CN114182173B - 发动机曲轴用非调质钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

发动机曲轴用非调质钢及其生产方法，钢的化学组成重量百分比为C=0.35%~0.40%，Si=0.45%~0.70%，Mn=1.50%~1.70%，P≤0.020%，S=0.055~0.075%，Cr=0.25%~0.35%，Al=0.015%~0.035%，N=0.015%~0.019%，其余为Fe和不可避免的杂质。工艺步骤包括：（1）复吹转炉冶炼；（2）精炼；（3）真空脱气处理；（4）连铸。用本发明方法生产的发动机曲轴用非调质钢钢种省去了价格较为昂贵的V、Ni等微合金元素，以价格较低的Si、Mn合金元素为主，并加入少量较为经济的S、N、Al、Cr元素，生产的轧制圆钢产品的夹杂物含量低、硫化物分布均匀、晶粒细度达8级以上，产品性能一致性较好，满足乘用汽车高质量、高性能的要求。

Description

发动机曲轴用非调质钢的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种低成本发动机曲轴用非调质钢及其生产方法。

背景技术

传统发动机曲轴用钢加工锻件常规热处理是在锻件冷却到室温后，采用再加热重新奥氏体化后淬火+高温回火的处理工艺。而非调质钢则免去了锻件调质热处理的过程，不但显著节约能源，而且简化了锻件处理工艺，缩短炉生产周期。但是，为了使非调质钢产品性能达到或接近调质钢水平，非调质钢通常需要加入一定的V、Ni、Mo等微合金元素以起到细晶强化和析出强化的作用，这又会增加非调质钢的生产成本。

以往的研究结果表明，钢中添加硫可阻止奥氏体晶粒长大，在同等条件下，含硫0.068％钢的奥氏体晶粒尺寸比含硫0.010％的钢小15～20μｍ；与含硫0.010％的钢相比，含硫0.068％的钢先共析铁素体形核速率高，长大速率低，先共析铁素体量较多，因而含硫0.068％的钢可获得细小弥散的铁素体+珠光体组织。由于S在钢中的溶解度特别小，一般都以硫化亚铁和硫化锰等化合物的形式存在于钢中，而且很多硫化物的共晶如Fe-FeS、FeS-FeO的熔点都很低，因此当钢材产品的加工温度超过钢中硫化物的共晶温度时，钢材产品的脆性将急剧增加，塑性降低，导致钢材产品锻造和轧制时开裂；但是硫对钢材产品的加工性能的影响和锰含量有很大关系，因为锰与硫的亲和力比铁强而形成了硫化锰取代了硫化亚铁，所以当Mn/S比大于3时钢材产品就有良好的加工性能而不会产生热脆性，而且硫化锰的熔点较高并在晶粒内部分布。

发明内容

本发明旨在提供一种低成本发动机曲轴用非调质钢及其生产方法，可生产成品为φ20mm~φ100mm规格轧制圆钢，其产品氧化物夹杂及全氧含量低，硫化物分布均匀，晶粒度达8.0~8.5级，带状组织≤2.0级，按缺陷容许直径SDHφ0.3mm×15mm以下超声探伤合格率达99.2%，客户加工后综合机械性能优良，工艺性能稳定性较好，能够很好的满足乘用汽车发动机曲轴的使用需求。

发明的技术方案：

发动机曲轴用非调质钢的生产方法，钢的化学组成重量百分比为C=0.35%~0.40%，Si=0.45%~0.70%，Mn=1.50%~1.70%，P≤0.020%，S=0.055~0.075%，Cr=0.25%~0.35%，Al=0.015%~0.035%，N=0.015%~0. 019%，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

（1）复吹转炉冶炼：铁水直接入炉，铁水和废钢总装入量145~155t，废钢占比30%~35%，控制出钢温度1620~1650℃，终点活度氧含量210~350ppm，出钢过程加入350kg铝铁进行沉淀脱氧，加入300kg高铝精炼合成渣+400kg石灰进行渣洗，采用滑板挡渣控制下渣量，确保钢包顶渣厚度小于40mm；

（2）精炼：LF炉精炼采用40kg铝粒+180kg碳化硅进行扩散脱氧，造渣量按12~13kg/吨钢控制，白渣保持时间30~40min，精炼升温≥1600℃时喂入800m硅氮线增氮；精炼脱氧完全后加入约200kg硅砂调整炉渣碱度，炉渣碱度按3.5~4.5控制，调渣完成后先喂50~60m纯钙线进行钙化处理，喂完纯钙线后软吹氩气5~8min后再喂硫线增硫，喂线速度需大于300m/min；

（3）真空脱气处理：在RH真空度0.5tor以下保持时间12~15min，保真空全程环流吹氮气，破空后根据硫含量检测结果一次性喂入硫线调整到位，喂完硫线后先软吹氩气8min再喂80m纯钙线进行钙化处理，之后再软吹氩气12~18min上台浇注；

（4）连铸：采用0.80m/min恒拉速浇钢，一冷水2800L/min，二冷比水量为0.34L/kg，结晶器电磁搅拌参数：电流250A、频率2.5HZ，铸坯断面280 mm×280mm。

发明原理：

为了提高发动机曲轴用非调质钢的综合机械性能，在C-Mn固溶强化的基础上，复合添加Si、S、Cr、Al、N等元素，充分发挥其细化奥氏体晶粒、沉淀强化、提高淬透性等作用以达到提升发动机曲轴锻件的性能及质量稳定性的目的。

钢中添加硫可阻止奥氏体晶粒长大，在同等条件下，含硫0.068％钢的奥氏体晶粒尺寸比含硫0.010％的钢小15～20μｍ；与含硫0.010％的钢相比，含硫0.068％的钢先共析铁素体形核速率高，长大速率低，先共析铁素体量较多，因而含硫0.068％的钢可获得细小弥散的铁素体+珠光体组织。

N是很强的形成和稳定奥氏体元素，N与钢中大多合金元素都有很强的亲和力，可形成极稳定的间隙相。氮化物与碳化物可互相溶解，形成碳氮化物，氮化物之间也可互相溶解，形成复合氮化物。这些化合物常以细小质点存在，产生弥散强化效果，提高钢的强度。N和钢种的Al化合形成AlN，AlN以及TiN以及NbN等都可有效阻止奥氏体晶粒粗化，得到细小的铁素体晶粒，有利于提高钢的韧性。

本发明的有益效果：本发明生产的钢种采用Cr、S、Al等较为经济的微合金化成分设计体系，利用微合金氮化物细化其奥氏体晶粒，采用自主设计创造的转炉+LF炉+真空处理的冶炼生产方法和操作步骤，并配合合适的连铸生产工艺参数，生产的发动机曲轴用非调质钢，可广泛应用于汽车及工程机械等多个领域，可大量替代现有的调质钢品种。本发明冶炼生产的非调质钢不仅其生产原料成本低，而且其锻造加工后，省去了传统的调质热处理工艺，在保证产品质量的同时，减少产品加工工序和生产成本，推进节约型低碳环保钢材新品种的研发进程。本发明利用钢厂现有设备和工艺条件，钢种原料成本低，且不增加投资和生产成本，又为下游客户提高了生产效率，节能减耗，具有较高的经济和社会效益。

附图说明

图1 为实施例1未浸蚀夹杂物照片。

图2 为实施例1超声AAA级探伤波形图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

实施例1：

发动机曲轴用非调质钢的生产方法，钢的化学组成重量百分比为C=0.38%，Si=0.53%，Mn=1.62%，P=0.010%，S=0.068%，Cr=0.28%，Al=0.018%，N=0.0177%，其余为Fe和不可避免的杂质；关键工艺步骤包括：

（1）复吹转炉冶炼：铁水直接入炉，铁水和废钢总装入量147t，废钢占比32%，出钢温度1628℃，终点活度氧含量270ppm，出钢过程加入350kg铝铁进行沉淀脱氧，加入300kg高铝精炼合成渣+400kg石灰进行渣洗，采用滑板挡渣控制下渣量，确保钢包顶渣厚度38mm。

（2）精炼：LF炉精炼加入40kg铝粒+180kg碳化硅进行扩散脱氧，总渣量12.8kg/吨钢，白渣保持时间35min，精炼升温到1605℃时喂入803m硅氮线增氮；精炼脱氧完全后加入约200kg硅砂调整炉渣碱度，炉渣碱度4.2，调渣完成后先喂50m纯钙线进行钙化处理，喂完钙线后软吹氩气8min后再喂硫磺线增硫，喂线速度300m/min。

（3）真空脱气处理：在RH真空度0.5tor以下，保持时间13min，保真空全程环流吹氮气，破空后根据硫含量检测结果一次性喂入硫磺线调整到位，喂完硫线后先软吹氩气8min再喂80m纯钙线进行钙化处理，之后再软吹氩气15min上台浇注。

（4）连铸：采用0.80m/min恒拉速浇钢，一冷水2800L/min，二冷比水量为0.34L/kg，结晶器电磁搅拌参数：电流250A、频率2.5HZ，铸坯断面280 mm×280mm。

实施例1热轧圆钢产品主要特性检测指标如表1，未浸蚀夹杂物照片、超声AAA级探伤波形图分别见图1、图2所示。

实施例2：

低成本发动机曲轴用非调质钢的生产方法，钢的组成重量百分比为C=0.37%，Si=0.55%，Mn=1.61%，P=0.011%，S=0.070%，Cr=0.27%，Al=0.021%，N=0.0175%，其余为Fe和不可避免的杂质；关键工艺步骤如下：

（1）复吹转炉冶炼：铁水直接入炉，铁水和废钢总装入量150t，废钢占比33%，出钢温度1630℃，终点活度氧含量300ppm，出钢过程加入350kg铝铁进行沉淀脱氧，加入300kg高铝精炼合成渣+400kg石灰进行渣洗，采用滑板挡渣控制下渣量，确保钢包顶渣厚度35mm。

（2）精炼：LF炉精炼加入40kg铝粒+180kg碳化硅进行扩散脱氧，总渣量12.5kg/吨钢，白渣保持时间37min，精炼升温到1610℃时喂入801m硅氮线增氮；精炼脱氧完全后加入约200kg硅砂调整炉渣碱度，炉渣碱度4.1，调渣完成后先喂50m纯钙线进行钙化处理，喂完钙线后软吹氩气8min后再喂硫磺线增硫，喂线速度300m/min。

（3）真空脱气处理：在RH真空度0.5tor以下，保持时间12min，保真空全程环流吹氮气，破空后根据硫含量检测结果一次性喂入硫磺线调整到位，喂完硫线后先软吹氩气8min再喂80m纯钙线进行钙化处理，之后再软吹氩气17min上台浇注。

（4）连铸：采用0.80m/min恒拉速浇钢，一冷水2800L/min，二冷比水量为0.34L/kg，结晶器电磁搅拌参数：电流250A、频率2.5HZ，铸坯断面280 mm×280mm。

实施例2热轧圆钢产品主要特性检测指标见表1。

实施例3：

低成本发动机曲轴用非调质钢的生产方法，钢的组成重量百分比为C=0.38%，Si=0.52%，Mn=1.65%，P=0.009%，S=0.069%，Cr=0.27%，Al=0.020%，N=0.0179%，其余为Fe和不可避免的杂质；关键工艺步骤如下：

（1）复吹转炉冶炼：铁水直接入炉，铁水和废钢总装入量152t，废钢占比35%，出钢温度1638℃，终点活度氧含量320ppm，出钢过程加入350kg铝铁进行沉淀脱氧，加入300kg高铝精炼合成渣+400kg石灰进行渣洗，采用滑板挡渣控制下渣量，确保钢包顶渣厚度40mm。

（2）精炼：LF炉精炼加入40kg铝粒+180kg碳化硅进行扩散脱氧，总渣量12.8kg/吨钢，白渣保持时间37min，精炼升温到1603℃时喂入802m硅氮线增氮；精炼脱氧完全后加入约200kg硅砂调整炉渣碱度，炉渣碱度4.0，调渣完成后先喂50m纯钙线进行钙化处理，喂完钙线后软吹氩气8min后再喂硫磺线增硫，喂线速度300m/min。

（3）真空脱气处理：在RH真空度0.5tor以下，保持时间15min，保真空全程环流吹氮气，破空后根据硫含量检测结果一次性喂入硫磺线调整到位，喂完硫线后先软吹氩气8min再喂80m纯钙线进行钙化处理，之后再软吹氩气16min上台浇注。

（4）连铸：采用0.80m/min恒拉速浇钢，一冷水2800L/min，二冷比水量为0.34L/kg，结晶器电磁搅拌参数：电流250A、频率2.5HZ，铸坯断面280 mm×280mm。

实施例3热轧圆钢产品主要特性检测指标见表1。

表1 实施例产品性能检测指标

从表1和图1、图2测试结果可见，采用本发明设计生产方法生产的轧制圆钢，其氧化夹杂物含量低、硫化物分布均匀、全氧含量较低、带状组织及奥氏体晶粒均达到较高水平，内部按GB/T4162中AAA级超声波探伤缺陷均满足客户要求，产品经客户试用检测合格。

Claims (1)

1.发动机曲轴用非调质钢的生产方法，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为C=0.35%~0.40%，Si=0.45%~0.70%，Mn=1.50%~1.70%，P≤0.020%，S=0.055~0.075%，Cr=0.25%~0.35%，Al=0.015%~0.035%，N=0.015%~0. 019%，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

复吹转炉冶炼：铁水直接入炉，铁水和废钢总装入量145~155t，废钢占比30%~35%，控制出钢温度1620~1650℃，终点活度氧含量210~350ppm，出钢过程加入350kg铝铁进行沉淀脱氧，加入300kg高铝精炼合成渣+400kg石灰进行渣洗，采用滑板挡渣控制下渣量，确保钢包顶渣厚度小于40mm；

精炼：LF炉精炼采用40kg铝粒+180kg碳化硅进行扩散脱氧，造渣量按12~13kg/吨钢控制，白渣保持时间30~40min，精炼升温≥1600℃时喂入800m硅氮线增氮；精炼脱氧完全后加入200kg硅砂调整炉渣碱度，炉渣碱度按3.5~4.5控制，调渣完成后先喂50~60m纯钙线进行钙化处理，喂完纯钙线后软吹氩气5~8min后再喂硫线增硫，喂线速度需大于300m/min；

（3）真空脱气处理：在RH真空度0.5tor以下保持时间12~15min，保真空全程环流吹氮气，破空后根据硫含量检测结果一次性喂入硫线调整到位，喂完硫线后先软吹氩气8min再喂80m纯钙线进行钙化处理，之后再软吹氩气12~18min上台浇注；

（4）连铸：采用0.80m/min恒拉速浇钢，一冷水2800L/min，二冷比水量为0.34L/kg，结晶器电磁搅拌参数：电流250A、频率2.5HZ，铸坯断面280 mm×280mm。

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