CN114411047A

CN114411047A - 一种汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺

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Publication number: CN114411047A
Application number: CN202210086045.XA
Authority: CN
Inventors: 邓向阳; 叶玉奎; 林俊; 沈艳; 李仕超; 谢有
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zhongtian Iron And Steel Group Huai'an New Materials Co ltd; Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2042-01-25
Also published as: CN114411047B

Abstract

本发明属于冶金技术领域，公开了一种汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺，钢成分为：C 0.39～0.44％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.75～0.85％、Cr 1.08～1.18％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni≤0.15％、Al 0.025～0.055％、Mo 0.05～0.10％、Cu≤0.10％、B≤0.0004％，余量是Fe和不可避免的杂质。本发明的组分结合冶炼工艺：KR处理脱硫、LF炉低碱度渣精炼、连铸过程慢拉速大轻压下量浇注、轧制工艺的优化，使得材料的淬透性、强度指标、钢水纯净度得到了大幅度提高，达到了国际领先水平，从而可以用来制作大吨位商用车转向节。

Description

一种汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种汽车转向系统用合金结构钢及生产方法，具体涉及一种汽车转向系统用合金结构钢的炼钢与轧制工艺。

背景技术

40Cr钢为中碳调质钢，该钢价格适中，具有良好的淬透性，经调质处理后，可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，并具有良好的低缺口敏感性和低温冲击韧性及良好的切削性能，因而具有较好的综合力学性能，在温度550-570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理。而42CrMo的Mo含量0.15-0.25％，而Mo含量高对汽车转向系统用合金结构钢的用途来说，Mo高容易出现韧性低、淬火开裂等缺陷。

40Cr钢用途广泛，经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。

40Cr油淬时可以淬透到Φ15-40mm，水淬时可以淬透到Φ28-60mm，但是对于乘用车转向节用大规格材料(Φ90-130mm)，该钢种淬透性是不够的，因此需要提高其强度与淬透性，同时由于使用条件苛刻，且属于汽车强制安保件，因此对钢水纯净度也提出了严格要求，如何提高40Cr材料的强度性能及纯净度，并用于大型汽车零部件制作：如商用车转向节，已经成为行业的一大难点。

发明内容

针对40Cr现有技术上存在的缺点，本发明的目的是提出一种高强度、高淬透性、高纯净度40CrA及其生产工艺，用以制造商用车转向节大型汽车零部件，与40Cr相比有较近C含量、Si含量、Mn含量，提高Cr含量，加入少量Mo元素，且通过提高钢水纯净度，最终达到改善其综合使用性能的目的。

本发明的目的主要是通过以下技术方案来实现的：

一种汽车转向系统用合金结构钢及生产方法，工艺包括成分优化设计、钢水冶炼、轧制，具体步骤如下：

一种汽车转向系统用合金结构钢按重量百分比其成分为：C 0.39～0.45％、Si0.15～0.40％、Mn 0.60～0.90％、Cr 1.00～1.20％、P≤0.025％、S≤0.015％、Ni≤0.20％、Al 0.020～0.060％、Mo≤0.20％、Cu≤0.20％，余量是Fe和不可避免的杂质。

优选的，该合金结构钢按重量百分比其成分为：C 0.39～0.44％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.75～0.85％、Cr 1.08～1.18％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni≤0.15％、Al0.025～0.055％、Mo 0.05～0.10％、Cu≤0.10％、B≤0.0004％，余量是Fe和不可避免的杂质。

生产工艺包括KR铁水预处理、120t转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理工艺、连铸和轧制工序，其工艺流程为：

(1)KR对铁水进行预处理，从而减轻LF精炼过程的脱硫任务，并采用低P铁水，控制入炉铁水P≤0.095％，控制KR结束后铁水硫含量≤0.008％；

(2)提前对Mo含量进行调整(调整Mo含量至0.05～0.10％)，转炉冶炼过程加入Mo铁，可以充分去除钼铁带来的水汽，同时减轻LF精炼炉成分调整负担；

(3)转炉冶炼过程控制用氧量，防止钢水过氧化，控制终点碳含量不低于0.06％，出钢过程采用滑板及挡渣锥双挡出钢，从而防止出钢过程下氧化渣；

(4)转炉出钢时按先后顺序依次加入碳化硅(1千克/吨)、铝饼(1千克/吨)、低氮增碳剂(N≤300ppm)、高碳铬铁(C含量0.05-0.12％)、低硼硅锰、硅铁、高碳铬铁及800千克/炉的精炼渣，调整至目标成分，并且含硅合金一次性加足，确保LF精炼过程不再补加含硅合金；

(5)LF过程造低碱度渣，不补加石灰，前期采用碳化硅(100-150千克/炉)和铝粒(50-80千克/炉)进行扩散脱氧及脱硫，精炼后期采用碳化硅(50千克/炉)进行炉渣维护，控制LF终渣炉渣碱度1.2-2.0，从而有利于D类夹杂物的控制，钢水出LF前通过喂入铝线控制出LF时钢水中铝含量0.060-0.070％；

(6)RH过程加强对钢水的去气去夹杂处理、真空(≤67Pa)处理时间范围为15min，RH破空后对钢水进行定氢，确保钢水氢含量不超过1.5ppm；

(7)连铸过程采用300mm*325mm大断面生产，并控制压缩比不小于7.0，同时连铸过程采用0.70m/min的慢拉速、使用轻压下，轻压下通过模拟计算采用25mm的大压下量；

(8)轧钢过程冷床上采用快速收集入坑缓冷，入坑前用红钢对缓冷坑进行预热，并确保入坑温度不低于500℃，可以防止轧材弯曲同时可以对材料中的氢进行充分扩散。

本发明的有益效果是：考虑到40Cr强度、淬透性偏低不适合做大型汽车零部件等问题。本发明做了如下工作：

①、对化学成分进行了优化调整，提高淬透性元素Mn和Cr含量，并添加强淬透性元素Mo。对脆性元素P和S含量进行控制，防止这些元素降低钢的冲击韧性。

②、采用KR预处理对铁水进行脱硫，虽然KR铁水预处理是常用操作，但本发明要求KR结束后S含量硫含量≤0.008％，可与后续精炼炉控制炉渣碱度1.2-2.0相协同配合，即可以得到低硫钢，减少A类夹杂物含量，又减轻了LF炉脱硫的负担，为精炼炉控制1.2-2.0低碱度渣创造有利条件。

③、精炼过程采用低碱度渣，从而可以提高钢水纯净度，尤其减少D类大颗粒夹杂物含量。对疲劳寿命影响最大的为Ds夹杂物，本发明专利Ds全部为0级。

④、连铸过程采用慢拉速；采用轻压下，并使用大的压下量，可以有效提高铸坯低倍质量，从而提高材料的组织均匀性。

通过上述努力，有效地提高了大规格材料(Φ90-130mm)的强度和淬透性，并提高了钢水纯净度，从而提高了用户使用性能。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种汽车转向系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：C 0.40％，Si0.25％，Mn 0.81％，Cr 1.10％，Al 0.031％，P 0.013％，S 0.002％，Mo 0.07％，Cu0.04％，Ni 0.01％，B 0.0003％，余为Fe。

工艺为KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸和轧制工序；

(1)KR铁水预处理：采用低P铁水，控制入炉铁水P≤0.095％，KR处理结束后铁水S含量降至0.008％。

(2)转炉冶炼：转炉冶炼过程按照钢水量配加钼铁，转炉出钢量120t，出钢P0.011％，出钢C 0.12％，出钢过程依次加入碳化硅120千克、120kg铝饼、合金(高碳铬铁、低硼硅锰、硅铁)、低氮增碳剂、800千克精炼渣，含硅合金一次性加足。

(3)LF精炼：LF精炼不加石灰，前期碳化硅使用量120千克，铝粒60千克，后期碳化硅使用量50千克，控制LF终渣炉渣碱度1.5，LF精炼结束喂入铝线控制钢水出LF时铝含量为0.064％。

(4)RH真空脱气：高真空(≤67Pa)时间15min；破空后对钢水进行定氢，钢水氢含量0.8ppm。

(5)连铸：连铸断面300mm×325mm，拉速0.70m/min，轻压下压下量25mm。

(6)轧制：轧制规格为

轧材快速入坑缓冷，进坑温度530℃。

实施例2：

一种汽车转向系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：C 0.41％，Si0.26％，Mn 0.79％，Cr 1.12％，Al 0.033％，P 0.012％，S 0.003％，Mo 0.06％，Cu0.04％，Ni 0.02％，B 0.0002％，余为Fe。

(1)KR铁水预处理：采用低P铁水，控制入炉铁水P≤0.095％，KR处理结束后铁水S含量降至0.007％。

(2)转炉冶炼：转炉冶炼过程按照钢水量配加钼铁，转炉出钢量120t，出钢P0.010％，出钢C 0.10％，出钢过程依次加入碳化硅120千克、120kg铝饼、合金(高碳铬铁、低硼硅锰、硅铁)、低氮增碳剂、800千克精炼渣，含硅合金一次性加足。

(3)LF精炼：LF精炼不加石灰，前期碳化硅使用量120千克，铝粒70千克，后期碳化硅使用量50千克，控制LF终渣炉渣碱度1.4，LF精炼结束喂入铝线控制钢水出LF时铝含量为0.062％。

(4)RH真空脱气：高真空(≤67Pa)时间15min；破空后对钢水进行定氢，钢水氢含量0.9ppm。

(6)轧制：轧制规格为

轧材快速入坑缓冷，进坑温度550℃。

实施例3：

一种汽车转向系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：C 0.39％，Si0.24％，Mn 0.78％，Cr 1.13％，Al 0.030％，P 0.012％，S 0.004％，Mo 0.07％，Cu0.05％，Ni 0.01％，B 0.0003％，余为Fe。

(2)转炉冶炼：转炉冶炼过程按照钢水量配加钼铁，转炉出钢量120t，出钢P0.009％，出钢C 0.14％，出钢过程依次加入碳化硅120千克、120kg铝饼、合金(高碳铬铁、低硼硅锰、硅铁)、低氮增碳剂、800千克精炼渣，含硅合金一次性加足。

(3)LF精炼：LF精炼不加石灰，前期碳化硅使用量100千克，铝粒60千克，后期碳化硅使用量50千克，控制LF终渣炉渣碱度1.7，LF精炼结束喂入铝线控制钢水出LF时铝含量为0.067％。

(4)RH真空脱气：高真空(≤67Pa)时间15min；破空后对钢水进行定氢，钢水氢含量1.2ppm。

(6)轧制：轧制规格为

轧材快速入坑缓冷，进坑温度535℃。

实施例4：

一种汽车转向系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：C 0.40％，Si0.23％，Mn 0.83％，Cr 1.09％，Al 0.033％，P 0.014％，S 0.002％，Mo 0.08％，Cu0.05％，Ni 0.02％，B 0.0003％，余为Fe。

(1)KR铁水预处理：采用低P铁水，控制入炉铁水P≤0.095％，KR处理结束后铁水S含量降至0.006％。

(2)转炉冶炼：转炉冶炼过程按照钢水量配加钼铁，转炉出钢量120t，出钢P0.011％，出钢C 0.09％，出钢过程依次加入碳化硅120千克、120kg铝饼、合金(高碳铬铁、低硼硅锰、硅铁)、低氮增碳剂、800千克精炼渣，含硅合金一次性加足。

(3)LF精炼：LF精炼不加石灰，前期碳化硅使用量140千克，铝粒70千克，后期碳化硅使用量50千克，控制LF终渣炉渣碱度1.3，LF精炼结束喂入铝线控制钢水出LF时铝含量为0.065％。

(4)RH真空脱气：高真空(≤67Pa)时间15min；破空后对钢水进行定氢，钢水氢含量1.3ppm。

(6)轧制：轧制规格为

轧材快速入坑缓冷，进坑温度545℃。

对比例1

对比例1与实施例1相比，区别在于：转炉冶炼过程不加Mo铁，成分控制中不添加Mo元素，其它操作同实施例1。

对比例2

对比例2与实施例1相比，区别在于：降低Cr含量，控制Cr含量1.00％，其它操作同实施例1。

对比例3

对比例3与实施例1相比，区别在于：不进行KR预处理，入转炉铁水S含量0.025％，其它操作同实施例，最终钢成分中硫含量偏高。

对比例4

对比例4与实施例1相比，区别在于：不采用低碱度渣，控制精炼炉终渣碱度3.5，其它操作同实施例1。

本发明实施例1～4，对比例1～4力学性能对比如下表1：

表1力学性能对比情况

表1性能是轧制成圆钢后，再对圆钢进行热处理后的性能，淬透性检测标准为：GB/T 225-2006钢淬透性的末端淬火试验方法；热处理条件为：淬火温度850℃，油冷，520℃回火，油冷。

表2非金属夹杂物级别对比(级)

结果表明：通过对成分的合理优化设计，提高或增加强淬透性元素含量，采用KR脱硫协同LF精炼过程采用低碱度渣减少D类夹杂物含量，同时连铸采用大的轻压下量，减少偏析，提高材料组织的均匀性，产品综合性能及用户最终使用性能达到了国际先进水平。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺，其特征在于：该合金结构钢按重量百分比其成分为：

C 0.39～0.44％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.75～0.85％、Cr 1.08～1.18％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni≤0.15％、Al 0.025～0.055％、Mo 0.05～0.10％、Cu≤0.10％、B≤0.0004％，余量是Fe和不可避免的杂质；

汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺：包括KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸和轧制工序，工艺流程为：

(1)采用低P铁水，控制入炉铁水P≤0.095％，KR铁水预处理，控制KR结束后铁水硫含量至0.008％以下；

(2)转炉冶炼，转炉冶炼过程加入Mo铁，控制终点碳含量不低于0.06％，出钢过程采用滑板及挡渣锥双挡出钢；

(3)转炉出钢时按先后顺序依次加入碳化硅、铝饼、低氮增碳剂、高碳铬铁、低硼硅锰、硅铁、高碳铬铁及精炼渣，含硅合金一次性加足，确保LF精炼过程不再补加含硅合金；

(4)LF过程造低碱度渣，不加石灰，前期采用碳化硅和铝粒进行扩散脱氧及脱硫，精炼后期采用碳化硅进行炉渣维护，控制LF终渣炉渣碱度1.2-2.0，钢水出LF前通过喂入铝线控制钢水出LF时铝含量0.060-0.070％；

(5)RH高真空(≤67Pa)处理，处理后对钢水进行定氢，确保钢水氢含量不超过1.5ppm；

(6)连铸过程采用300mm*325mm大断面生产，并控制压缩比不小于7.0，同时连铸过程采用慢拉速浇注、实施轻压下；

(7)轧钢过程冷床上采用快速收集入坑缓冷，入坑前用红钢对缓冷坑进行预热，确保高温入坑。

2.根据权利要求1所述的汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺，其特征在于：步骤(3)转炉出钢过程碳化硅加入量1千克/吨、铝饼1千克/吨。

3.根据权利要求1所述的汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺，其特征在于：步骤(6)控制连铸拉速0.70m/min，轻压下压下量25mm。

4.根据权利要求1所述的汽车转向系统用合金结构钢的生产工艺，其特征在于：步骤(7)控制轧材入坑温度不低于500℃。