CN113584264B - 一种低碳合金钢及销轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：(1)获得原料轧钢；(2)对上一步的产品进行正火处理；(3)对上一步的产品进行淬火处理；(4)对上一步的产品进行低温回火处理；所述原料轧钢的化学组成包括：C：0.16％～0.19％，Mn：0.8％～1.2％，Si≤0.30％，Ni：0.05％～0.15％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：≤0.02％，Mo：0.40％～0.60％，V：0.08％～0.15％，N：0.008％～0.015％，Ti：≤0.008％，Al：≤0.05％，P：≤0.05，S≤0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

一种低碳合金钢及销轴及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材料领域，具体涉及一种低碳合金钢及销轴及其制备方法。
背景技术
销轴是工程机械设备中常见的连接铰接件，工程机械设备具有自重大、高承载的特性，且工作中长期处于泥沙、粉尘等恶劣环境中，因此工程机械对配套销轴性能的要求较高，除承载能力满足要求，还要求其具有优异的耐磨性能。同时，为了满足轻量化的设计要求，销轴的强度也有更高的要求。此外，工程机械销轴为了实现固定、美观等效果，通常需要焊接处理，因此对销轴材质焊接性有一定要求。
工程机械销轴多采用45、40Cr、42CrMo、45B等材质圆钢，经正火、粗加工、淬火+高温回火、精加工、表面处理(镀铬、感应淬火、QPQ等)后，获得基体综合力学性能优良、表面高耐磨的销轴，销轴屈服强度在600～800MPa之间。
为了获得更高强度的销轴，满足重载设计和轻量化发展要求，本发明拟采用一种低碳高强度低合金钢材质制备销轴。通过调整合金元素含量，采用淬火+低温回火工艺，获得低碳马氏体组织，在保证耐磨性的前提下，显著提升销轴强度。目前该工艺方法多应用于具有良好焊接性能的超高强钢板和耐磨板的制备。
发明内容
发明人已知，相关技术的钢材料机械销轴多选用正火态中碳低合金圆钢，如45号钢、40Cr钢、42CrMo钢、45B钢等，依次经过机加工、调质(淬火+高温回火)处理、精加工、表面处理(镀铬、感应淬火、淬火抛光淬火(QPQ)处理)获得成品销轴。
发明人首次认识到，对于现有45、40Cr、42CrMo、45B等材质销轴，基体经调质处理，整体硬度在25～35HRC之间，显微组织为回火索氏体，屈服强度在600～800MPa之间。这些销轴基体硬度不高，为了提高耐磨性必须进行表面强化处理，如镀铬、感应淬火、QPQ处理等。另外，对一些重载连接部位，由于现用销轴强度受限，往往需要通过增加销轴直径来满足承载设计要求，无法满足轻量化要求。
本公开提供一种高强度耐磨销轴，其能满足重载部位设计要求，而且能够满足轻量化要求。
在一些方面，本公开提供一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)获得原料轧钢；
(2)对上一步的产品进行正火处理；
(3)对上一步的产品进行淬火处理；
(4)对上一步的产品进行低温回火处理；
所述原料轧钢的化学组成包括：
C：0.16％～0.19％，Mn：0.8％～1.2％，Si≤0.30％，Ni：0.05％～0.15％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：≤0.02％，Mo：0.40％～0.60％，V：0.08％～0.15％，N：0.008％～0.015％，Ti：≤0.008％，Al：≤0.05％，P：≤0.05，S≤0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在一些实施方案中，原料轧钢为热轧钢(再结晶温度以上轧制)。
在一些实施方案中，原料轧钢的化学组成特征在于以下一项或多项：
C：0.17wt％～0.19wt％；
Mn：1.0wt％～1.20wt％；
Si：0.15～0.25wt％，
Ni：0.1wt％～0.15wt％；
Cr：0.35wt％～0.40wt％；
Cu：0.01～0.02％；
Mo：0.55wt％～0.60wt％；
V：0.12％～0.15％；
N：0.01％～0.015％
Ti：0.004～0.006％；
Al：0.02～0.03％。
在一些实施方案中，步骤(2)～(4)的相邻步骤之间不包括其它金属热处理步骤。
在一些实施方案中，步骤(1)～(4)的相邻步骤之间不包括其它金属热处理步骤。
在一些实施方案中，正火处理包括：
将上一步产物加热至850～950℃(例如880～900℃)，保温2～3h，然后在气体冷却介质中冷却。
在一些实施方案中，淬火处理包括：
将上一步产物先加热至450～550℃(例如480～500℃)，保温40～60min，再加热至850～950℃(例如880～900℃)，保温40～60分钟，然后在液体冷却介质中冷却。
在一些实施方案中，低温回火处理包括：
将上一步产物加热至150～200℃(例如170～180)，保温80～120min，然后在气体冷却介质中冷却。
在一些实施方案中，低碳合金钢的含有板条马氏体组织。
在一些实施方案中，所述原料轧钢为热轧圆钢。热轧圆钢直径例如是100～150mm。
在一些实施方面，本公开提供一种低碳合金钢，由权利要求1～7任一项的方法制备获得。
在一些实施方案中，低碳合金钢具有以下一项或多项特征：
屈服强度≥1100MPa
抗拉强度≥1500MPa
断后伸长率≥13％
-40℃冲击功KV2≥60J；
硬度39～42HRC。
在一些实施方案中，低碳合金钢具有以下一项或多项特征：
屈服强度1100～1250MPa
抗拉强度1500～1700MPa
断后伸长率13～15％
-40℃冲击功KV2 65～75J；
硬度39～42HRC。
在一些方面，本公开提供一种制备低碳合金钢零件的方法，包括提供热轧圆钢；
按上述任一项所述的方法加工所述热轧圆钢，获得低碳合金钢零件粗成品；
对所述低碳合金钢销轴粗成品进行精加工，获得低碳合金钢零件；
在一些实施方案中，制备低碳合金钢零件的方法，还包括对所述低碳合金钢销轴进行表面增强处理。
在一些实施方案中，所述表面例如激光淬火处理、高频淬火处理、镀铬处理、或其组合
在一些实施方案中，所述零件为销轴或钻杆。
在一些方面，本公开提供一种低碳合金钢零件，由权利要求11所述的方法制备获得。
在一个实施方案中，气体冷却介质包括空气、还原性气体或惰性气体。
在一个实施方案中，将钢在气体冷却介质中冷却包括空冷或风冷。空冷是在空气中冷却。风冷是在流动的气体冷却介质中冷却。
在一个实施方案中，将钢在气体冷却介质中冷却时，在钢的表面喷洒液体冷却介质，例如喷洒水、水溶液、油或油溶液。
在一个实施方案中，淬火处理包括：将钢加热至AC3以上(30～50)℃，保温一段时间后，出炉以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下。以获得马氏体组织。
在一个实施方案中，临界冷却速度是指只发生马氏体转变的最小冷却速度。
术语说明
“板条马氏体”是指在一个原奥氏体晶粒内部有几个(3－5个)马氏体板条束，板条束间取向随意；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体板条，板条间是小角晶界。马氏体板条内存在大量的位错，所以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。
“热轧圆钢”符合国家标准GB/T 701-2008低碳钢热轧圆盘条。
本发明的有益效果
本发明一个或多个实施例具有以下一项或多项有益效果：
本发明提供了一种高强度耐磨销轴材质及制备方法，制备的销轴具有较高的强韧性配合和良好的耐磨性，相比目前销轴制备工艺，本发明制备工艺更加节能、流程更加简单。与现用销轴相比，本发明提供的销轴屈服强度提升50％以上，可以实现减重30％。
该发明制备的基体显微组织为回火马氏体
整体硬度39～42HRC
屈服强度≥1100MPa
抗拉强度≥1500MPa
断后伸长率≥13％
-40℃冲击功KV2≥60J。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为实施例1的销轴的金相照片。
具体实施方式
现在将详细提及本发明的具体实施方案。具体实施方案的例子图示在附图中。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。
实施例1。
本实施例中的低碳合金钢材质如下，以质量％计，其元素组分为，C：0.17％，Si：0.25％，Mn：1.0％，S：0.03％，P：0.02％，Ni：0.10％，Cr：0.35％，Cu：0.01％，Mo：0.55％，V：0.12％，N：0.010％，Ti：0.005％，Al：0.03％，余量为Fe。
按上述合金成分进行熔炼、浇铸，并通过热轧工艺加工至销轴所需规格圆钢(Φ50mm)。
圆钢经正火处理，正火温度900℃保温2h，出炉空冷。将圆钢锯切并粗加工至销轴半成品。
采用箱式电阻炉对销轴进行淬火热处理，先加热至500℃保温50min，随后加热至890℃保温50min，出炉后以竖直方式快速进入淬火液中，并不断搅动，降温至200℃左右出炉空冷。
将冷却的销轴半成品随炉加热至180℃，保温100min，出炉空冷。
将热处理后销轴进行精加工。
对精加工的销轴进行镀铬处理，镀铬层深度0.03mm～0.05mm，硬度55～59HRC。
实施例2
本实施例中的低碳合金钢材质如下，以质量％计，其元素组分为，C：0.19％，Si：0.25％，Mn：1.2％，S：0.05％，P：0.05％，Ni：0.15％，Cr：0.40％，Cu：0.02％，Mo：0.60％，V：0.15％，N：0.010％，Ti：0.004％，Al：0.02％，余量为Fe。
按上述合金成分进行熔炼、浇铸，并通过热轧工艺加工至销轴所需规格圆钢(Φ120mm)。
圆钢经正火处理，正火温度900℃保温3h，出炉空冷。
将圆钢锯切并粗加工至销轴半成品，采用箱式电阻炉对销轴进行淬火热处理，先加热至500℃保温50min，随后加热至890℃保温50min，出炉后以竖直方式快速进入淬火液中，并不断搅动，降温至200℃左右出炉空冷。
将冷却的销轴半成品随炉加热至180℃，保温120min，出炉空冷。
将热处理后销轴进行精加工。
对精加工的销轴进行镀铬处理，镀铬层深度0.03mm～0.05mm，硬度55～59HRC。
实施例1～2的低碳合金钢成分和热处理工艺分别如表1和2所示。
表1低碳合金钢成分
表2
分析检测
1、显微组织
对实施例1获得的销轴进行显微组织观察，其组织从表面至心部均为细小板条马氏体组织。见图1。对实施例2获得的销轴进行显微组织观察，其组织从表面至心部均为细小板条马氏体组织。
2、力学性能
对实施例1～2获得的随炉试棒进行了力学性能检测，检测标准参照GB/T 228.1-2010、GB/T 229-2020、GB/T230.1-2018，结果如下：
表3
实施例1 实施例2
屈服强度 1155MPa 1250MPa
抗拉强度 1610MPa 1690MPa
断后伸长率 14.5％ 13.5％
-40℃KV2冲击功 75J 65J
整体硬度 39～42HRC 40～42HRC
从上述结果可知，上述实施例制备的销轴具有较高的强韧性配合和良好的耐磨性，相比目前销轴制备工艺，本发明制备工艺更加节能、流程更加简单。与现用销轴相比，本发明提供的销轴屈服强度提升50％以上，可以实现减重30％。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (14)

1.一种低碳合金钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)获得原料轧钢；
(2)对上一步的产品进行正火处理；
(3)对上一步的产品进行淬火处理；
(4)对上一步的产品进行低温回火处理；
所述原料轧钢的化学组成包括：
C：0.17wt％～0.19wt％；
Mn：1.0wt％～1.20wt％；
Si：0.15～0.25wt％，
Ni：0.1wt％～0.15wt％；
Cr：0.35wt％～0.40wt％；
Cu：0.01～0.02％；
Mo：0.55wt％～0.60wt％；
V：0.12％～0.15％；
N：0.01％～0.015％
Ti：0.004～0.006％；
Al：0.02～0.03％，
余量为Fe和不可避免的杂质；
所述正火处理包括：将上一步产物加热至850～950℃，保温2～3h，然后在气体冷却介质中冷却；
所述淬火处理包括：将上一步产物先加热至450～550℃，保温40～60min，再加热至850～950℃，保温40～60分钟，然后在液体冷却介质中冷却；
所述低温回火处理包括：将上一步产物加热至150～200℃，保温80～120min，然后在气体冷却介质中冷却；
所述低碳合金钢的含有板条马氏体组织。
2.根据权利要求1所述的方法，正火处理包括：
将上一步产物加热至880～900℃，保温2～3h，然后在气体冷却介质中冷却。
3.根据权利要求1所述的方法，淬火处理包括：
将上一步产物先加热至480～500℃，保温40～60min，再加热至850～950℃，保温40～60分钟，然后在液体冷却介质中冷却。
4.根据权利要求1所述的方法，所述低温回火处理包括：
将上一步产物加热至170～180℃，保温80～120min，然后在气体冷却介质中冷却。
5.根据权利要求1所述的方法，所述原料轧钢为热轧圆钢。
6.根据权利要求5所述的方法，热轧圆钢直径是100～150mm。
7.一种低碳合金钢，由权利要求1～6任一项所述的方法制备获得。
8.根据权利要求7的低碳合金钢，其具有以下一项或多项特征：
屈服强度≥1100MPa
抗拉强度≥1500MPa
断后伸长率≥13％
-40℃冲击功KV2≥60J；
硬度39～42HRC。
9.根据权利要求7的低碳合金钢，其具有以下一项或多项特征：
屈服强度1100～1250Mpa；
抗拉强度1500～1700MPa；
断后伸长率13～15％；
-40℃冲击功KV2 65～75J；
硬度39～42HRC。
10.一种制备低碳合金钢零件的方法，包括
提供热轧圆钢；
按权利要求1～6任一项所述的方法加工所述热轧圆钢，获得低碳合金钢零件粗成品；
对所述低碳合金钢销轴粗成品进行精加工，获得低碳合金钢零件。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括对所述低碳合金钢销轴进行表面增强处理。
12.根据权利要求11所述的方法，所述表面增强处理包括激光淬火处理、高频淬火处理、镀铬处理、或其组合。
13.根据权利要求10所述的方法，所述零件为销轴或钻杆。
14.一种低碳合金钢零件，由权利要求10～13任一项所述的方法制备获得。
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