4为本发明实施例2经过高温工艺穿管后管壁的晶粒度照片；

图5为本发明实施例3圆钢奥氏体晶粒度照片；

图6为本发明实施例3经过高温工艺穿管后管壁的晶粒度照片。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，截面尺寸390mm×510mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计：C：0.31％，Si：19％，Mn： 0.63％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.32％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤ 0.05％，Al：0.010％，V：0.09％，N：0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

将连铸坯加热至1050-1150℃，总在炉加热时间不大于3小时，连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制；使用往复式轧机进行粗轧，开轧温度1000-1100℃，单道次平均压缩比1.1，最大压缩比1.15，轧制11道次，轧制成195mm×195mm的中间尺寸，再经过加热，使用连轧机精轧，轧制11道次，轧制成品尺寸φ45mm圆钢。

钢材冷却后，取样检验圆钢棒材的各项性能参数，其中奥氏体晶粒度达到7级。

棒材按照“1250～1300℃步进式加热炉加热后穿管/空冷→冷拔→正火热处理”的生产工艺，穿管后尺寸为外径φ45mm×内径φ40mm的轴管。管壁上实际晶粒度达到7 级以上，且均匀无混晶。

实施例2

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，截面尺寸390mm×510mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计：C：0.32％，Si：20％，Mn：0.65％， P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.31％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤0.05％， Al：0.012％，V：0.08％，N：0.011％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

将连铸坯加热至1050-1150℃，总在炉加热时间不大于3小时，连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制；使用往复式轧机进行粗轧，开轧温度1000-1100℃，单道次平均压缩比1.1，最大压缩比1.15，轧制11道次，轧制成195mm×195mm的中间尺寸，再经过加热，使用连轧机精轧，轧制11道次，轧制成品尺寸φ55mm圆钢。

钢材冷却后，取样检验圆钢棒材的各项性能参数，其中奥氏体晶粒度达到6.5级。

棒材按照“1250～1300℃步进式加热炉加热后穿管/空冷→冷拔→正火热处理”的生产工艺，穿管后尺寸为外径φ48mm×内径φ43mm的轴管。管壁上实际晶粒度达到7 级以上，且均匀无混晶。

实施例3

熔炼100吨下述所示化学成分组成的钢，进行连续铸造，截面尺寸390mm×510mm的连铸坯，所得连铸坯的化学成分按照质量百分比计：C：0.30％，Si：20％，Mn：0.62％， P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.33％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤0.05％， Al：0.011％，V：0.10％，N：0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

将连铸坯加热至1050-1150℃，总在炉加热时间不大于3小时，连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制；使用往复式轧机进行粗轧，开轧温度1000-1100℃，单道次平均压缩比1.1，最大压缩比1.15，轧制11道次，轧制成195mm×195mm的中间尺寸，再经过加热，使用连轧机精轧，轧制11道次，轧制成品尺寸φ68mm圆钢。

棒材按照“1250～1300℃步进式加热炉加热后穿管/空冷→冷拔→正火热处理”的生产工艺，穿管后尺寸为外径φ60mm×内径φ55mm的轴管。管壁上实际晶粒度达到6.5 级以上，且均匀无混晶。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，其特征在于：所述圆钢的化学成分按质量百分比包括C：0.30～0.40％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.60～0.95％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：≤0.40％，Ni：≤0.05％，Cu：≤0.05％，Mo：≤0.05％，Al：0.005～0.050％，V：0.05～0.10％，N：0.005～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，其特征在于：所述圆钢中所有的Al元素和V元素分别与N元素形成化合物，并在晶界处析出，钢中Al:N的质量分数比值为Al：N＝0.5～3.5，V：N＝2.0～7.0。

3.根据权利要求2所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，其特征在于：所述圆钢中Al、V元素与N元素按照2Al+N₂＝2AlN，V+N＝VN的化学方程式发生反应，形成化合物。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，其特征在于：所述圆钢的金相组织为铁素体和珠光体组织，奥氏体晶粒度≥5级，非金属夹杂物A细≤1.5级，A粗≤1.5级，B细≤1.5级，B粗≤1.0级，C细≤1.0级，C粗≤1.0级，D细≤1.5级，D粗≤1.0级，Ds≤1.0级。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢，其特征在于：所述圆钢经过高温(＞1250℃)加热穿管后，空心半轴的管壁上，实际晶粒度5-8级；抗拉强度≥700N/mm²；延伸率≥10％。

6.一种如权利要求1所述的耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制造方法，其特征在于：主要流程为电炉或转炉初炼→炉外精炼及VD或RH真空脱气→连铸浇铸→往复式轧机和或连轧轧机轧制→锯切或剪切断料→冷床冷却→表面及内部探伤→成品检验包装。

7.根据权利要求6所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制造方法，其特征在于：采用微合金化生产技术，调整合金成分及含量，通过提高Al、V含量，调节N含量，提高钢材奥氏体晶粒度；选择合理的Al、V含量与N匹配，实现细晶强化。

8.根据权利要求6所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制造方法，其特征在于：在电炉或转炉初炼和炉外精炼及VD或RH真空脱气生产过程中，采用多项纯净钢冶炼技术，包括热装铁水生产技术，减少有害元素，缩短生产时间，节约能源；加强精炼过程的脱氧，保证钢中残铝量，利用钢水中良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量；采用专家判定系统，对生产的连铸坯的质量进行综合判定，保证产品的表面质量；采用大包下渣检测技术，控制大包炉渣流入连铸中间包以免污染钢水，提高钢水纯净度。

9.根据权利要求6所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制造方法，其特征在于：钢材轧制过程中，将连铸坯加热至1050-1150℃，总在炉加热时间不大于3小时，连铸坯出炉后经高压水除鳞后进行轧制，轧制包括往复式轧机粗轧和连轧机精轧两步，粗轧开轧温度1000-1100℃，平均道次压缩比1-1.15，粗轧6-15道次，轧制成中间坯尺寸，粗轧结束后堆缓冷，缓冷至室温；再使用连轧机精轧，精轧前使用步进式连续加热炉，将粗坯加热到1000-1100℃，开轧温度950-1050℃，平均道次压缩比1.1-1.2，轧制10～15道次，轧制成品尺寸φ30～90mm圆钢，保证终轧温度高于900℃。

10.根据权利要求6所述的一种耐高温细晶空心汽车传动半轴用中碳圆钢的制造方法，其特征在于：热轧后圆钢在冷床快速冷却，圆钢离开冷床温度≤400℃。