CN113234991B

CN113234991B - 一种循环球式转向器螺杆用钢及其制造方法

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Publication number: CN113234991B
Application number: CN202110307808.4A
Authority: CN
Inventors: 张学诚; 吴小林; 白云; 许晓红; 沈刚; 李亮亮; 余道军; 印晓亮; 周春雷; 林虎; 孙伟
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN113234991A

Abstract

本发明涉及一种循环球式转向器螺杆用钢及其制造方法，钢材的化学成分按质量百分比计为C:0.38～0.45％，Si:≤0.40％，Mn:0.75～1.05％，Cr:0.95～1.25％，P:≤0.020％，S:0.015～0.050％，Mo:0.15～0.40％，Al:0.010～0.060％，N:0.004～0.018％，Cu:≤0.08％，Ni:≤0.04％，(Cu+Ni):≤0.10％，[O]:≤0.15％，余量为Fe。钢的DI值为5.8‑6.5in；钢的淬透性为J9mm:52～59HRC，J15mm:49～56HRC。满足抗拉强度900‑1080MPa，屈服强度≥710MPa,断后伸长率≥13％，断面收缩率≥49％，常温冲击功KU2≥72J；钢材的表面硬度为270‑310HBW；钢材表面与1/2半径处组织按照GB/13320‑2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1级；钢材心部组织按照GB/13320‑2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1～3级。生产流程：初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—调质—车皮—矫直—浸油。

Description

一种循环球式转向器螺杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种循环球式转向器螺杆用钢及其制造方法。

背景技术

循环球式转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成，所谓的循环球指的就是这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母再通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中，那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动，这种转向器称为循环球式转向器。因为其结构间主要是滚动摩擦所以传动效率很高，也因为低摩擦这个特点使得循环球式转向器寿命相对齿轮齿条式转向器要长，对于重负载的汽车来说这是个很大的优点，因此循环球式转向器主要用于中、大型的商用汽车上。

当转向盘转动时，转向轴带动转向螺杆旋转，通过钢球将力传给转向螺母，使得转向螺母沿轴向移动，钢球则在钢球导管与滚道通道内循环滚动；在这过程中转向螺杆承受了转向轴与钢球施加的双重外应力，长时间循环往复的滚动摩擦将造成螺杆表面磨损、剥落，最终导致失效。因此，有必要开发一种全新的循环球式转向器螺杆用钢，来提升循环球式转向器螺杆的疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的是要提供一种耐疲劳寿命长的循环球式转向器螺杆用钢，通过钢材的元素成分以及钢材冶炼、轧制与热处理等工艺的控制，获得一种淬透性、抗拉强度与表面硬度稳定的钢材，该材料可以用于制造循环球式转向器螺杆。

本发明提供了一种循环球式转向器螺杆用钢及其制造方法。

该钢材的化学成分按质量百分比计为C:0.38～0.45％，Si:≤0.40％，优选0.1～0.35％，Mn:0.75～1.05％，Cr:0.95～1.25％，P:≤0.020％，S:0.015～0.050％，Mo:0.15～0.40％，Al:0.010～0.060％，N:0.004～0.018％，Cu:≤0.08％，Ni:≤0.04％，(Cu+Ni):≤0.10％,[O]:≤0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明循环球式转向器螺杆用钢各化学元素对应的主要作用和设计依据是：

1、C：碳元素直接决定了钢材的强度与硬度，碳含量越高钢材的强度与硬度随之也越高。但是碳含量过高会降低钢材的塑性与韧性；并且碳含量高还会导致钢材的耐大气腐蚀能力降低，从而导致钢材表面易腐蚀，钢材表面被腐蚀后其强度与硬度均会下降。因此，本发明碳含量确定为0.38～0.45％。

2、Si:硅在中碳合金钢中有一定的作用。硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，它有一定的提升钢中固溶体强度的作用。但含量过高会在一定程度上降低钢的韧性和塑性。因此，本发明Si含量的范围确定为≤0.40％，更优选范围为0.10～0.35％。

3、Mn:锰在钢中可以起到提高钢材强度的作用，但过高的锰含量不利于钢材塑性与韧性。锰与钢中的硫相结合形成硫化锰，细长的硫化锰可以起到改善钢材切削性能的作用。综合考虑，本发明的Mn含量范围确定为0.75～1.05％。

4、Cr:铬可以显著提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，同时铬元素可以显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但过高的铬同样会降低钢材的塑性与韧性。因此，本发明将Cr含量的范围确定为0.95～1.25％。

5、P:能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别在低温情况下更为严重，这种现象称为冷脆性。在优质的转向器螺杆钢中，磷元素需要严格控制。因此，本发明需要严格控制磷元素，P≤0.020％。

6、S：钢中的硫可以与锰相结合，形成非金属夹杂物硫化锰。在切削的剪切平面内起到应力集中的作用，以使钢中生成裂纹并且切屑脆化；硫化锰在二次塑性流动区参与金属流变，以增加金属的剪切力，即它对刀刃的作用好比润滑剂，降低了切屑的韧性和粘附性，从而减少了刀具磨损，极大提高了钢材切屑的效率。因此，本发明将S含量的范围确定为0.015～0.050％。

7、Mo：钼是中强碳化物形成元素，在钢中主要以碳化物的形式存在，弥散地分布在基体中，起到强化基体的作用，可提高钢的硬度与强度。但是，随着钼含量的提高，钼碳化物的数量增多，分布在晶界处的钼碳化物对基体的割裂作用加强，导致钢的韧性下降。本发明将Mo含量的范围确定为0.15～0.40％。

8、Al：铝作为强脱氧剂加入钢中，可以显著降低钢材的氧含量。本发明将Al含量的范围确定为0.010～0.060％。

9、N：铝元素与氮元素在钢中有很强的结合力，可以形成氮化铝质点，起到细化钢材奥氏体晶粒度的作用。本发明专利N含量范围为0.004～0.018％。

10、Cu、Ni：在本发明专利中以残余元素的形式存在，微量的铜与镍就可以较多的影响钢材的淬透性，因此，钢中的铜含量与镍含量应严格进行限制。本发明专利中Cu:≤0.08％，Ni:≤0.04％，并且(Cu+Ni):≤0.10％。

11、[O]:在炼钢过程中氧元素会与铝元素相结合形成Al₂O₃，炼钢过程中未能及时上浮的Al₂O₃将留在钢材中，因该类型的夹杂物相对于钢材基体的变形能力差，后续轧制过程中易在轧材内部形成微裂纹，最终影响转向器螺杆疲劳寿命。

因此钢中的氧含量必须严格控制，[O]:≤0.15％。

本发明另提供了一种循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其流程为初炼炉—炉外精炼—RH/VD真空脱气—连铸—连轧(圆棒)—调质—车皮—矫直—超声波探伤—浸油。

初炼过程使用优质的铁水与废钢,铁水与废钢的比值需大于1.5，从而减少钢中的残余元素Cu与Ni；精炼过程加入锰铁、铬铁、硅铁以及钼铁用于调整钢水的成分，并且使用铝线与铝粒对钢水进行脱氧；精炼炉化学成分调整到位后，钢水转运至真空脱气炉脱气；连铸采用全流程保护浇铸的方式，防止钢水二次氧化，连铸采用方坯生产，连铸方坯经火切后堆冷48小时以上。

冷却后的连铸方坯入步进式加热炉加热，加热炉加热分为三段，第一段为预热段、第二段为加热段、第三段为均热段。预热段加热温度为580-780℃，加热时间为80-160分钟；加热段温度为980-1080℃，加热时间为90-180分钟；均热段温度为1080-1230℃，加热时间为100-200分钟。连铸方坯经高温加热后，出加热炉轧制成直径为φ27mm～φ57mm，轧制过程总共分为三个阶段，分别是粗轧、中轧、精轧阶段，粗轧温度为1010-1150℃，中轧温度为910-1010℃，终轧温度为810-910℃，轧后圆钢采用加盖保温罩在线缓冷的方式，钢材的缓冷速度为0.23-0.35℃/s，轧后圆钢的微观组织为珠光体+铁素体组织，其中珠光体占比为65-80％，所述占比是指在扫描放大图上珠光体的面积占比。然后将长条状的圆形棒料剪切成定尺长度的圆棒，例如长度为60米-100米的棒料经飞剪剪切成定尺长度为4000mm～9000mm的圆棒。

轧制成型的圆棒入连续式辊底淬火炉淬火，首先随炉升温至860-910℃，到温后保温60分钟，然后出淬火炉后使用水环喷水淬火，水环中的水温控制在20-30℃，钢材的冷却速度为2.5-3.5℃/s；淬火后的圆棒入连续式辊底回火炉回火，首先随炉升温至560-660℃，到温后保温120分钟,然后出回火炉后使用水环喷水冷却,水环中的水温控制在20-30℃，钢材的冷却速度为1.2-2.3℃/s。

本申请采用水环喷水效率高，并且圆钢冷却更均匀，通过控制喷水量可以控制冷却速度。回火采用水环喷水水冷，相比空冷，得到的钢材强度更高、更稳定，并且生产效率更好，调质圆钢的产量能够得到提升。热处理后钢材表面与1/2半径处组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1级；钢材心部组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1～3级(1级全是索氏体，2级与3级是索氏体+少量铁素体，4级是索氏体+条状与块状铁素体，组织参照评级图片)。

调质后的圆棒使用车皮机去除表面的微裂纹与脱碳层,车皮深度为单边1mm,车皮后的圆棒直径为φ25mm～φ55mm，圆棒直径允许偏差为±0.03mm，圆棒不圆度≤0.03mm；车皮后的圆棒使用双辊矫直机矫直，矫直后的圆棒每米弯曲度≤1mm，圆棒总弯曲度≤钢材长度的0.10％；矫直后圆棒采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中A级要求执行；探伤后的圆棒使用钢丝打捆，每捆钢材的重量为2.5～3.0吨；打捆后的钢材吊至油池中浸油，浸油时间控制在10-15分钟，浸油后的打捆钢材使用塑料薄膜包裹，以防止钢材表面锈蚀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：钢的DI值为5.8-6.5in；钢的淬透性为J9mm:52～59HRC，J15mm:49～56HRC。钢生产规格为圆钢，满足抗拉强度900-1080MPa，屈服强度≥710MPa,断后伸长率≥13％，断面收缩率≥49％，常温冲击功KU2≥72J；钢材的表面硬度为270-310HBW，用于生产耐疲劳寿命长的循环球式转向器螺杆。

附图说明

图1、本发明实施例1(成品钢材表面显微组织×500倍)；

图2、本发明实施例1(成品钢材1/2R处显微组织×500倍)；

图3、本发明实施例1(成品钢材心部显微组织×500倍)；

图4、本发明实施例2(成品钢材表面显微组织×500倍)；

图5、本发明实施例2(成品钢材1/2R处显微组织×500倍)；

图6、本发明实施例2(成品钢材心部显微组织×500倍)。

具体实施方式

以下通过实施例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+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:0.43％，Si:0.21％，Mn:0.91％，Cr:1.21％，P:0.012％，S:0.029％，Mo:0.19％，Al:0.019％，N:0.0078％，Cu:0.02％，Ni:0.02％，(Cu+Ni):0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢材的DI值为5.93in。

连铸方坯经火切后堆冷72小时。

堆冷后的连铸方坯入步进式加热炉加热，预热段温度为680℃,保温时间为120分钟；加热段温度为1010℃,保温时间为135分钟；均热段温度为1180℃，保温时间为150分钟。连铸方坯经高温加热后，出加热炉轧制成直径为φ36mm，长度为79-89米的棒料，长条状的圆形棒料经飞剪剪切成定尺长度为6500mm的圆棒。

热轧圆棒入连续式辊底淬火炉淬火：首先随炉升温至870℃，到温后保温60分钟，然后出淬火炉使用水环喷水淬火，水环中的水温为25℃；淬火后的圆棒入连续式辊底回火炉回火，随炉升温至630℃，到温后保温120分钟,出回火炉后使用水环喷水冷却,水环中的水温为26℃。

调质后的圆棒使用车皮机去除表面的微裂纹与脱碳层,车皮深度为单边1mm,车皮后的圆棒直径为φ34mm，圆棒直径偏差为-0.015mm～+0.010mm，圆棒不圆度为0.025mm；车皮后的圆棒使用双辊矫直机矫直，矫直后的圆棒每米弯曲度为0.8mm以下，圆棒总弯曲度为3.7mm以下；矫直后的圆棒采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中A级要求执行；探伤后的圆棒使用钢丝打捆，每捆钢材的重量为2.6吨；打捆后的钢材吊至油池中浸油，浸油时间为11分钟，浸油后的钢材使用塑料薄膜包裹。

成品钢材的末端淬透性按照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

成品钢材的拉伸与冲击按照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，冲击按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验；成品钢材的表面硬度按照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、冲击与钢材表面硬度检测结果见表2。

表2

成品钢材表面组织与1/2R处组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1级(具体显微组织见图1与图2)；成品钢材心部组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为2级(具体显微组织见图3)。

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:0.42％，Si:0.23％，Mn:0.95％，Cr:1.22％，P:0.011％，S:0.031％，Mo:0.20％，Al:0.022％，N:0.0082％，Cu:0.03％，Ni:0.02％，(Cu+Ni):0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。钢材的DI值为6.30in。

连铸方坯经火切后堆冷72小时。

堆冷后的连铸方坯入步进式加热炉加热，预热段温度为670℃,保温时间为125分钟；加热段温度为1030℃,保温时间为130分钟；均热段温度为1160℃，保温时间为165分钟。连铸方坯经高温加热后，出加热炉轧制成直径为φ45mm，长度为73-82米的棒料，长条状的圆形棒料经飞剪剪切成定尺长度为7000mm的圆棒。

热轧圆棒入连续式辊底淬火炉淬火：首先随炉升温至880℃，到温后保温60分钟，然后出淬火炉使用水环喷水淬火，水环中的水温为23℃；淬火后的圆棒入连续式辊底回火炉回火，随炉升温至620℃，到温后保温120分钟,出回火炉后使用水环喷水冷却,水环中的水温为25℃。

调质后的圆棒使用车皮机去除表面的微裂纹与脱碳层,车皮深度为单边1mm,车皮后的圆棒直径为φ43mm，圆棒直径偏差为-0.012mm～+0.016mm，圆棒不圆度为0.028mm；车皮后的圆棒使用双辊矫直机矫直，矫直后的圆棒每米弯曲度为0.6mm以下，圆棒总弯曲度为3.3mm以下；矫直后的圆棒采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中A级要求执行；探伤后的圆棒使用钢丝打捆，每捆钢材的重量为2.8吨；打捆后的钢材吊至油池中浸油，浸油时间为12分钟，浸油后的钢材使用塑料薄膜包裹。

成品钢材的末端淬透性按照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3。

表3

成品钢材的拉伸与冲击按照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，冲击按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检验；成品钢材的表面硬度按照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、冲击与钢材表面硬度检测结果见表4。

表4

成品钢材表面组织与1/2R处组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1级(具体显微组织见图4与图5)；成品钢材心部组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为2级(具体显微组织见图6)。

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

1.一种循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：钢材的化学成分按质量百分比计为C:0.38～0.45%，Si:≤0.40%，Mn:0.75～1.05%，Cr:0.95～1.25%，P:≤0.020%，S:0.015～0.050%，Mo:0.15～0.40%，Al:0.010～0.060%，N:0.004～0.018%，Cu:≤0.08%，Ni:≤0.04%，（Cu+Ni）:≤0.10%，[O]: ≤0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质元素，所述钢的DI值为5.8-6.5in；钢材表面与1/2半径处组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1级；钢材心部组织按照GB/13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评级为1～3级， 1级是全部为索氏体，2级与3级是索氏体+少量铁素体，4级是索氏体+条状与块状铁素体；

制造流程：初炼—炉外精炼—真空脱气—连铸—圆钢连轧—调质—车皮—矫直，具体步骤如下，

步骤一、初炼过程使用优质的铁水与废钢,铁水与废钢的用量比需大于1.5，从而减少钢中的残余元素Cu与Ni；精炼过程加入锰铁、铬铁、硅铁以及钼铁用于调整钢水的成分，并且使用铝线与铝粒对钢水进行沉淀脱氧和悬浮脱氧；精炼炉化学成分调整到位后，钢水转运至真空脱气炉脱气；连铸采用全流程保护浇铸的方式，防止钢水二次氧化，连铸采用方坯生产，连铸方坯经火切后堆冷48小时以上；

步骤二、冷却后的连铸方坯入加热炉加热，让组织重新奥氏体化，连铸方坯经高温加热后，出加热炉轧制成直径为φ27mm～φ57mm的圆钢，轧制过程总共分为三个阶段，分别是粗轧、中轧、精轧阶段，粗轧温度控制在1010-1150℃，中轧温度控制在910-1010℃，终轧温度控制在810-910℃，轧后圆钢采用加盖保温罩在线缓冷的方式进行冷却，钢材的缓冷速度控制在0.23-0.35℃/s，圆钢的微观组织为珠光体+铁素体，其中珠光体占比为65-80%，将长条状的圆形棒料经飞剪剪切成定尺长度的圆棒；

步骤三、轧制成型的圆棒入淬火炉淬火，首先随炉升温至860-910℃，到温后保温60min以上，然后出淬火炉后使用水环喷水淬火，水环中的水温控制在20-30℃，水环喷水控制钢材的淬火冷却速度为2.5-3.5℃/s；淬火后的圆棒入回火炉回火，首先随炉升温至560-660℃，到温后保温120min以上，然后出回火炉后使用水环喷水冷却，水环中的水温控制在20-30℃，水环喷水控制钢材的回火冷却速度为1.2-2.3℃/s；

步骤四、调质后的圆棒使用车皮机去除圆钢表面的微裂纹与脱碳层,车皮深度为单边1mm，车皮后的圆棒直径为φ25mm～φ55mm，圆棒直径允许偏差为±0.03mm，圆棒不圆度≤0.03mm；车皮后的圆棒使用双辊矫直机矫直，矫直后的圆棒每米弯曲度≤1mm，圆棒总弯曲度≤钢材长度的0.10%；矫直后圆棒采用超声波探伤，超声波探伤按照GB/T 4162-2008中A级要求执行；探伤后的圆棒使用钢丝打捆，打捆后的钢材吊至油池中浸油，浸油后的打捆钢材进行包裹以防止钢材表面锈蚀。

2.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：所述Si的含量为0.10～0.35%。

3.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：钢的淬透性为J9mm:52～59HRC，J15mm:49～56HRC。

4.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：所述钢的规格为圆钢，满足抗拉强度900-1080MPa，屈服强度≥710MPa,断后伸长率≥13%，断面收缩率≥49%，常温冲击功KU2≥72J；钢材的表面硬度为270-310HBW。

5. 根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：所述钢的规格为圆棒，定尺长度为4000mm-9000mm ,车皮后的圆棒直径为φ25mm～φ55mm，圆棒直径偏差为±0.03mm，圆棒不圆度≤0.03mm；圆棒矫直后每米弯曲度≤1mm，圆棒总弯曲度≤钢材长度的0.10%。

6.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：步骤二中，连铸方坯在所述加热炉中加热分为三段，第一段为预热段、第二段为加热段、第三段为均热段，预热段加热温度为580-780℃，加热时间为80-160分钟；加热段温度为980-1080℃，加热时间为90-180分钟；均热段温度为1080-1230℃，加热时间为100-200分钟。

7.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：步骤二中，连轧结束后，将长度为60米-100米的圆形棒料经飞剪剪切成定尺长度为4000mm～9000mm的圆棒。

8.根据权利要求1所述的循环球式转向器螺杆用钢的制造方法，其特征在于：步骤四中，浸油时间控制在10-15分钟。