CN112981237A - 一种球笼式万向节保持架用钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种球笼式万向节保持架用钢及其生产方法，属于特种钢冶炼技术领域。钢的化学成分wt％为C：0.10～0.25％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.40～0.65％，Cr：0.40～0.70％，B：0.0003～0.0025％，Ti：0.010～0.035％，Mo：0.30～0.45％，N：0.0050～0.0100％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Al:0.015～0.035％，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。钢的微观结构为贝氏体，奥氏体晶粒度≥6级。生产流程为钢水初炼→钢水精炼→钢水真空脱气→连铸→热轧→精整。本申请对化学成分进行优化，降低合金成本。并达到了与20CrMnTi相近的淬透性，该化学成分结合生产方法制造的钢材的强度、韧性都比20CrMnTi更优，综合性能满足球笼式万向节保持架的用钢要求。

Description

一种球笼式万向节保持架用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种球笼式万向节保持架用钢及其生产方法。
背景技术
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。它主要有球形壳、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，同时又是作为汽车的安全部件，因此对产品的质量要求很高。
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、经济性和排放性等重要指标，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，对于汽车万向节用材料而言，部件起传动及支撑的作用，还承受交变载荷应力的长期作用，因此材料必须具备足够的耐磨性、抗疲劳性及良好的韧性。
球笼式万向节在工作时，特别是载荷复杂且高速旋转时，保持架要承受很大的离心力、冲击和振动，保持架和滚动体之间存在较大的滑动摩擦，并产生大量的热量。力和热共同作用的结果会导致保持架故障，严重时会造成保持架烧伤和断裂。因此，要求保持架材料导热性好、耐磨性好、摩擦系数小，有较小的密度，一定的强度和韧性的配合、较好的弹性和刚度，与滚动体相近的膨胀系数，以及良好的加工工艺性能。另外，保持架还要受到化学介质，如润滑剂、润滑剂添加剂、有机溶剂和冷却剂等的作用，因此也要求具有一定耐腐蚀性。
当前球笼式万向节保持架通常选用材料为20CrMnTi，渗碳后钢材晶粒细化，均匀，具有较好的表面抗拉和弯曲疲劳强度。心部有足够的强度和韧性，提高了耐磨性。但造价成本较高，而且强度和韧性富余量不高。
发明内容
本发明钢材在20CrMnTi基础上进行重新设计，优化合金元素Mn、Cr的含量，同时通过添加B和Mo元素，并完善生产工艺，在优化成本前提下达到与20CrMnTi相近的淬透性，同时产品的强度、韧性都比20CrMnTi更优，最终满足球笼式万向节保持架用钢的要求，属于渗碳钢材。
具体的，本申请研发的钢材，其微观结构为贝氏体，奥氏体晶粒度≥6级。屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1080MPa，延伸率≥10％，常温下夏比冲击功AKU≥55J。钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，满足J5点：35-42HRC，J9点：25-35HRC，J13点：20-30HRC。钢材带状组织按GB/T 13299评级，带状组织不超过2.0级。非金属夹杂物按GB/T 10561中A法评级，满足A类细系≤1.5，A类粗系≤1.0，B类细系≤1.5，B类粗系≤0.5，C类细系＝0，C类粗系＝0，D类细系≤1.0，D类粗系≤0.5，Ds类≤1.5采用ASTM E381对钢材低倍组织评级，满足C≤2.0级、R≤2.0级、S≤2.0级。
满足上述性能的本申请钢材最终满足球笼式万向节保持架用钢的使用要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种球笼式万向节保持架用钢，其特征在于：所述钢的化学成分wt％为C：0.10～0.25％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.40～0.65％，Cr：0.40～0.70％，B：0.0003～0.0025％，Ti：0.010～0.035％，Mo：0.30～0.45％，N：0.0050～0.0100％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Al:0.015～0.035％，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。
本申请化学成分的设置依据如下：
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0.10～0.25％。
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，本发明Si含量的设定范围0.20～0.40％。
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0.40～0.65％。
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0.40～0.70％。
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0.015～0.035％。
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0.0003-0.0025％。
7)Mo含量的确定
钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。但钼是铁素体形成元素，当钼含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，本发明将Mo含量的范围确定为0.30～0.45％
8)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0.01～0.035％。
9)N含量的确定
氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。但是氮会与钢中的合金元素生成氮化物非金属夹杂，更重要的是降低了合金元素的作用。钢中氮含量高时，钢的强度升高，冲击韧性降低。本发明的N含量确定为0.0050～0.0100％
10)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％。
11)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％。
12)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％。
上述球笼式万向节保持架用钢的生产流程为制造流程为电炉或转炉(初炼)→LF炉外精炼→VD或RH真空脱气→连铸→轧制→精整→打件入库。
主要生产工艺特点如下：
(一)钢水冶炼部分：
初炼采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。冶炼过程要加强脱氧，对电炉或转炉出钢终点碳进行控制，出钢终点碳控制在0.05-0.15％，出钢过程中加Al铁进行预脱氧，为后续脱氧创造良好条件，出钢后采用扒渣技术，扒除有害钢渣。
精炼时在LF精炼炉中重新加入新的合成渣、同时加强精炼过程的脱氧，精炼过程采用碳化硅和铝脱氧，在精炼初期尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，整个精炼过程铝含量控制在0.025％-0.045％之间，以保证脱氧效果。
本申请钢材属于裂纹敏感钢种，应加强真空脱气，在高真空下(133Pa以下)处理时间≥15min，确保有害气体H≤2ppm。真空脱气后应喂硅钙线进行夹杂物变性处理，在真空脱气后进行长时间软吹氩，保证夹杂物充分上浮，软吹氩时间≥25min。
(二)连铸部分：
连铸全程防氧化保护(即隔绝钢水与空气)来减少钢中的夹杂物数量。另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制。连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，通过调整轻压下滚子压力分配，在钢水凝固时，在钢材中心充分得到钢水填充，避免缩孔现象，同时加强结晶器和末端电磁搅拌，改变钢水凝固流场，改善连铸钢水内部组织，减少偏析。连铸采用低过热度浇注，连铸过热度控制在10-30℃，有效改善和降低连铸坯的成分偏析。连铸出与钢材成品化学成分相符的规格为300mm×300mm及以上的连铸方坯；连铸坯应下坑缓冷，防止连铸坯开裂，缓冷时间不小于24小时，随后将连铸坯送至步进式加热炉内加热后并轧制成目标材。
(三)轧制部分：
轧制前连铸坯入炉加热：预热段温度控制在600-850℃，加热段温度控制在950-1100℃，均热段温度控制在1150-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在240min以上，均热段时间在180min以上。轧制开轧温度控制在950℃-1050℃，终轧温度控制在800℃-900℃，整个轧制过程在奥氏体单相区进行，为使轧制结束后实现由奥氏体向贝氏体组织转变，终轧结束到上冷床的过程中不宜采用缓冷，防止出现粗大的铁素体晶粒，会降低钢材强度和韧性，但也不宜过快冷却，防止出现马氏体组织，也会降低钢材的韧性，本发明设计从终轧结束到上冷床的这段降温区间的冷却速度为10-15℃/s，同时相对降低轧制速度，以控制钢材在这段区间的通过时间，使钢材能够充分进行贝氏体组织转变，最终钢材上冷床温度控制在600-650℃，由于此时钢材金相组织已基本完成贝氏体转变，后续在冷床上可按照正常冷却速度冷却，冷却速度在15-20℃/min，而后钢材下线，再经后续矫直、探伤，制得目标棒材产品。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明钢材在20CrMnTi基础上进行重新设计，降低合金元素Mn、Cr及有害元素Ti的含量，由于Mn、Cr元素含量的降低势必影响钢材淬透性，因此发明钢同时通过添加微量的B元素并添加一定量的合金元素Mo，以此提高淬透性，使发明钢淬透性能不差于20CrMnT。另外，通过降低容易形成坚硬不变形夹杂物的Ti元素，并添加能同样细化晶粒的N元素，在改善钢材纯净度的同时，使发明钢的晶粒度与20CrMnTi相当，同时通过控制轧制过程中金相组织的转变，确保成品钢材形成贝氏体组织，从而保证发明钢的强度及韧性不低于20CrMnTi，最终满足球笼式万向节保持架用钢的要求。
2)如上所述，本发明在冶炼过程中通过加强脱氧、脱氢，同时选用优质原料，保证钢材纯洁度高，连铸采用低过热度浇注，并采用电磁搅拌和轻压下控制，控制钢材偏析，可以有效满足球笼式万向节保持架用钢的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的典型金相组织图×100；
图2为对比例的典型金相组织图×100。
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。
本发明各实施例钢材的化学成分(wt％)见表1、表2。并与对比钢20CrMnTi的化学成分做对比。
表1
实施例 C Si Mn P S Cr Cu Ni Al Mo
本发明 1 0.15 0.29 0.56 0.015 0.004 0.6 0.02 0.02 0.027 0.34
本发明 2 0.17 0.30 0.57 0.016 0.002 0.59 0.04 0.02 0.023 0.38
本发明 3 0.19 0.30 0.60 0.015 0.001 0.62 0.02 0.03 0.025 0.35
对比钢 0.20 0.26 0.95 0.016 0.004 1.16 0.02 0.02 0.024 0.01
表2
实施例 B As Sn Sb Pb N Ti O
本发明 1 0.0011 0.002 0.003 0.002 0.001 0.0071 0.0229 0.00092
本发明 2 0.0014 0.003 0.002 0.002 0.001 0.0080 0.025 0.00088
本发明 3 0.0013 0.002 0.002 0.001 0.002 0.0078 0.027 0.00085
对比钢 0.0001 0.005 0.002 0.001 0.002 0.0035 0.0515 0.0013
各实施例和对比例钢材的力学性能对比数据参见表3。
表3
Figure BDA0002921438760000061
各实施例及对比例钢材的热轧金相组织、带状组织、晶粒度数据见表4
表4
Figure BDA0002921438760000062
Figure BDA0002921438760000071
本发明实施例钢材及对比例的典型组织参见图1、图2，图1所示组织为贝氏体组织，图2所示组织为铁素体+珠光体+贝氏体。
各实施例和对比例钢材的末端淬透性性能对比参见表5，单位HRC。
表5
Figure BDA0002921438760000072
各实施例以及对比例钢材的夹杂物对比见表6。
表6
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 0.5～1.0 0～0.5 0～0.5 0～0.5 0 0 0～0.5 0～0.5 0～1.0
本发明 2 0.5～1.0 0～0.5 0～0.5 0～0.5 0 0 0～0.5 0～0.5 0～1.0
本发明 3 0～1.0 0～0.5 0～0.5 0 0 0 0～1.0 0～0.5 0～0.5
对比钢 0.5～1.0 0.5～1.0 0～0.5 0～0.5 0 0 0.5～1.5 0.5～1.0 1.0～2.0
各实施例以及对比例钢材的低倍数据对比见表7。
表7
C R S
本发明实施例1 1.0 1.0 1.0
本发明实施例2 1.0 1.0 1.0
本发明实施例3 1.0 1.0 1.0
对比钢 1.0 1.5 1.0
从上述检验结果看，本发明冲击及拉伸性能优于对比例的20CrMnTi，所以本申请的最终产品的强度及韧性相比20CrMnTi更优，本发明其他性能指标包括淬透性、晶粒度、夹杂物、带状、低倍等与对比钢接近，各项性能均能够满足球笼式万向节保持架用钢要求。
以下对上述各实施例球笼式万向节保持架用钢的生产方法作详细介绍。
生产流程：电炉或转炉→LF炉外精炼→VD或RH真空脱气→连铸→连轧→精整→打件入库。
钢水冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.05-0.15％之内，终点P控制在0.020％以下，要加强脱氧，对电炉或转炉出钢终点碳进行控制，出钢终点碳控制在0.05-0.15％，出钢过程中加Al铁进行预脱氧，为后续脱氧创造良好条件，出钢后采用扒渣技术，扒除有害钢渣。
精炼时在LF精炼炉中重新加入新的合成渣、同时加强精炼过程的脱氧，精炼过程采用碳化硅和铝脱氧，在精炼初期尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，整个精炼过程铝含量控制在0.025％-0.045％之间，以保证脱氧效果。
实施例的钢材属于裂纹敏感钢种，应加强真空脱气，在高真空下(133Pa以下)处理时间≥15min，确保有害气体H≤2ppm。真空脱气后应喂硅钙线进行夹杂物变性处理，在真空脱气后进行长时间软吹氩，保证夹杂物充分上浮，软吹氩时间≥25min。
连铸过热度控制在10-30℃之内，连铸拉速0.45-0.75m/min。连铸方坯的规格为300mm×300mm，连铸坯下坑缓冷，缓冷24小时以上，而后将缓冷后的连铸坯送至加热炉轧制成目标钢材，具体的轧制工艺为：预热段温度控制在600-850℃，加热段温度控制在950-1100℃，均热段温度控制在1150-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在4小时以上，均热段时间在3h以上。轧制开轧温度控制在950℃-1050℃，终轧温度控制在800℃-900℃，终轧结束后控制钢材以10-15℃/min的冷速冷却，驱动奥氏体组织全部转变为贝氏体，钢材上冷床温度控制在600-650℃，再经后续矫直、探伤，制得目标棒材产品。
各实施例轧制工艺参数如表8所示。
表8
Figure BDA0002921438760000081
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 (9)

1.一种球笼式万向节保持架用钢，其特征在于：所述钢的化学成分wt％为C：0.10～0.25％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.40～0.65％，Cr：0.40～0.70％，B：0.0003～0.0025％，Ti：0.010～0.035％，Mo：0.30～0.45％，N：0.0050～0.0100％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Al:0.015～0.035％，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。
2.根据权利要求1所述的球笼式万向节保持架用钢，其特征在于：所述钢的微观结构为贝氏体，奥氏体晶粒度≥6级。
3.根据权利要求1所述的球笼式万向节保持架用钢，其特征在于：所述钢的屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥1080MPa，延伸率≥10％，常温下夏比冲击功AKU≥55J。
4.根据权利要求1所述的球笼式万向节保持架用钢，其特征在于：
钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，满足J5点：35-42HRC，J9点：25-35HRC，J13点：20-30HRC；
钢材带状组织按GB/T 13299评级，带状组织不超过2.0级；
非金属夹杂物按GB/T 10561中A法评级，满足A类细系≤1.5，A类粗系≤1.0，B类细系≤1.5，B类粗系≤0.5，C类细系＝0，C类粗系＝0，D类细系≤1.0，D类粗系≤0.5，Ds类≤1.5；
采用ASTM E381对钢材低倍组织评级，满足C≤2.0级、R≤2.0级、S≤2.0级。
5.一种球笼式万向节保持架用钢的生产方法，其特征在于：流程为钢水初炼→钢水精炼→钢水真空脱气→连铸→热轧→精整，主要生产工序要求如下：
钢水冶炼过程要加强脱氧，控制初炼出钢终点碳在0.05～0.15％，出钢过程中加Al铁对钢水预脱氧，为后序脱氧创造良好条件，出钢后进行扒渣，扒除有害钢渣；精炼时重新向钢水中加入合成渣、同时加强精炼过程的脱氧：采用碳化硅和铝脱氧，精炼初期尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，整个精炼过程钢水中的铝含量控制在0.025％～0.045％之间以保证脱氧效果；加强真空脱气直至将钢水中的有害气体H≤2ppm，真空脱气后喂硅钙线进行夹杂物变性处理，在真空脱气后对钢水实施软吹氩，搅动钢水，让夹杂物充分上浮，软吹氩时间≥25min；
连铸工艺得到的连铸方坯应下坑缓冷，缓冷时间不小于24小时；
轧制前连铸坯入炉加热，设置预热段温度600-850℃，加热段温度950-1100℃，均热段温度1150-1200℃，总加热时间在240min以上，均热段时间在180min以上；出炉后准备轧制，设置开轧温度950℃-1050℃，终轧温度800℃-900℃，整个轧制过程在奥氏体单相区完成，从终轧结束到上冷床的这段区间的冷却速度控制在10-15℃/s，并控制钢材在这段区间的通过时间，此冷却过程是为了控制微观结构由奥氏体向贝氏体转变，使钢材能够充分进行贝氏体组织转变。最终钢材上冷却床的温度为600-650℃，在冷床上继续冷却，最后从冷床下线后经矫直精整后得到目标产品。
6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：初炼要选用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。
7.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：真空脱气是钢水在133Pa以下的高真空条件下保持15min以上。
8.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：连铸过程采用结晶器和末端电磁搅拌及轻压下操作，连铸时钢水过热度控制在10-30℃。
9.根据权利要求5所诉的生产方法，其特征在于：钢材在冷床上的冷却速度为15-20℃/min。
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