CN113265581A

CN113265581A - 一种稳定杆用钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN113265581A
Application number: CN202010095574.7A
Authority: CN
Inventors: 翟国丽
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: CN113265581B

Abstract

本发明公开了一种稳定杆用钢管，其化学元素质量百分比为：C：0.29‑0.45％；Si：0.05‑0.35％；Mn：1.3‑1.6％；Mo：0.1‑0.6％；B：0.004‑0.009％；Al：0.015‑0.060％；Cr 0.3‑1.0％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述稳定杆用钢管的制造方法，其包括步骤：(1)将轧制圆管坯在环型加热炉中加热，并均热保温；(2)进行热穿孔、热连轧；(3)采用再加热炉进行再加热；(4)对管坯进行张力减径然后冷却；(5)退火、酸洗、磷化皂化；(6)采用冷拔的加工方式冷加工至成品尺寸；(7)成品热处理；(8)冷弯成型；(9)淬火+回火。

Description

一种稳定杆用钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种杆用钢管及其制造方法。

背景技术

车辆中所使用的横向稳定杆实际上是一个横置的扭杆弹簧，在功能上可以看成是一种特殊的弹性元件。当车身只作垂直运动时，两侧悬架变形相同，横向稳定杆不起作用。当汽车转弯时，车身侧倾，两侧悬架跳动不一致，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆就会发生扭曲，杆身的弹力会阻止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡，起到横向稳定的作用。

现有技术中，稳定杆都是采用实心棒料进行生产，尤其是在商用车上应用时，由于其自身的重量较重，因此，商用车所采用的稳定杆的尺寸也较大。

近年来，随着车身轻量化从而达到节能减排的要求日益增强，对于商用车用稳定杆的空心化需求更加迫切，同时由于车型定位和规格的限制，对稳定杆材质的经济性要求更加高于乘用车。

基于此，期望获得一种经济且性能良好的稳定杆，该稳定杆具有高强度和高抗扭转疲劳性能。但是目前存在的难点在于：由于商用车用稳定杆的尺寸规格较乘用车来讲，规格偏大，壁厚偏厚，因此采用小口径厚壁管的焊接工艺技术无法满足其需求。

虽然现有技术中存在一些对稳定杆的改良，但是其制造成本过高，且性能仍无法满足应用需要。例如：公开号为CN104395487A，公开日为2015年3月4日，名称为“空心稳定杆和空心稳定杆用钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种用于空心稳定杆及其制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，虽然所述的空心稳定杆拥有较好的疲劳性能，但其有较多合金元素的添加，产品的制造成本较高，且该空心稳定杆的旋转疲劳性能无法满足更高的应力需要。

又例如：公开号为CN109423580A，公开日为2019年3月5日，名称为“一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其虽然具有良好的强塑性，但是其抗扭转疲劳性能仍然无法本案的需求。此外，由于受小口径壁厚焊管的生产限制，该专利文献所公开的技术方案无法用于厚壁钢管的生产。另外，该空心稳定杆并非是无缝管。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种稳定杆用钢管，该稳定杆用钢管具有良好的韧性和强塑性，且在较大的应力水平下表现出极高的扭转疲劳性能，可以满足大应力条件下的稳定杆的使用。

为了实现上述目的，本发明提出了一种稳定杆用钢管，其化学元素质量百分比为：

C：0.29-0.45％；

Si：0.05-0.35％；

Mn：1.3-1.6％；

Mo：0.1-0.6％；

B：0.004-0.009％；

Al：0.015-0.060％；

Cr：0.3-1.0％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的稳定杆用钢管中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的稳定杆用钢管中，C元素是提高钢的强度的主要元素之一，主要用于解决本案的稳定杆用钢管的强度。C通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且C的成本低，从而可以在较少的合金元素添加的基础上达到较高的成品强度的效果。当C的质量百分比超过0.45％时，材料的冷加工性能受到影响，容易在冷加工过程中产生开裂现象，且影响钢的韧性，进而影响钢的疲劳性能。

Si：在本发明所述的稳定杆用钢管中，Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，其在钢中不形成碳化物，且Si在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度，因此，可以适当增加Si的质量百分比，以提高淬火状态钢的强度。考虑到Si的质量百分比超过0.35％时，钢管的韧性降低，因此，在本案中，将Si的质量百分比设置在0.05％-0.35％。在一些优选的实施方式中，Si的质量百分比可以控制在0.1～0.3％。

Mn：在本发明所述的稳定杆用钢管中，Mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。Mn主要通过固溶强化来提高钢的强度，同时Mn的添加能够有效的增加钢的淬透性，是保证成品钢管具有高的强度的重要保障。考虑到本发明所述的稳定杆用钢管的外径和壁厚较大，并且壁径比也较大，对钢的淬透性要求较高，因此，在本发明所述的稳定杆用钢管中，控制Mn的质量百分比在1.3％以上。此外，考虑到当Mn的质量百分比超过1.6％时，钢的塑性和冲击韧性会随着Mn的添加而下降得较为明显，进而对钢管的旋转疲劳性能产生一定，因此，在本发明所述的稳定杆用钢管中控制Mn的质量百分比在1.3～1.6％。

Mo：在本发明所述的稳定杆用钢管中，Mo起到固溶强化和提高钢的淬透性的作用，考虑到本发明所述的稳定杆用钢管需要在淬火后达到高的抗拉强度和韧性，因此，添加Mo的质量百分比不低于0.1％，以使得Mo起到足够显著的固溶强化和提高淬透性的效果。此外，考虑到当Mo的质量百分比超过0.6％时，会对钢管的韧性产生一定的影响，且添加过多的Mo会提高钢的制造成本，因此，在本发明所述的稳定杆用钢管中将Mo的质量百分比控制在0.1～0.6％。

B：在本发明所述的稳定杆用钢管中，B具有显著提高钢的淬透性的作用。为了使得本发明所述的稳定杆用钢管具有较高的淬透性，因而，控制B的质量百分比不低于0.004％。但当B的质量百分比的质量百分比超过0.009％时，对钢的韧性会有一定危害，因而，本发明所述的稳定杆用钢管中控制B的质量百分比为0.004-0.009％。

Al：在本发明所述的稳定杆用钢管中，Al起到脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。为了提高钢的韧性和加工性，添加的Al的质量百分比不低于0.015％。此外，考虑到当Al的质量百分比高于0.060％时，钢中硫化物夹杂增多，对钢管的旋转疲劳性能产生较大的影响。基于此，本发明所述的稳定杆用钢管中控制Al的质量百分比为0.015～0.060％。

Cr：在本发明所述的稳定杆用钢管中，Cr是中强碳化物的形成元素。在本发明所述的技术方案中，钢中的Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体，以提高其稳定性，Cr元素是提高钢的淬透性的主要元素，为满足所需要的高的淬透性的要求，需将Cr含量的下限设定为0.3％，同时考虑到Cr元素与其他元素结合的添加效果，将Cr元素的添加上限控制为1.0％。

相较于现有技术公开号为CN109423580A，公开日为2019年3月5日，名称为“一种汽车空心稳定杆用钢管及其制造方法”的中国专利文献所公开的技术方案，本发明所述的稳定杆用钢管不采用Ti却可以达到与该现有技术的强韧性相同的技术效果，并且抗疲劳扭转性能更优。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其各化学元素的质量百分含量还满足下述各式的至少其中之一：

0.8％≤Mo+50B+Cr≤2.0％。

在上述技术方案中，本发明所述的稳定杆用钢管采的化学成分不含有成本较高的添加元素诸如Ca、Mg或稀土金属等成本较高的添加元素，其通过对化学成分的优化设计，例如以C、Mn为主要的强化元素，通过设计0.8％≤Mo+50B+Cr≤2.0％公式来控制Mo、B、Cr三种元素的组合添加，并且最终实现稳定杆用钢管的淬透性。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其还含有质量百分比含量在0.1％以下的Cu。

在本发明所述的技术方案中，Cu的加入可以提高钢的强度，特别是提高钢的屈强比，同时随着Cu的质量百分比的提高，钢的室温冲击性能也会随之略有提高，同时作为稳定杆用钢管的应用，Cu的质量百分比的提高还可以提高钢的疲劳强度。但是考虑到Cu加入过多会导致钢在热加工过程中容易产生开裂。因此，在本发明所述的稳定杆用钢管中可以控制含有质量百分比含量在0.1％以下的Cu。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其还含有下列各项的至少其中之一：As≤0.01％，Pb≤0.01％，Sn≤0.01％，Bi≤0.01％。

需要说明的是，在本技术方案中还可以添加上述元素，以进一步提高本案的稳定杆用钢管的性能。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其中，As+Pb+Sn+Bi≤0.03％。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，在其他不可避免的杂质中：P≤0.015wt％，S≤0.006wt％，N≤0.006wt％。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，在其他不可避免的杂质中，各杂质元素满足下列各项的至少其中之一：S≤0.006％，P≤0.015％，O≤0.0030％。

上述方案中，通过控制钢中的不可避免的杂质P、S、N以及O的质量百分比，从而提高了钢的韧性，进而保证了其制成稳定杆时的扭转疲劳性能。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其微观组织为板条细小的马氏体板条组织和弥散分布的Cr的碳化物析出相。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，马氏体板条间距不大于3μm；并且/或者晶粒度为6-7级。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其壁厚为8-28mm，其外径为40-130mm，并且其壁径比＞0.2。

上述方案中，壁径比是指钢管壁厚与钢管外径的比值。限定壁径比＞0.2是因为：应用于商用车的稳定杆在服役过程中需要承受更大的扭转的力，因此应用于商用车的稳定杆用钢管相应的钢管厚度需要增大，因此，壁径比也随之增大，而现有技术中采用焊管的加工方式所获得的钢管，受其加工条件的限制，是无法满足壁径比＞0.2的要求的，因此，其不适用于商用车用稳定杆。

进一步地，在本发明所述的稳定杆用钢管中，其性能满足下述各项的至少其中一项：

淬火态抗拉强度≥1700MPa，屈服强度≥1300MPa；

延伸率≥12％；

内、外表面脱碳层的深度均为0；

在600MPa应力的条件下，旋转疲劳性能大于120万次；

-20℃冲击功≥65J。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种稳定杆用钢管的制造方法，通过该制造方法可以获得高强韧、高抗旋转疲劳的稳定杆。

为了实现上述目的，本发明提出了一种上述的稳定杆用钢管的制造方法，其包括步骤：

(1)将轧制圆管坯在环型加热炉中加热，并均热保温；

(2)进行热穿孔，然后进行热连轧；

(3)采用再加热炉进行热连轧后的管坯再加热；

(4)对管坯进行张力减径减壁厚，然后自然冷却；

(5)退火、酸洗、磷化皂化；

(6)采用冷拔的加工方式冷加工至成品尺寸，其中相邻道次的冷加工之间采用完全退火热处理；

(7)在还原性气氛中进行成品热处理，其中成品热处理方式为正火+回火；其中正火温度为800-920℃，回火温度为500-750℃；

(8)冷弯成型；

(9)淬火+回火：其中，淬火温度为880-960℃，回火温度为250-350℃。

在本发明所述的制造方法中，通过控制步骤(6)以及步骤(7)中涉及的冷加工工艺以及热处理工艺的工艺参数，从而控制了最终所获得的产品性能，保证了最终产品的加工性能以及其在使用时不易发生开裂的问题。

此外，本发明所述的制造方法中，通过设置步骤(9)的淬火+回火的工艺参数，可以提高通过本发明所述的制造方法所制得的稳定杆用钢管所需要的高强度、高韧性的要求。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，控制加热温度为1190-1280℃，均热保温时间为20-60min。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制再加热温度为880-950℃，加热时间为20-90min。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(7)中，其中还原性气氛为N₂、H₂和CO的混合气体；其中H₂和CO的体积比例为20％～60％。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(9)中，采用感应淬火的方式进行淬火。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，步骤(6)中的工艺参数满足下述各项的至少其中之一：

采用拔制力大于100t的多线冷拔机进行冷加工；

控制每道次的变形系数为1.2-1.5；

相邻道次间的退火温度为700-820℃。

本发明所述的稳定杆用钢管及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的稳定杆用钢管具有高的壁径比，壁径比大于0.2，并且该稳定杆用钢管具备较高的强度和韧性，良好的抗旋转疲劳性能，淬火态抗拉强度≥1700Mpa，屈服强度≥1300MPa，延伸率≥12％，内外表脱碳层深度均为0，在600MPa应力的条件下，旋转疲劳性能大于120万次；-20℃的冲击功≥65J。

此外，本发明所述的稳定杆用钢管通过Mn、及少量的Cr、Mo、B元素复合添加来提高钢的淬透性，从而达到高强度和高扭转疲劳性能的效果。

另外，本发明所述的稳定杆用钢管在成分设计上无贵重金属添加，因此，极好地控制了产品成本。

本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。

在一些实施方式中，可以通过采用液压控制的多线冷拔机，配合相应的热处理工艺和变形制度，获得具有高壁径比的稳定杆用钢管，该稳定杆用钢管在较大的应力条件下可以满足疲劳性能要求。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的稳定杆用钢管及其制造方法做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A1-A10以及对比例B1-B5

实施例A1-A10的稳定杆用钢管以及对比例B1-B5的对比钢管采用以下步骤制得：

(1)将轧制圆管坯在环型加热炉中加热，并均热保温；

(2)进行热穿孔，然后进行热连轧，例如可以采用立式锥形穿孔机进行穿孔，随后采用连轧机组进行热连轧；

(3)采用再加热炉进行热连轧后的管坯再加热，加热温度890-950℃，保温时间20-90min；

(4)对管坯进行张力减径减壁厚，然后自然冷却；

(5)退火、酸洗、磷化皂化；

(8)冷弯成型；

在一些实施方式中，可以在步骤(1)中，控制加热温度为1190-1280℃，均热保温时间为20-60min。

在一些实施方式中，可以在步骤(3)中，控制再加热温度为880-950℃，加热时间为20-90min。

在一些实施方式中，可以在步骤(7)中还原性气氛可以为N₂、H₂和CO的混合气体；其中H₂和CO的体积比例为20％～60％。

在一些实施方式中，可以在在步骤(9)中，采用感应淬火的方式进行淬火。

另外，在一些实施方式中，可以在使得步骤(6)中的工艺参数满足下述各项的至少其中之一：

采用拔制力大于100t的多线冷拔机进行冷加工；

控制每道次的变形系数为1.2-1.5；

相邻道次间的退火温度为700-820℃：

退火温度820～870℃。

表1-1以及表1-2列出了实施例A1-A10的稳定杆用钢管以及对比例B1-B5的对比钢管的各化学元素的质量百分配比。

表1-1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、O以及N以外的其他不可避免的杂质)

表1-2

序号	Mo	B	Al	Cu	X<sub>总</sub>
						A1	0.15	0.005	0.018	0.02	1.2
A2	0.2	0.008	0.025	0.03	1.5
						A3	0.6	0.007	0.03	0.04	1.75
A4	0.5	0.006	0.025	0.06	1.7
						A5	0.4	0.005	0.04	0.08	1.65
A6	0.3	0.004	0.055	0.07	1.2
						A7	0.2	0.005	0.02	0.09	0.95
A8	0.5	0.006	0.025	0.03	1.55
						A9	0.4	0.007	0.04	0.02	1.55
A10	0.3	0.006	0.06	0.05	1.55
						B1	0.3	0.006	0.03	0.04	1.5
B2	0.5	0.008	0.05	0.03	1.1
						B3	0.4	<u>0.003</u>	0.04	0.02	1.35
B4	0.4	0.005	0.03	0.05	1.55
						B5	0.4	0.004	0.05	0.06	1.4

注：X_总＝Mo+50B+Cr，其中Mo、B、Cr分别表示相应的元素的质量百分比，例如Mo的质量百分比为0.15％，则代入公式时的代入数值为0.15

表2列出了实施例A1-A10的稳定杆用钢管以及对比例B1-B5的对比钢管的具体工艺参数。

表2.

表3列出实施例A1-A10的稳定杆用钢管以及对比例B1-B5的对比钢管的测试结果。

表3.

注：表中“合格”表示在600MPa应力的条件下，钢管旋转疲劳性能大于120万次，而“不合格”表示在600MPa应力的条件下，钢管旋转疲劳性能小于等于120万次。

结合表1、表2和表3可以看出，实施例A1-A10的稳定杆用钢管由于采用本案所涉及的化学元素质量百分比，并且配合相应的制造方法工艺，使得本案的各个稳定杆用钢管的性能可以达到壁厚在8～28mm，外径可以达到40～130mm，壁径比在0.2～0.3，淬火态抗拉强度为1760～1850MPa，淬火态的屈服强度可以达到1400～1470MPa，延伸率在13.5～15％，内、外表面脱碳层的深度均为0，并且在600MPa应力的条件下，旋转疲劳性能大于120万次。

反观对比例B1-B5的对比钢管，其要么质量百分比未满足本案所限定的范围，要么制造工艺参数未满足本案所限定的范围，致使这些对比钢管的综合性能大大不如本案的稳定杆用钢管。

此外，观察本案的各个稳定杆用钢管的微观组织可以看出，各个实施例的微观组织为板条细小的马氏体板条组织和弥散分布的Cr的碳化物析出相，其中，马氏体板条间距不大于3μm；并且/或者晶粒度为6-7级。

综上所述可以看出，本发明所述的稳定杆用钢管具有高的壁径比，壁径比大于0.2，并且该稳定杆用钢管具备较高的强度和韧性，良好的抗旋转疲劳性能，淬火态抗拉强度≥1700Mpa，屈服强度≥1300MPa，延伸率≥12％，内外表脱碳层深度均为0，在600MPa应力的条件下，旋转疲劳性能大于120万次；-20℃的冲击功≥65J。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种稳定杆用钢管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C：0.29-0.45％；

Si：0.05-0.35％；

Mn：1.3-1.6％；

Mo：0.1-0.6％；

B：0.004-0.009％；

Al：0.015-0.060％；

Cr：0.3-1.0％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其各化学元素的质量百分含量还满足：0.8％≤Mo+50B+Cr≤2.0％。

3.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其还含有质量百分比含量在0.1％以下的Cu。

4.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其还含有下列各项的至少其中之一：As≤0.01％，Pb≤0.01％，Sn≤0.01％，Bi≤0.01％。

5.如权利要求4所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其中，As+Pb+Sn+Bi≤0.03％。

6.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，在其他不可避免的杂质中：P≤0.015％，S≤0.006％，N≤0.006％。

7.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，各杂质元素满足下列各项的至少其中之一：S≤0.006％，P≤0.015％，O≤0.0030％。

8.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其微观组织为板条细小的马氏体板条组织和弥散分布的Cr的碳化物析出相。

9.如权利要求8所述的稳定杆用钢管，其特征在于，马氏体板条间距不大于3μm；并且/或者晶粒度为6-7级。

10.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其壁厚为8-28mm，其外径为40-130mm，并且其壁径比＞0.2。

11.如权利要求1所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其壁径比为0.2～0.3。

12.如权利要求1-11中任意一项所述的稳定杆用钢管，其特征在于，其性能满足下述各项的至少其中一项：

淬火态抗拉强度≥1700MPa，屈服强度≥1300MPa；

延伸率≥12％；

内、外表面脱碳层的深度均为0；

在600MPa应力的条件下，旋转疲劳性能大于120万次；

-20℃的冲击功≥65J。

13.如权利要求1-12中任意一项所述的稳定杆用钢管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：

(1)将轧制圆管坯在环型加热炉中加热，并均热保温；

(2)进行热穿孔，然后进行热连轧；

(3)采用再加热炉进行热连轧后的管坯再加热；

(4)对管坯进行张力减径减壁厚，然后自然冷却；

(5)退火、酸洗、磷化皂化；

(8)冷弯成型；

14.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制加热温度为1190-1280℃，均热保温时间为20-60min。

15.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，控制再加热温度为880-950℃，加热时间为20-90min。

16.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在步骤(7)中，其中还原性气氛为N₂、H₂和CO的混合气体；其中H₂和CO的体积比例为20％-60％。

17.如权利要求13所述的制造方法，其特征在于，在步骤(9)中，采用感应淬火的方式进行淬火。

18.如权利要求13-17中任意一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(6) 中的工艺参数满足下述各项的至少其中之一：

采用拔制力大于100t的多线冷拔机进行冷加工；

控制每道次的变形系数为1.2-1.5；

相邻道次间的退火温度为700-820℃。