CN114941101B

CN114941101B - 一种汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法

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Publication number: CN114941101B
Application number: CN202210403780.9A
Authority: CN
Inventors: 白云; 李文彬; 吴小林; 陈敏; 尹青
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2042-04-18
Also published as: CN114941101A

Abstract

本发明涉及一种汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法，产品化学成分：C：0.16～0.20％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.00～1.10％，Cr：1.20～1.30％，S：0.020～0.035％，P≤0.020％，Ni≤0.25％，Cu≤0.25％，Mo≤0.10％，Al：0.005～0.05％，Ti≤0.003％，O≤0.0015％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产流程铁水预处理—转炉—LF炉外精炼—RH真空脱气—连铸—加热—连轧—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装，采用铁水预处理、精炼、100％真空脱气处理，得到高纯净度的钢水，且通过大断面连铸及连续轧制，最终得到高纯净度、高淬透性、高致密性钢材，满足汽车发动机轴承轴套用钢的要求，从而替代铜金属材料或粉末冶金材料。

Description

一种汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法。

背景技术

随着汽车市场不断发展提升，人们对汽车的质量要求也日益提高，从而对汽车的动力性、操作性、舒适性及安全性有更高的要求，再加上能源及环境方法的要求，所以在设计汽车重要功能性零部件时，必须综合考虑其安全性、功能性、经济性和排放性等重要指标，因而对材料提出更高的要求。

汽车发动机作为汽车的重要组成部分，被誉为汽车的心脏，其各部位零件在运作中应更具安全性和可靠性。发动机轴承轴套作为发动机传动系统的重要部件，是套在发动机转轴上的筒状机械零件，是滑动轴承的一个组成部分。在汽车发动机传动系统中，确保主轴运转时不发生方向偏移。当发动机主轴在高速运转时，主轴与轴套之间存在多种交变负荷和冲击，轴套在长期运行过程中，轴套表面受到胀套的挤压力和复合机械力的作用，将导致其永久性变形或磨损，进而导致机械胀紧配合力度达不到要求的缩紧力，轴套与主轴之间出现配合间隙，引起了轴承轴套早期失效，最终导致发动机主轴振动过大发生方向偏移，故为了保证主轴能够安全可靠的运行，从而对原材料轴承轴套用钢提出了很高的要求。综上所述，发动机轴承轴套需要采用较高纯净度、较高组织均匀性和较高疲劳寿命的材料进行制备。

目前，汽车发动机轴承轴套主要采用铜金属材料或粉末冶金材料，由于铜金属材料及粉末冶金材料都属于较贵重材料，尤其是粉末冶金材料。其材料生产流程长，生产成本高，从而严重制约我国汽车行业的发展。为此，我公司采用真空脱气连铸连轧工艺，通过提高钢的纯净度、降低氧含量和残余有害元素的含量，改善钢材组织均匀性等关键质量指标，研制和生产具有高安全性、高可靠性、高寿命发动机轴承轴套用钢，从而推进汽车行业经济可持续的快速发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法，在目前生产高纯净度轴承钢的基础上，对化学成分进行合理设计，利用真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，对关键工序进行优化研究和控制，降低钢中氧含量和有害元素含量，减少非金属夹杂物，提高钢的纯净度；通过对连铸、轧制各工序的优化设计来控制钢材内部组织，从而改善组织均匀性，并使各性能满足汽车发动机轴承轴套用钢的要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：本发明对微观夹杂物、宏观夹杂物及淬透性都提出严格的要求，微观夹杂物包括A类、C类塑性夹杂物和B类、D类脆性夹杂物。塑性夹杂物在钢中是软的质点，在钢的变形过程中不易与基体之间产生分离，因此其危害较小；而脆性夹杂物在钢中是硬的质点，在轴承运转时产生各种应力集中，同时在钢的变形过程中易与基体分离产生裂纹，更加剧了应力集中易引起开裂，夹杂物颗粒越大、长度越长其危害越大。

本发明非金属夹杂物根据GB/T10561A法检验，各类夹杂物最大值不超过表1要求。

表1

本发明的宏观缺陷按SEP 1927(锻轧钢棒纯净度水浸超声测定方法)水浸高频探伤方法检验，单个夹杂物长度不超过3mm。

钢材低倍组织的均匀性和致密度对轴承的寿命有影响，本发明要求低倍组织采用ASTM E381对钢材低倍组织评级，要求S≤2、R≤2、C≤2，并且不允许出现缩孔、裂纹及皮下气泡。

为保证钢材的强度和韧性，本发明对晶粒度提出要求，按照DIN EN ISO643进行评级，要求晶粒度≥5级；为保证适用于轴套使用要求，本发明钢材对淬透性能提出要求，对淬透性的要求见下表2。

表2

基于上述要求，本发明提供一种汽车发动机轴承轴套用钢，对化学成分进行设计如下：C：0.16～0.20％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.00～1.10％，Cr：1.20～1.30％，S：0.020～0.035％，P≤0.020％，Ni≤0.25％，Cu≤0.25％，Mo≤0.10％，Al：0.005～0.05％，Ti≤0.003％，O≤0.0015％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的汽车发动机轴承轴套用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，极大提高材料的淬透性，但C过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本发明C含量的范围确定为0.16～0.20％。

2)Si含量的确定

钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si的增加，渗碳热处理过程中晶间易发生氧化的问题，影响渗碳质量。本发明Si含量的范围确定为0.20～0.40％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生产，因此钢中含有锰，能提高钢的纯净度和性能。同时锰在钢中起固溶强化、细化晶粒的作用来提高强度，能显著提高淬透性；但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点。本发明Mn含量的范围确定为1.00～1.10％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。可以增大奥氏体的过冷能力，提高淬透性，同时细化组织，得到强化的效果。此外，Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。综上考虑，本发明Cr含量的范围确定为1.20～1.30％。

5)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，也属于细化晶粒元素。铝元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬透性，并提高强韧性。但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al₂O₃等脆性夹杂，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为0.005～0.05％。

6)Ti含量的确定

Ti对轴承危害方式是以氮化钛，碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在纯洁度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。含Ti夹杂物不仅降低轴承的疲劳寿命，而且影响轴承的粗糙度。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003％。

7)O含量的确定

氧在炼钢过程中自然进入钢中的，后期余留在钢中的氧，在钢中主要以FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等夹杂形式存在，特别是Al₂O₃夹杂物影响钢材的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。大量试验表明，氧含量的降低对提高轴承疲劳寿命显著有利。本发明O含量的范围确定为≤0.0015％。

8)S含量的确定

硫与锰优先形成高熔点的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑造性，从而避免了热脆性。增加一部分硫，可形成较多的MnS，在后续切削加工中，MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性。本发明S含量的范围确定为0.020～0.035％

9)P含量的确定

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.020％。

10)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在轴承钢中的存在，引起轴承零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

本发明是一种提供汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其工艺流程为铁水预处理—转炉—LF炉外精炼—RH真空脱气—连铸—连轧—锯切—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装。

主要步骤如下:

(1)钢水冶炼：

铁水预处理、转炉：生产过程中选用优质铁水、废钢及原辅料，经过铁水预处理(减少有害元素P)；在转炉吹氧进行初炼，在初炼过程中通过控制往钢水中吹氧量以及热量供应的关系：吨钢吹氧量为40立方米～55立方米，通过吹氧量结合反应动力学条件，将铁水中的碳降低达到钢水标准要求并进一步去除有害元素P(终点P≤0.015％)，控制初炼炉出钢时的终点碳≥0.06％，出钢温度≥1620℃，转炉出钢采用挡渣塞挡渣，炉后扒渣等控制等工艺技术，有效扒除钢中上浮的各类有害夹杂物；

精炼炉：在LF精炼炉选用优质脱氧剂及耐火材料，采用高性能精炼合成渣进行脱氧及去除各类有害夹杂物。在冶炼过程中，在钢水通电10min后一次性加入高性能精炼合成渣且每隔10min～15min往钢水中加入5Kg～10Kg的Al粒，进行脱氧及去除各类有害夹杂物，通过CaO-Al₂O₃-SiO₂三元渣系进一步控制钢材各类夹杂物的数量及形态，保证钢水冶炼时间≥50min，充分发挥LF炉脱氧及去除夹杂物的能力；

真空脱气：在RH真空脱气时，真空炉内最高真空度≤1.33mbar，保持钢水真空循环处理时间≥20min，真空处理结束后，在钢包底部吹入氩气，控制氩气流量以钢水不裸露在空气中为准，钢水软吹时间≥10min。最终进一步去除钢种的有害气体及非金属夹杂物；

(2)连铸：全程做好保护浇注，有效的防止钢水二次污染氧化；采用中间包感应加热、轻压下和联合电磁搅拌，有效阻止柱状晶区的长大，增大中心等轴晶区，使组织晶粒更加细小；连铸采用低过热度浇注(过热度△T≤20℃)；中间包钢水量在20～25吨，采用轻压下控制(压下量10mm～12mm)，浇注拉速0.55～0.65m/min；钢流比水量控制在0.75～1.0L/kg，通过以上各种控制技术，进一步改善钢水内部组织的均匀性；

(3)连轧：连铸坯热送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成圆棒材。具体的轧制工艺为：连铸坯料通过输送辊道进入步进式加热炉，钢材在加热炉预热段温度控制在700～950℃，加热段温度控制在1100～1200℃，均热段温度控制在1200～1260℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在3小时以上。轧制开轧温度控制在1050℃～1200℃，终轧温度控制在850℃以上，轧制完成后应缓慢冷却，以防晶粒粗大；

(4)精整：包括矫直、倒角等精整工序，确保尺寸在±0.2mm范围，弯曲度≤2mm/m；

(5)表面及内部采用100％无损检测，检验合格才能成为合格品。

主要生产工艺特点如下：

1、钢水冶炼须通过选用优质铁水，铁水进行预处理减少有害元素P；转炉无死角搅拌造渣去除有害元素P，冶炼终点精确控制技术、出钢挡渣控制等工艺技术，解决现有技术有害元素Ti、As、Sn、Pb、Sb含量偏高的问题；

2、采用LF精炼炉高性能合成渣造渣脱氧技术及RH真空循环脱气技术，将钢中的非金属夹杂物及O、H含量降低至极低水平，夹杂物数量和尺寸达到世界领先水平；

3、连铸采用全程保护浇注，保护钢水不被二次氧化污染；低过热度浇注、联合电磁搅拌、采用大截面连铸坯，断面大压缩比，保证了钢材的均匀性及致密度；

4、轧钢采用总加热时间≥3h，使钢材内部组织充分得到转变，充分让钢种的偏析组织充分弥散，减少集中聚集产生的内部应力；

5、在精整中，对钢材尺寸进行精确控制，确保尺寸满足产品要求；

6、表面及内部采用100％无损检测，确保产品为合格品。

7、从产品制造上讲，采用真空脱气加连铸工艺生产的钢材，相比铜金属材料或粉末冶金材料，大大降低了制造成本，缩减了生产周期，提高了生产效率，并有利于实现规模化生产；

8、本发明生产的汽车发动机轴承轴套用钢满足如下指标要求：

微观夹杂物根据GB/T 10561A法检验，非金属夹杂物满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.0；B类粗系≤0.5；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；DS类≤1.0。宏观缺陷按SEP1927水浸高频探伤方法检验，宏观夹杂物单个夹杂物长度不超过3mm；钢材低倍组织ASTME381法，要求C≤2、R≤2、S≤2，并且不允许出现缩孔、裂纹及皮下气泡；钢材晶粒度DIN EN ISO643法，要求晶粒度≥5级；钢材淬透性满足J1.5(39-45HRC)，J3(35-44HRC)，J5(32-41HRC)，J7(28-38HRC)，J9(24-35HRC)。

具体实施方式

下面结合实例对本发明内容作进一步说明。

本发明各实施例汽车发动机轴承轴套用钢的化学成分(wt％)见表3、表4。

表3

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Al
										本发明实施例1	0.18	0.30	1.05	0.008	0.028	1.26	0.01	0.02	0.023
本发明实施例2	0.19	0.32	1.07	0.007	0.027	1.25	0.01	0.02	0.020
										本发明实施例3	0.18	0.31	1.06	0.007	0.026	0.26	0.01	0.02	0.021

表4

	Mo	As	Sn	Sb	Pb	Ti	O
								本发明实施例1	0.01	0.0058	0.0018	0.0012	0.001	0.0009	0.00061
本发明实施例2	0.01	0.0055	0.0012	0.0010	0.001	0.0011	0.00058
								本发明实施例3	0.01	0.0056	0.0015	0.0013	0.001	0.0010	0.00059

表5各实施例钢材的夹杂物

表6各实施例钢材的低倍数据

表7各实例钢材的晶粒度数据

表8各实施例钢材的水浸高频探伤数据

表9各实施例钢材的末端淬透性数据

本发明实施例的汽车发动机轴承轴套用钢的制造流程为铁水预处理—转炉—LF炉外精炼—RH真空脱气—连铸—加热—连轧—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装。

具体地，冶炼时选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C控制在0.08～0.10％，终点P控制在≤0.015％以下，出钢温度在1630℃～1660℃；在精炼炉进行脱氧及去除夹杂过程中，三个实施例使用Al粒控制在25～40Kg，在真空脱气中，三个实施例钢水真空循环处理时间≥20min，钢水软吹时间≥10min；在连铸拉浇中，三个实施例的过热度控制在≤20℃，中间包钢水量在20～25吨，采用轻压下控制(压下量10mm～12mm)，浇注拉速0.55～0.65m/min；钢流比水量控制在0.75～1.0L/kg；轧钢加热均热段温度控制在1200～1260℃，加热总时间≥3h，出炉后的方坯料经高压水除磷后进入25架机组并轧制成圆棒材，总压缩比＞20，圆棒材锯切端部，下线进行堆冷，堆冷至温度≤200℃；轧钢加热、轧制及冷却工艺如下表10所示。再随后将棒材经后续矫直、倒角、表面及内部探伤，制得目标棒材成品。

表10轧钢加热、轧制及冷却工艺

由表3、4、5、6、7、8、9可知，本发明各实施例中的汽车发动机轴承轴套用钢，有害元素如磷、氧、钛以及非金属夹杂物控制水平达到国际先进水平，从低倍检验、末端淬透性及组织晶粒度结果看，本发明的低倍质量、淬透性、组织均匀性、致密度均满足汽车发动机轴承轴套的要求。

同时，各实施例按SEP 1927法进行水浸高频探伤检验，宏观夹杂物达到零缺陷。

综上，本发明采用真空脱气连铸工艺生产的汽车发动机轴承轴套用钢及其生产方法，在纯净度方面，采取铁水预处理、精炼、真空脱气各工序有效的去除有害非金属夹杂，在组织均匀性和致密度方面，通过对连铸、轧制的关键参数进行优化，得到一套最优生产工艺，最终获得高纯净度、高组织均匀性和高致密度的钢材，产生一种高效率、低成本、高质量的生产模式，从而替代铜金属材料或粉末冶金材料。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：所述钢的化学成分按质量百分比如下：C：0.16～0.20%，Si：0.15～0.35%，Mn：1.00～1.10%，Cr：1.20～1.30%， S：0.020～0.035%，P≤0.020%，Ni≤0.25%，Cu≤0.25%，Mo≤0.10%，Al：0.005～0.05%，Ti≤0.003%，O≤0.0015%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述生产方法的具体流程包括：铁水预处理—转炉—LF炉外精炼—RH真空脱气—连铸—加热—连轧—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装，主要步骤如下：

（1）钢水冶炼：

铁水预处理、转炉：生产过程中选用优质铁水、废钢及原辅料，经过铁水预处理；在转炉吹氧进行初炼，在初炼过程中通过控制往钢水中吹氧量以及热量供应的关系，控制初炼炉出钢时的终点碳≥0.06％，出钢温度≥1620℃；

精炼炉：在LF精炼炉选用优质脱氧剂及耐火材料，采用高性能精炼合成渣进行脱氧及去除各类有害夹杂物；

真空脱气：在RH真空脱气时，真空炉内最高真空度≤1.33mbar，保持钢水真空循环处理时间≥20min，真空处理结束后，在钢包底部吹入氩气，控制氩气流量以钢水不裸露在空气中为准，钢水软吹时间≥10min；

（2）连铸：全程做好保护浇注，有效的防止钢水二次污染氧化；采用中间包感应加热、轻压下和联合电磁搅拌，有效阻止柱状晶区的长大，增大中心等轴晶区，使组织晶粒更加细小；

（3）连轧：连铸坯热送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成圆棒材；

（4）精整：包括矫直、倒角精整工序，确保尺寸在±0.2mm范围，弯曲度≤2mm/m；

（5）表面及内部采用100%无损检测，检验合格才能成为合格品。

2.根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：所述钢的微观夹杂物根据GB/T 10561 A法检验，非金属夹杂物满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.0；B类粗系 ≤0.5；C类细系 = 0；C类粗系 = 0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；DS类≤1.0。

3. 根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：所述钢材的宏观缺陷按SEP 1927水浸高频探伤方法检验，宏观夹杂物单个夹杂物长度不超过3mm；钢材低倍组织ASTM E381法，要求C≤2、R≤2、S≤2，无缩孔、裂纹及皮下气泡；钢材晶粒度DIN EN ISO643法，晶粒度≥5级；钢材淬透性满足J1.5：39-45HRC，J3：35-44HRC，J5：32-41HRC，J7：28-38HRC，J9：24-35HRC。

4.根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：所述吹氧量以及热量供应的关系为每吨钢吹氧量为40立方米~55立方米，通过吹氧量结合反应动力学条件，将铁水中的碳降低达到钢水标准要求并进一步去除有害元素P终点P≤0.015%。

5.根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：在冶炼过程中，在钢水通电10min后一次性加入高性能精炼合成渣且每隔10min~15min往钢水中加入5kg~10kg的Al粒，进行脱氧及去除各类有害夹杂物，通过CaO-Al₂O₃-SiO₂三元渣系进一步控制钢材各类夹杂物的数量及形态，保证钢水冶炼时间≥50min，充分发挥LF炉脱氧及去除夹杂物的能力。

6. 根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：连铸采用低过热度浇注，过热度△T≤20℃；中间包钢水量在20~25吨，采用轻压下控制，压下量10mm~12mm，浇注拉速0.55~0.65m/min；钢流比水量控制在0 .75~1 .0L/kg，通过以上各种控制技术，进一步改善钢水内部组织的均匀性。

7.根据权利要求1所述的一种汽车发动机轴承轴套用钢的生产方法，其特征在于：所述轧制工艺具体为：将连铸坯料通过输送辊道进入步进式加热炉，钢材在加热炉预热段温度控制在700~950℃，加热段温度控制在1100~1200℃，均热段温度控制在1200~1260℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在3小时以上，轧制开轧温度控制在1050℃~1200℃，终轧温度控制在850℃以上，轧制完成后应缓慢冷却，以防晶粒粗大。