CN112981236B

CN112981236B - 一种等速万向节内滚道用钢及其生产方法

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Publication number: CN112981236B
Application number: CN202110108478.6A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 李锋; 耿克; 吴小林; 尹青; 李文彬
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: WO2022160536A1; CN112981236A

Abstract

本发明涉及一种等速万向节内滚道用钢及其生产方法，钢的化学成分wt％为C：0.15～0.25％，Si：0.01～0.15％，Mn：0.25～0.75％，Cr：0.80～1.30％，B：0.001～0.003％，Ti：0.010～0.040％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—退火—精整。钢的硬度≤80HRB；显微组织为铁素体+珠光体；钢材的奥氏体晶粒度≥6级；钢材带状组织按GB/T 13299评级，不超过2.0级。钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，满足J5点：36‑44HRC，J13点：24‑32HRC。属于一种新的万向节内滚道用渗碳钢材，满足万向节内滚道用钢材的淬透性、耐磨性及冷锻性能。

Description

一种等速万向节内滚道用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种等速万向节内滚道(星形套)用渗碳钢及生产方法。

背景技术

万向节是汽车传动系统的重要部件，在汽车传动系及其它系统中，为了实现一些轴线相交或相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，必须采用万向传动装置。目前，轿车上常用的等速万向节是球笼式万向节，球笼式万向节的作用是将发动机的动力从变速器传递到两个前车轮，驱动轿车高速行驶。它主要有外滚道(球形壳)、内滚道(星形套)、保持架(球笼)、钢珠等主要零件组成。由于等速万向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大，又是安全件，因此其主要零件均采用精锻件加工而成。

现代汽车工业的竞争日趋激烈，对汽车的动力性、操作性、舒适性及安全性有更高的要求，再加上能源及环境方法的要求，所以在设计汽车重要功能性零部件时，必须综合考虑其安全性、功能性、经济性和排放等重要指标，因而对材料提出更高的要求，要求材料在确保性能的前提下更加轻质化。对于汽车用万向节内滚道而言，部件起传动及支撑的作用，还承受交变载荷应力长期作用，因此材料必须具备足够的耐磨性、抗疲劳性及良好的韧性。

当前等速万向节内滚道通常选用材料为20CrNiMo，常用加工方式为棒材下料-热锻造成型-机加工-渗碳淬火热处理-磨加工。热锻时材料塑性好，利于成型，但加工精度低，材料利用率低，能耗高。而冷锻成型后车削量少、材料利用率高，节约能源，降低生产成本，但由于等速万向节内滚道变形率大，若采用冷锻，对材料的冷锻性能提出苛刻的要求，即要求材料具备良好的塑性和韧性，同时根据万向节内滚道的使用要求，还需具备良好的耐磨性和一定的淬透性。

此外，钢中的非金属夹杂物会破坏金属的连续性和均匀性。根据使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，容易形成裂纹，降低产品的使用寿命。为提高最终产品的使用寿命，必须提高钢材纯净度，尽可能降低钢中非金属夹杂物。

目前的20CrNiMo钢，其合金含量高，生产成本高，而且由于合金含量高，热轧棒材的原始组织除铁素体+珠光体外，往往还有贝氏体组织，硬度高，塑性差，不适于冷锻用途。

发明内容

为克服现有20CrNiMo钢作为等速万向节内滚道用钢的缺点，本发明提出一种等速万向节内滚道用渗碳钢，协调材料的淬透性和冷锻特性。调节该材料的热轧态原始组织为铁素体+珠光体，同时在成分设计时采用低硅钢的设计，在确保材料淬透性的同时满足材料的冷锻加工性能。

本申请钢材的主要技术指标如下：

硬度≤80HRB，显微组织为铁素体+珠光体，钢材的奥氏体晶粒度≥6级；钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，满足J5点：36-44HRC，J13点：24-32HRC；钢材带状组织按GB/T 13299评级，不超过2.0级；非金属夹杂物按GB/T 10561A法检验，其中脆性不可变形夹杂物B细≤1.5级、B粗≤1.0级、D细≤1.0级、D粗≤0.5级、Ds≤1.0级。前述性能更适应冷锻加工。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种等速万向节内滚道用钢，化学成分wt％为C：0.15～0.25％，Si：0.01～0.15％，Mn：0.25～0.75％，Cr：0.80～1.30％，B：0.001～0.003％，Ti：0.010～0.040％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Mo≤0.20％，Cu≤0.30％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述化学成分的设置依据/原理如下：

1)C含量的确定

C是确保钢材耐磨性所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，从而提高它的硬度和强度，进而提高耐磨性。但过高的C含量对钢的韧性不利。另外，过高的C含量也会导致严重的中心C偏析从而影响钢材的芯部韧性。本发明控制其含量为0.15～0.25％。

2)Si含量的确定

Si为本发明中的关键元素。Si固溶在铁素体相中，有较强的固溶强化作用，能显著提高铁素体强度，但同时降低铁素体的塑性和韧性。Si在炼钢时作为脱氧元素添加到钢材中。本发明用于冷锻万向节内滚道用钢，要求材料有良好的冷锻性能，也就是要求钢中铁素体优良的塑性和韧性。因此，本发明的钢材Si含量要尽量低，目的是尽量降低铁素体中固溶的Si含量，发挥铁素体的塑性极限，所以Si含量的设定范围0.01～0.15％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，起固溶强化作用。而且Mn能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn能消除S(硫)的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。但Mn含量高，会降低钢的韧性。本发明的Mn含量控制在0.25～0.75％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。但Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用，综上分析，本发明Cr含量的范围确定为0.80-1.30％。

5)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时，钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al₂O₃等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响成品的使用寿命。本发明Al含量的范围确定为≤0.05％。

6)B含量的确定

B能提高钢的淬透性，还能提高钢的高温强度，并且在钢中能起到强化晶界的作用，本发明B含量的范围确定为0.001-0.003％。

7)Ti含量的确定

钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒。但Ti在钢中会形成碳氮化钛夹杂物，这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响材料的疲劳寿命，本发明Ti含量的范围确定为0.01-0.04％。

8)Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

9)O含量的确定

氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0010％。

10)P、S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≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，但S能提高钢材的切削性能，本发明S含量的范围确定为≤0.015％。

11)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

本发明的另一目的是要提供一种等速万向节内滚道用钢的生产方法，生产流程：初炼(电炉或转炉)—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连轧—软化退火—精整—打件入库。

主要生产工艺特点如下：

采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。在钢水冶炼过程中采用二次造渣并加强脱氧操作，为了适应低硅钢的生产要求，精炼时脱氧应避免加入含硅的脱氧剂和合金，脱氧采用Al脱氧，初炼出钢时应防止下渣，初炼出钢后到精炼的第一个样的Al含量控制在0.040-0.060％，整个精炼过程Al含量维持在0.025％-0.045％之间，最终保证真空脱气结束后成品Al含量控制在0.015％-0.030％之间，通过钢水冶炼过程中对钢水Al含量的控制间接的将氧含量控制到设计水平。真空脱气后应经进行软吹氩处理，调节氩气流量使钢水液面产生轻微波动即可，软吹氩时间不低于25min，保证非金属夹杂物充分上浮。

连铸全过程采用防氧化保护浇注，隔绝钢水和空气防止二次氧化，并通过保护渣(低碳钢用的保护渣)吸附夹杂物，连铸过热度为15-35℃，连铸过程采用末端电磁搅拌、轻压下操作以控制钢材的偏析。

连铸坯入坑缓冷，防止连铸坯开裂，缓冷48小时以上。

连轧前将连铸坯送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热，设置：预热段温度650-900℃，加热段温度1000-1180℃，均热段温度1100-1200℃，总加热时间在180min以上，其中均热段保温时间在110min以上。

连轧的开轧温度1000℃-1100℃，终轧温度920℃以上，使整个轧制过程都在奥氏体单相区进行，最终轧制成圆钢，轧制完成后圆钢在冷床上缓慢冷却，冷却速度≤10℃/min，使钢中AlN质点细小、均匀、充分析出，从而细化晶粒并防止钢材出现混晶，同时确保钢材进行铁素体+珠光体转变，避免因冷速过快产生贝氏体或马氏体组织。

为保证钢材的交货硬度，对连轧后的圆钢进行软化退火，软化退火是将轧后圆钢加热到低于再结晶温度并保温，使组织发生恢复，软化退火过程中微观结构不变，目的是将硬度降低至≤80HRB。软化退火温度为500-650℃，保温时间为10h以上，之后随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明在成分设计时采用低硅钢的设计，并保证钢材的显微组织及硬度要求，在确保材料淬透性的同时满足材料的冷锻性能。

2)本发明另一关键在于对钢材纯净度和偏析的控制，有效满足万向节内滚道用钢抗疲劳的使用要求。

本申请发明了一种新的万向节内滚道用渗碳钢材，满足万向节内滚道用钢材的淬透性、耐磨性及冷锻性能。

附图说明

图1为本发明实施例的典型金相组织图100×；

图2为本发明实施例的典型金相组织图1000×；

图3为对比例的金相组织图100×；

图4为对比例的金相组织图1000×。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明各实施例的化学成分(wt％)见表1、表2。并与对比钢20CrNiMo的化学成分做对比。

表1

表2

	实施例	Mo	As	Sn	Sb	Pb	Ca	Ti	O
										本发明	1	0.01	0.002	0.003	0.002	0.001	0.0002	0.024	0.0008
本发明	2	0.02	0.003	0.002	0.002	0.001	0.0002	0.025	0.00078
										本发明	3	0.01	0.002	0.002	0.001	0.002	0.0001	0.027	0.00073
对比钢		<u>0.2</u>5	0.003	0.006	0.002	0.001	0.0005	<u>0.003</u>0	0.0010

按照表1、表2的化学成分冶炼钢水，并由此生产的钢材纯净度更高，钢材非金属夹杂物按GB/T 10561 A法检验，各实施例钢材的夹杂物水平见表3。

表3

实施例

A细夹杂

A粗夹杂

B细夹杂

B粗夹杂

C细夹杂

C粗夹杂

D细夹杂

D粗夹杂

Ds夹杂

本发明

1

0～1.0

0～0.5

0

0～0.5

0～1.0

本发明

2

0.5～1.0

0～0.5

0

0～0.5

本发明

3

0～1.0

0～0.5

0

0～1.0

0～0.5

表4各实施例的末端淬透性性能对比，单位HRC。

表4

	J5	J13
			本发明实施例1	40	27.5
本发明实施例2	41.5	27
			本发明实施例3	40.5	28

本发明钢材低倍组织良好，钢材低倍组织按ASTM E381法检验，实施例钢材的低倍组织数据见表5。

表5

	C	R	S
				本发明实施例1	1.0	1.5	1.0
本发明实施例2	1.0	1.5	1.0
				本发明实施例3	1.0	1.0	1.0

表6各实施例钢材的交货硬度，单位HRB。

表6

表7各实施例钢材及对比例的金相组织、带状组织、晶粒度数据见表7。

表7

本发明实施例及对比例钢材的典型微观结构参见图1-4。

各实施例的滚等速万向节内滚道用钢的制造流程为电炉或转炉(初炼)—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连轧—软化退火—精整—打件入库。

钢水冶炼时，采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。在钢水冶炼过程中采用二次造渣并加强脱氧操作，为了适应低硅钢的生产要求，精炼时脱氧应避免加入含硅的脱氧剂和合金，脱氧采用Al脱氧，初炼出钢时应防止下渣，初炼出钢后到精炼的第一个样的Al含量控制在0.040-0.060％，整个精炼过程Al含量维持在0.025％-0.045％之间，最终保证真空脱气结束后成品Al含量控制在0.015％-0.030％之间，通过钢水冶炼过程中对钢水Al含量的控制间接的将氧含量控制到设计水平。真空脱气后应经进行软吹氩处理，调节氩气流量使钢水液面产生轻微波动即可，软吹氩时间不低于25min，保证非金属夹杂物充分上浮。

连铸全过程采用防氧化保护浇注，隔绝钢水和空气防止二次氧化，并通过低碳钢用保护渣吸附夹杂物，连铸过热度为15-35℃，连铸过程采用末端电磁搅拌、轻压下操作以控制钢材的偏析。连铸方坯的规格为200mm×200mm，连铸坯入坑缓冷，缓冷48小时以上。

连轧是将中间坯送至加热炉内轧制成目标钢材，具体的轧制工艺为：预热段温度控制在650-900℃，加热段温度控制在1000-1180℃，均热段温度控制在1100-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在180min以上，均热段温度在110min以上。轧制开轧温度控制在1000℃-1100℃，終轧温度控制在920℃以上，使整个钢材的轧制过程都在奥氏体单相区轧制，最终轧制成Φ30mm-60mm的圆钢，终轧轧制完成后应在冷床上缓慢冷却，冷却速度不超过10℃/min，使钢中AlN质点细小、均匀、充分析出，从而细化晶粒并防止钢材出现混晶，同时确保钢材进行铁素体+珠光体转变。各实施例连轧轧制工艺如下表8所示。

表8

轧制完成后，将轧制的成品棒材进行软化退火处理，以保证钢材硬度满足不超过80HRB的要求，退火温度为500-650℃，保温时间为10h以上，随后随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。

通过上述实施例以及与对比例的对比，采用本申请制造方法可以获得一种满足万向节内滚道用钢材的淬透性、耐磨性及冷锻性能。

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

1.一种等速万向节内滚道用钢，其特征在于：所述钢的化学成分wt%为C：0.15～0.25%，Si：0.01～0.15%，Mn：0.25～0.75%，Cr：0.80～1.30%，B：0.001～0.003%，Ti：0.010～0.040%， S≤0.015%，P≤0.025%，Ni≤0.25%，Mo≤0.20%，Cu≤0.30%，Al≤0.05%，Ca≤0.0010%， O≤0.0010%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述钢的生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—退火—精整，主要生产特点如下，

在钢水冶炼过程中采用二次造渣并加强脱氧操作，为了适应低硅钢要求，精炼时脱氧应避免加入含硅的脱氧剂和合金，脱氧采用Al脱氧，初炼出钢时应防止下渣，出钢后到精炼的第一个样的Al含量控制在0.040-0.060%，整个精炼过程Al含量维持在0.025%-0.045%之间，最终保证真空脱气结束后成品Al含量控制在0.015%-0.030%之间，通过过程中对钢水Al含量的控制间接的将氧含量控制到设计水平；真空脱气后应经进行软吹氩处理；连铸全过程采用防氧化保护浇注，隔绝钢水和空气防止二次氧化，并通过保护渣吸附夹杂物；

连轧前将连铸坯送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热，设置：预热段温度650-900℃，加热段温度1000-1180℃，均热段温度1100-1200℃，总加热时间在180min以上，其中均热段保温时间在110min以上；

连轧的开轧温度1000℃-1100℃，终轧温度920℃以上，使整个轧制过程都在奥氏体单相区进行，最终轧制成圆钢，轧制完成后圆钢在冷床上缓慢冷却，冷却速度≤10℃/min，缓冷过程微观结构转变为铁素体+珠光体；

软化退火是将轧后圆钢加热到低于再结晶温度并保温，使组织发生恢复，软化退火过程中微观结构不变，目的是降低硬度至≤80HRB。

2.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：所述钢的硬度≤80HRB；显微组织为铁素体+珠光体；钢材的奥氏体晶粒度≥6级；钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，满足J5点：36-44HRC，J13点：24-32HRC；钢材带状组织按GB/T 13299评级，不超过2.0级；非金属夹杂物按GB/T 10561 A法检验，其中脆性不可变形夹杂物B细≤1.5级、B粗≤1.0级、D细≤1.0级、D粗≤0.5级、Ds≤1.0级。

3.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：初炼时采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。

4.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：真空脱气后进行软吹氩处理，调节氩气流量使钢水液面产生波动，软吹氩时间不低于25min，保证非金属夹杂物充分上浮。

5.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：连铸采用低过热度浇注，连铸过热度为15-35℃，连铸过程中采用末端电磁搅拌、轻压下的操作方式以控制钢材的偏析。

6.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：连铸坯为规格200mm×200mm及以上的连铸方坯，轧制成Φ30mm-60mm的圆钢。

7.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：连铸生产线上下来的连铸坯入坑缓冷，缓冷48小时以上。

8.根据权利要求1所述的等速万向节内滚道用钢，其特征在于：软化退火温度为500-650℃，保温时间为10h以上，之后随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。