CN112981266A - 一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法 - Google Patents

一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法 Download PDF

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周春雷
余道军
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Abstract

本发明涉及一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法，属于铁基合金技术领域。钢的化学成分按质量百分比计为C:0.34～0.41％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.60～0.90％，Cr:0.90～1.20％，P:≤0.020％，S:0.010～0.040％，Al:0.010～0.050％，N:0.005～0.020％，Cu:≤0.10％，Ni:≤0.05％，Mo:≤0.05％，(Cu+Ni+Mo):≤0.12％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—调质—车皮—超声波探伤。本申请钢材具有稳定抗拉强度与优异显微组织，该材料可以用于制造乘用车转向器齿条，具有优异的使用寿命。

Description

一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及汽车传动部件中齿条用钢的制造。
背景技术
乘用车转向器齿条是齿轮齿条式转向器中重要的组成部分，它是乘用车转向系统中最重要的部件。乘用车转向系统工作原理为方向盘驱动齿轮，齿轮驱动横向齿条，将方向盘的旋转运动转化为齿条的横向运动，最终实现乘用车驾驶过程中灵活转向的作用。
乘用车转向器齿条运行过程中的工况较为复杂，齿条经常需要承受较大的外应力，在负荷较大的外应力的作用下齿条容易出现疲劳磨损与裂纹。因此，有必要开发一种全新的乘用车转向器齿条用钢，以提升乘用车转向器齿条的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法，通过对钢材的成分、钢水冶炼、轧制、热处理等工艺的控制，获得一种具有稳定抗拉强度与优异显微组织的钢材，该材料可以用于制造乘用车转向器齿条，具有优异的使用寿命。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种乘用车转向器齿条用钢，化学成分按质量百分比计为C:0.34～0.41％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.60～0.90％，Cr:0.90～1.20％，P:≤0.020％，S:0.010～0.040％，Al:0.010～0.050％，N:0.005～0.020％，Cu:≤0.10％，Ni:≤0.05％，Mo:≤0.05％，(Cu+Ni+Mo):≤0.12％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明乘用车转向器齿条用钢各化学元素对应的主要作用和设计依据是：
1、C：碳元素对钢材的强度、硬度、淬透性以及耐磨性有着至关重要的作用。过高的碳含量会导致钢材调质后强度过高，而韧性不足；过低的碳含量则会导致钢材调质后强度与硬度偏低，并且耐磨性较差。因此，本发明碳含量确定为0.34～0.41％。
2、Si:在炼钢过程中加入硅元素作为脱氧剂和合金剂，硅和氧之间的化学亲和力很大，因而硅铁是炼钢过程中较强的脱氧剂，可以用于沉淀脱氧与扩散脱氧。在钢中添加一定数量的硅，能显著的提高钢的抗拉强度。因此，本发明Si含量的范围确定为0.07～0.37％。
3、Mn:钢中加入一定含量的锰元素，可以显著提高钢材的强度与淬透性。但是过高的锰含量不利于钢材的韧性。综合考虑，本发明Mn含量的范围确定为0.60～0.90％。
4、Cr:铬可以提高钢材的强度与硬度，并且铬可以使钢的表面形成钝化膜，显著提高钢的耐蚀性。但是过高的铬元素会降低钢材韧性，并且铬元素易在钢中形成树枝状偏析，降低钢的塑性。因此，本发明将Cr含量的范围确定为0.90～1.20％。
5、P:磷在钢中易与铁元素相结合形成FeP，FeP会与Fe形成低熔点共晶产物，并聚集于晶界，这些低熔点共晶产物消弱了晶粒间的结合力，使钢材在常温或低温时变脆，造成冷裂纹。因此，本发明需要严格控制磷元素，P≤0.020％。
6、S：在钢中加入一定含量的硫元素，S与钢中的Mn形成长条状的MnS夹杂物，能中断基体的连续性，使切屑易于脆断，减少切屑过程钢材与刀具的接触面积。硫还能起减小摩擦的作用，使断屑不易粘附在刀刃上。因此，本发明将S含量的范围确定为0.010～0.040％。
7、Al：用作炼钢时的脱氧剂与定氮剂，可以有效的降低钢中的氧含量，同时也可以起到细化钢材奥氏体晶粒度的作用。本发明将Al含量的范围确定为0.010～0.050％。
8、N：氮元素易与钢中的铝元素相结合，形成氮化铝。弥散分布的氮化铝质点可以有效的起到钉扎晶界的作用，从而有效钢材的细化钢材的奥氏体晶粒度。
本发明专利N含量范围为0.005～0.020％。
9、Cu、Ni、Mo：属于贵金属，Cu、Ni、Mo加入会增加炼钢的成本。在本发明钢种中Cu、Ni、Mo是以残余元素的形式存在。残余元素Cu、Ni、Mo对钢材的抗拉强度稳定性与淬透性稳定性有着较大的影响。因此，需要严格控制钢中Cu、Ni、Mo元素的含量。本发明专利中Cu:≤0.10％，Ni:≤0.05％，Mo:≤0.05％，并且(Cu+Ni+Mo):≤0.12％。
本发明另一目的是要提供上述乘用车转向器齿条用钢的制造方法，其流程：初炼炉—炉外精炼—RH/VD真空脱气—连铸—连轧(圆钢)—调质—车皮—超声波探伤，进一步地，初炼阶段将钢中的磷元素氧化、氧化后的磷元素溶于炉渣，再通过扒渣去除以达到除磷的目的；精炼阶段向钢水中加入锰铁、铬铁与硅铁合金用于调整钢水中锰、铬、硅的化学成分并达到除氧的目的；连铸阶段结合结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌改善铸坯的偏析，提高组织均匀性。
连铸坯在连轧之前在加热炉内采用三段式加热实现均质化：预热段加热温度为600-800℃，保温时间≥70分钟，加热段温度为1000-1150℃，保温时间≥70分钟，均热段温度为1130-1280℃，保温时间≥90分钟。
均质化的连铸坯出炉后使用高压水除鳞，经过粗轧、中轧以及精轧，最终轧制成圆钢，其中，粗轧的轧制温度区间为980-1080℃，粗轧过程中方型的连铸坯被辗轧成小型方坯，粗轧的轧制压缩比为4.5-6.1；中轧的轧制温度区间为930-1030℃，中轧过程中小型的粗轧铸方坯被辗轧成小型的圆坯，中轧的轧制压缩比为3.2-4.3；精轧的轧制温度区间为830-930℃，精轧过程中小型的中轧圆坯被辗轧成热轧圆钢，精轧的轧制压缩比为2.8-3.9。
调质是指将热轧圆钢经感应线圈快速加热至850-900℃，保温3-8分钟后水淬；然后再用感应线圈进行快速回火加热，回火加热温度为560-660℃，保温时间为8-15分钟，回火后的圆钢使用水环喷水冷却至室温。
车皮是指去除调质后圆钢表面的脱碳层，让圆钢表面零脱碳。
超声波探伤按照GB/T 4162-2008中AA级要求执行，作为探伤合格的标准。
优选地，所述连铸坯为240mm*240mm规格以上的方坯，最终轧制成直径为φ10mm～φ40mm的圆钢。
本申请的主要特点在于：
本申请钢的DI值为2.7-3.3in，淬透性优异；按照GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》检测，钢的末端淬透性：J3(mm):51～57HRC，J5(mm):49～56HRC,J7(mm):45～54HRC,J9(mm):39～50HRC,J11(mm):36～47HRC，J13(mm):33～44HRC，J15(mm):31～42HRC。
作为圆钢规格的本申请齿条用钢，按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，圆钢抗拉强度为790-990MPa，屈服强度≥620MPa，断后伸长率≥16％，断面收缩率≥56％；按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》检验，圆钢二分之一半径处硬度为230-280HBW。
作为圆钢规格的本申请齿条用钢，全截面组织为回火索氏体，仅在圆钢的心部存在少量铁素体，心部区域组织回火索氏体含量占比≥95％，铁素体含量占比≤5％。
本申请抗拉强度大，断面收缩率高，表现出更长的使用寿命；淬透性大，硬度大，截面性能均匀。
本申请轧后立即感应线圈快速加热进行调质，相比加热炉加热，加热到调质温度区间感应线圈所用的时间短，加热效率高，而且圆钢全截面升温较均匀，有助于降低相变温度，于淬透性、强度、硬度有利。本申请采用高温回火，回火后采用水环喷水冷却，其目的是提高硬度和强度，同时减少回火脆性而获得更好的冲击韧性。
附图说明
图1为本发明实施例1调质圆钢心部以外截面的显微组织×500倍；
图2为本发明实施例1调质圆钢心部截面的显微组织×500倍；
图3为本发明实施例2调质圆钢心部以外截面的显微组织×500倍；
图4为本发明实施例2调质圆钢心部截面的显微组织×500倍。
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。
实施例1
采用100t转炉+100tLF精炼+RH真空脱气+小方坯连铸(240mm×240mm)所生产的100吨钢材化学成分为C:0.36％，Si:0.18％，Mn:0.81％，Cr:1.05％，P:0.011％，S:0.025％，Al:0.021％，N:0.008％，Cu:0.02％，Ni:0.03％，Mo:0.02％，(Cu+Ni+Mo):0.07％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢材的DI值为2.89in。转炉冶炼时向钢水吹氧将钢中的磷元素氧化、氧化后的磷元素溶于炉渣，再通过扒渣去除以达到除磷的目的；LF精炼阶段向钢水中加入锰铁、铬铁与硅铁合金用于调整钢水中锰、铬、硅的化学成分并达到除氧的目的；连铸阶段结合结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌改善铸坯的偏析，提高组织均匀性。
连铸方坯入步进式加热炉加热，步进式加热炉采用三段式加热，预热段温度为720℃，加热时间为75分钟；加热段温度为1030℃,加热时间为80分钟，均热段温度为1160℃，加热时间为110分钟。连铸方坯经均质化处理后，使用高压水去除表面的氧化铁皮，经过粗轧、中轧以及精轧，轧制后圆钢的规格为φ31mm。粗轧的轧制温度区间为980-1080℃，粗轧后获得小型方坯，粗轧的轧制压缩比为4.5-6.1；中轧的轧制温度区间为930-1030℃，中轧后获得小型圆坯，中轧的轧制压缩比为3.2-4.3；精轧的轧制温度区间为830-930℃，精轧后获得热轧圆钢，精轧的轧制压缩比为2.8-3.9。
热轧圆钢经感应线圈快速加热至865℃，保温6分钟后水淬；使用感应线圈回火，回火温度为630℃，保温时间为11分钟，回火后的圆钢使用水环喷水冷却至25℃。调质处理后圆钢使用车皮机去除圆钢的表面脱碳层，最终成品调质圆钢采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中AA级要求执行。
钢材末端淬透性按照GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》检测。具体淬透性检测结果见表1。
表1
Figure BDA0002916153630000051
调质后的圆钢拉伸按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：
室温试验方法》检验；圆钢二分之一半径处的硬度按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》检验；具体拉伸与二分之一半径处的硬度检测结果见表2。
表2
Figure BDA0002916153630000052
调质圆钢全截面组织(不包括心部)为回火索氏体，具体显微组织见图1，心部区域组织回火索氏体含量占比为98％，铁素体含量占比为2％，具体显微组织见图2。
实施例2
采用100t转炉+100t精炼+RH真空脱气+小方坯连铸(240mm×240mm)所生产的100吨钢材化学成分为C:0.37％，Si:0.15％，Mn:0.82％，Cr:1.06％，P:0.009％，S:0.028％，Al:0.023％，N:0.007％，Cu:0.04％，Ni:0.02％，Mo:0.02％，(Cu+Ni+Mo):0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢材的DI值为2.96in。转炉、精炼和连铸等工艺和实施例1的操作方式一致。
连铸方坯入步进式加热炉加热，步进式加热炉采用三段式加热，预热段温度为710℃，加热时间为85分钟；加热段温度为1020℃,加热时间为80分钟，均热段温度为1165℃，加热时间为120分钟。连铸方坯经均质化处理后，使用高压水去除表面的氧化铁皮，经过粗轧、中轧以及精轧，轧制后圆钢的规格为φ32mm。粗轧的轧制温度区间为980-1080℃，粗轧后获得小型方坯，粗轧的轧制压缩比为4.5-6.1；中轧的轧制温度区间为930-1030℃，中轧后获得小型圆坯，中轧的轧制压缩比为3.2-4.3；精轧的轧制温度区间为830-930℃，精轧后获得热轧圆钢，精轧的轧制压缩比为2.8-3.9
热轧圆钢经感应线圈快速加热至865℃，保温7分钟后水淬；使用感应线圈回火，回火温度为640℃，保温时间为12分钟，回火后的圆钢使用水环喷水冷却至21℃。调质处理后圆钢使用车皮机去除圆钢的表面脱碳层，最终成品调质圆钢采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中AA级要求执行。
钢材末端淬透性按照GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》测试。具体淬透性检测结果见表3。
表3
Figure BDA0002916153630000061
调质后的圆钢拉伸按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验；圆钢二分之一半径处的硬度按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》检验；具体拉伸与二分之一半径处的硬度检测结果见表4。
表4
Figure BDA0002916153630000062
调质圆钢全截面组织(不包括心部)为回火索氏体，具体显微组织见图3，心部区域组织回火索氏体含量占比为97％，铁素体含量占比为3％，具体显微组织见图4。
通过以上实施例可以证明采用本申请的元素成分设计和制造方法可以获得一种齿条用钢具有较高的淬透性和显著的抗拉强度，产品断面收率率极高，表现出更长的使用寿命。
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 (7)

1.一种乘用车转向器齿条用钢，其特征在于：所述钢的化学成分按质量百分比计为C:0.34～0.41％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.60～0.90％，Cr:0.90～1.20％，P:≤0.020％，S:0.010～0.040％，Al:0.010～0.050％，N:0.005～0.020％，Cu:≤0.10％，Ni:≤0.05％，Mo:≤0.05％，(Cu+Ni+Mo):≤0.12％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的乘用车转向器齿条用钢，其特征在于：所述钢的DI值为2.7-3.3in；按照GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》检测，钢的末端淬透性：J3(mm):51～57HRC，J5(mm):49～56HRC,J7(mm):45～54HRC,J9(mm):39～50HRC,J11(mm):36～47HRC，J13(mm):33～44HRC，J15(mm):31～42HRC。
3.根据权利要求1所述的乘用车转向器齿条用钢，其特征在于：作为圆钢规格的所述钢，按照GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》取样与加工制备，拉伸按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》检验，圆钢抗拉强度为790-990MPa，屈服强度≥620MPa，断后伸长率≥16％，断面收缩率≥56％；按照GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法》检验，圆钢二分之一半径处硬度为230-280HBW。
4.根据权利要求1所述的乘用车转向器齿条用钢，其特征在于：作为圆钢规格的所述钢，全截面组织为回火索氏体，仅在圆钢的心部存在少量铁素体，心部区域组织回火索氏体含量占比≥95％，铁素体含量占比≤5％。
5.一种乘用车转向器齿条用钢的制造方法，其特征在于：生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—调质—车皮—超声波探伤，进一步地，
初炼阶段向钢水中吹氧将钢中的磷元素氧化、氧化后的磷元素溶于炉渣，再通过扒渣去除以达到除磷的目的；
精炼阶段向钢水中加入锰铁、铬铁与硅铁合金用于调整钢水中锰、铬、硅的化学成分并达到除氧的目的；
连铸阶段结合结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌改善铸坯的偏析，提高组织均匀性；
连铸坯在连轧之前在加热炉内采用三段式加热实现均质化：预热段加热温度为600-800℃，保温时间≥70分钟，加热段温度为1000-1150℃，保温时间≥70分钟，均热段温度为1130-1280℃，保温时间≥90分钟；
均质化的连铸坯出炉后使用高压水除鳞，经过粗轧、中轧以及精轧，最终轧制成圆钢，其中，粗轧的轧制温度区间为980-1080℃，粗轧过程中方型的连铸坯被辗轧成小型方坯，粗轧的轧制压缩比为4.5-6.1；中轧的轧制温度区间为930-1030℃，中轧过程中小型的粗轧铸方坯被辗轧成小型的圆坯，中轧的轧制压缩比为3.2-4.3；精轧的轧制温度区间为830-930℃，精轧过程中小型的中轧圆坯被辗轧成热轧圆钢，精轧的轧制压缩比为2.8-3.9；
调质是指将热轧圆钢经感应线圈快速加热至850-900℃，保温3-8分钟后水淬；然后再用感应线圈进行快速回火加热，回火加热温度为560-660℃，保温时间为8-15分钟，回火后的圆钢使用水环喷水冷却至室温；
车皮是指去除调质后圆钢表面的脱碳层，让圆钢表面零脱碳。
6.根据权利要求5所述的乘用车转向器齿条用钢，其特征在于：所述超声波探伤按照GB/T 4162-2008中AA级要求执行，作为探伤合格的标准。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述连铸坯为240mm*240mm规格以上的方坯，最终轧制成直径为φ10mm～φ40mm的圆钢。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114717474A (zh) * 2022-03-01 2022-07-08 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种蜗杆曲柄销式转向器蜗杆用钢及其制造方法

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CN105154771A (zh) * 2015-07-11 2015-12-16 湖北三环锻造有限公司 改良的40Cr钢和使用该40Cr钢加工转向节的方法
CN110453138A (zh) * 2019-08-30 2019-11-15 山东钢铁股份有限公司 一种汽车转向节用中碳合金钢及其制备方法

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