CN113737097A - 一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车零部件制作材料技术领域，尤其是一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法，解决了现有技术中汽车拔叉制作材料存在塑性较差，脆性高，热硬性差，耐磨损性能差，易变形开裂，综合使用寿命较短的问题，所述用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下原料：碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁。本发明配方科学、配比严谨，本发明将原料铁熔炼后，进行脱氧脱硫处理，最后分批次加入剩余原料熔炼获得合金熔体，将合金熔体通氮气处理后，加精炼剂精炼，浇铸后热处理、降温即得所需的用于汽车拔叉制作的碳钢材料；本发明制备方法简单，所得碳钢材料塑性和脆性好，具有优异的热硬性和耐磨损性，使用寿命得以大大延长。

Description

一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件制作材料技术领域，尤其涉及一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法。
背景技术
拨叉是汽车变速箱上的部件，与变速手柄相连，位于手柄下端，拨动中间变速轮，使输入/输出转速比改变。汽车拔叉是一种特殊的拔叉，其主要用于离合器换档，因此具有使用频繁的特点，且其维修成本较高，因此要求其具有高寿命。
现有的汽车拔叉设备制作材料主要为碳钢材料，汽车拔叉制作用碳钢材料生产工艺简单，铸造性能优良，但其存在塑性较差，脆性高，热硬性差，耐磨损性能差，易变形开裂，因此综合使用寿命较短。
中国发明专利CN106367684A公开了一种汽车拔叉，所述汽车拔叉的成分按质量百分比成分为：C：0.03-0.05%，Cr：2.61-2.63%，Si：0.12-0.15%，Mg：0.25-0.27%，Mn：0.45-0.47%，Ni：2.66-2.68%，Mo：0.02-0.05%，Al：0.015-0.035%，Zn：5.21-5.23%，Co：0.25-0.28%，Ti：0.07-0.09%，N≤0.007%，余量为Fe。该专利通过热处理，虽能在一定程度上避免有害元素晶界偏聚及粗大碳化物析出，从而防止降低拔叉的冲击韧性和疲劳强度。但同样存在塑性较差，脆性高，易变形开裂等缺陷。基于上述陈述，本发明提出了一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中汽车拔叉制作材料存在塑性较差，脆性高，热硬性差，耐磨损性能差，易变形开裂，综合使用寿命较短的问题，而提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料及其制备方法。
一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，碳0.37-0.55%、硅0.35-0.65%、铬0.05-0.2%、锰0.8-1.5%、铝1.0-1.4%、钨0.01-0.02%、钒0.03-0.08%、锆0.08-0.12%、钼0.2-0.5%、硼0.01-0.03%，余量为铁。
优选的，所述用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.4-0.5%、硅0.4-0.6%、铬0.1-0.16%、锰1-1.4%、铝1.1-1.3%、钨0.012-0.018%、钒0.04-0.06%、锆0.09-0.11%、钼0.3-0.4%、硼0.015-0.025%，余量为铁。
优选的，所述用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.45%、硅0.5%、铬0.14%、锰1.2%、铝1.2%、钨0.015%、钒0.05%、锆0.1%、钼0.35%、硼0.02%，余量为铁。
制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5-8kw/min的速率增加电源功率至52-58kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2-5%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5-10min，得纯净铁液；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8-1.5kw/min的速率增加电源功率至64-70kW，搅拌熔炼8-12min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5-0.8kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa-5×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15-22Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至580-650℃，保温1-2h后，经第二次升温至930-950℃，保温2-3h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料。
优选的，所述步骤S2中脱氧脱硫剂为质量比22-28:4-7:1-1.5的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物。
优选的，所述步骤S4中精炼剂为质量比7-9:1:1-3的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物。
优选的，所述步骤S4中精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5-1%。
优选的，所述步骤S5中第一次升温速率为180-220℃/h，第二次升温速率为90-120℃/h。
优选的，所述步骤S5中降温操作具体指：先以35-45℃/h的速率风冷至680-720℃，然后以70-90℃/h的速率风冷至350-380℃，保温3-4h，最后进行水淬使其快速降至室温。
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，具有以下有益效果：
1、本发明采用碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁为原料制得汽车拔叉制作的碳钢材料，配方科学、配比严谨，本发明将原料铁熔炼后，进行脱氧脱硫处理，最后分批次加入剩余原料熔炼获得合金熔体，将合金熔体通氮气处理后，加精炼剂精炼，浇铸后热处理、降温即得所需的用于汽车拔叉制作的碳钢材料；本发明制备方法简单，所得碳钢材料塑性和脆性好，具有优异的热硬性和耐磨损性，使用寿命得以大大延长。
2、本发明通过合理的原料选用，并对浇铸后的碳钢坯进行热处理，有效的均匀了碳钢材料中的化学成分，避免了某些元素的聚集，进而避免了碳钢材料表面易开裂，内部易形成孔隙的缺陷，本发明所得碳钢材料综合质量稳定均一。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5kw/min的速率增加电源功率至52kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比22:4:1的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8kw/min的速率增加电源功率至64kW，搅拌熔炼8min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为质量比7:1:1的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物，精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至580℃，保温1h后，经第二次升温至930℃，保温2h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，第一次升温速率为180℃/h，第二次升温速率为90℃/h；降温操作具体指：先以35℃/h的速率风冷至680℃，然后以70℃/h的速率风冷至350℃，保温3h，最后进行水淬使其快速降至室温。
实施例二
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.45%、硅0.5%、铬0.14%、锰1.2%、铝1.2%、钨0.015%、钒0.05%、锆0.1%、钼0.35%、硼0.02%，余量为铁。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以6.5kw/min的速率增加电源功率至55kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量3.5%的脱氧脱硫剂，搅拌混合8min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比25:5.5:1.2的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以1.2kw/min的速率增加电源功率至67kW，搅拌熔炼10min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.65kw/min的速率降至52.5kW，抽真空至3.5×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至18Pa，加精炼剂精炼处理15min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为质量比8:1:2的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物，精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.8%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至615℃，保温1.5h后，经第二次升温至940℃，保温2.5h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，第一次升温速率为200℃/h，第二次升温速率为105℃/h；降温操作具体指：先以40℃/h的速率风冷至700℃，然后以80℃/h的速率风冷至365℃，保温3.5h，最后进行水淬使其快速降至室温。
实施例三
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.55%、硅0.65%、铬0.2%、锰1.5%、铝1.4%、钨0.02%、钒0.08%、锆0.12%、钼0.5%、硼0.03%，余量为铁。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以8kw/min的速率增加电源功率至58kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量5%的脱氧脱硫剂，搅拌混合10min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比28:7:1.5的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以1.5kw/min的速率增加电源功率至70kW，搅拌熔炼12min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.8kw/min的速率降至55kW，抽真空至5×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至22Pa，加精炼剂精炼处理20min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为质量比9:1:3的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物，精炼剂的加入量为合金熔体总量的1%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至650℃，保温2h后，经第二次升温至950℃，保温3h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，第一次升温速率为220℃/h，第二次升温速率为120℃/h；降温操作具体指：先以45℃/h的速率风冷至720℃，然后以90℃/h的速率风冷至380℃，保温4h，最后进行水淬使其快速降至室温。
对比例一
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.37%、硅0.35%、铬0.05%、锰0.8%、铝1.0%、钨0.01%、钒0.03%、锆0.08%、钼0.2%、硼0.01%，余量为铁。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5kw/min的速率增加电源功率至52kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比22:4:1的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8kw/min的速率增加电源功率至64kW，搅拌熔炼8min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为氯化钠，精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至580℃，保温1h后，经第二次升温至930℃，保温2h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，第一次升温速率为180℃/h，第二次升温速率为90℃/h；降温操作具体指：先以35℃/h的速率风冷至680℃，然后以70℃/h的速率风冷至350℃，保温3h，最后进行水淬使其快速降至室温。
对比例二
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.37%、硅0.35%、铬0.05%、锰0.8%、铝1.0%、钨0.01%、钒0.03%、锆0.08%、钼0.2%、硼0.01%，余量为铁。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5kw/min的速率增加电源功率至52kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比22:4:1的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8kw/min的速率增加电源功率至64kW，搅拌熔炼8min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为质量比7:1:1的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物，精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯升温至930℃，保温3h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，升温速率为90℃/h；降温操作具体指：先以35℃/h的速率风冷至680℃，然后以70℃/h的速率风冷至350℃，保温3h，最后进行水淬使其快速降至室温。
对比例三
本发明提出的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，包括以下重量百分比的原料：碳0.37%、硅0.35%、铬0.05%、锰0.8%、铝1.0%、钨0.01%、钒0.03%、锆0.08%、钼0.2%、硼0.01%，余量为铁。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5kw/min的速率增加电源功率至52kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5min，得纯净铁液，其中，脱氧脱硫剂为质量比22:4:1的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8kw/min的速率增加电源功率至64kW，搅拌熔炼8min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体，其中，精炼剂为质量比7:1:1的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物，精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5%；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至580℃，保温1h后，经第二次升温至930℃，保温2h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料，其中，第一次升温速率为180℃/h，第二次升温速率为90℃/h；降温操作具体指：先以35℃/h的速率风冷至350℃，最后进行水淬使其快速降至室温。
分别测试实施例一-三以及对比例一-三中制备的用于汽车拔叉制作的碳钢材料的性能，得出如下结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：碳0.37-0.55%、硅0.35-0.65%、铬0.05-0.2%、锰0.8-1.5%、铝1.0-1.4%、钨0.01-0.02%、钒0.03-0.08%、锆0.08-0.12%、钼0.2-0.5%、硼0.01-0.03%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，其特征在于，碳0.4-0.5%、硅0.4-0.6%、铬0.1-0.16%、锰1-1.4%、铝1.1-1.3%、钨0.012-0.018%、钒0.04-0.06%、锆0.09-0.11%、钼0.3-0.4%、硼0.015-0.025%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：碳0.45%、硅0.5%、铬0.14%、锰1.2%、铝1.2%、钨0.015%、钒0.05%、锆0.1%、钼0.35%、硼0.02%，余量为铁。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、称取原料碳、硅、铬、锰、铝、钨、钒、锆、钼、硼和铁，备用；
S2、将原料铁加入到真空感应熔炼炉中，以5-8kw/min的速率增加电源功率至52-58kW，熔炼至铁完全熔化后，加入铁液总量2-5%的脱氧脱硫剂，搅拌混合5-10min，得纯净铁液；
S3、边搅拌边将碳、硅、锰和铝依次加入到步骤S2的纯净铁液中，以0.8-1.5kw/min的速率增加电源功率至64-70kW，搅拌熔炼8-12min后，边搅拌边依次加入铬、钨、钒、锆、钼和硼，继续熔炼至完全合金化，得合金熔体；
S4、将电源功率以0.5-0.8kw/min的速率降至50-55kW，抽真空至2×10-3Pa-5×10-3Pa，向步骤S3中的合金熔体中通入氮气至15-22Pa，加精炼剂精炼处理10-20min，得精炼合金熔体；
S5、将步骤S4中所得的精炼合金熔体浇铸成型获得碳钢坯，将碳钢坯经第一次升温至580-650℃，保温1-2h后，经第二次升温至930-950℃，保温2-3h，保温完成后，降至室温，即得所需的碳钢材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中脱氧脱硫剂为质量比22-28:4-7:1-1.5的碳酸钙镁石、硅酸铝钠和氧化钕的复配物。
6.根据权利要求4所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中精炼剂为质量比7-9:1:1-3的氯化钠、氟化钪和碳化硅的复配物。
7.根据权利要求4所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中精炼剂的加入量为合金熔体总量的0.5-1%。
8.根据权利要求4所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中第一次升温速率为180-220℃/h，第二次升温速率为90-120℃/h。
9.根据权利要求4所述的一种用于汽车拔叉制作的碳钢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中降温操作具体指：先以35-45℃/h的速率风冷至680-720℃，然后以70-90℃/h的速率风冷至350-380℃，保温3-4h，最后进行水淬使其快速降至室温。
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