CN114959442B - 一种冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法。该热轧棒材的化学成分质量百分数为C:0.12～0.18％，Si:0.01～0.10％，Mn:0.50～0.90％，Cr:0.80～1.30％，S:≤0.010％,P:≤0.015％,Al:0.020～0.060％，N:0.009～0.025％,(Al‑Ti)/N≥1.93，Cu:≤0.08％,Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％,Ti:≤0.01％余量为Fe及不可避免的杂质。并且钢的淬透性满足钢的淬透性满足J3mm＝31～39HRC,J5mm≤29HRC。经过KR铁水脱硫预处理→转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气处理→连铸小方坯浇铸→步进式加热炉加热→连铸方坯表面火焰清理→粗轧→中轧→精轧→入保温罩缓冷→上冷床空冷→锯切→检验入库等工艺步骤，制造的热轧棒材的规格为φ18‑φ60mm。

Description

一种冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及特种钢冶炼与轧制的技术领域，具体涉及一种冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法。

背景技术

万向节十字轴，是实现变角度动力传递的零部件，用于改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统中万向传动装置的“关节”部件。传统的万向节主要采用的是热锻成型。采用热锻方式加工万向节十字轴时，热锻后的毛坯需要预留较多的切削加工余量，十字轴毛坯加工过程中损耗较大，造成原材料大量的浪费。

本发明涉及一种冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法。“冷挤压”对钢材有什么要求？

冷挤压要求钢材硬度低，并且铁素体含量较高，若钢材硬度偏高，容易造成钢材冷挤压过程中变形量最大的地方首先发生开裂；其次，冷挤压要求钢材的低倍组织均匀，均匀的低倍组织有助于钢材冷挤压过程中变形的一致性，从而提高冷挤压后零件的尺寸精度；冷挤压成型后的零件表面加工余量较少，因此要求钢材表面脱碳层浅；冷挤压成型后的零件表面加工余量较少，因此要求钢材表面脱碳层浅；冷挤压过程中破坏了钢材原子间的原有平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变，在产生晶格畸变时，原子离开了平衡位置，引起势能增加,钢材晶粒的稳定性会有所降低，因此要求钢材全截面晶粒度拥有较高的稳定性，钢材整个横截面的奥氏体晶粒均≥6.5级。

公开号CN112853211A的专利文献涉及一种乘用车万向节叉冷锻用钢及其制造方法，钢的化学成分按质量％计含有C：0.04～0.10％，Si：0.01％～0.12％，Mn：0.40～0.60％，P：≤0.015％，S：0.020～0.035％，Cr：≤0.10％，Ni：≤0.10％，Cu：≤0.10％，Mo：≤0.02％，Al：0.020％～0.050％，N：0.007％～0.009％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；钢的组织为铁素体和珠光体，其中珠光体的球化率≥85％。生产工艺路线：铁水预处理—转炉初炼—精炼—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—球化退火—车皮。以Φ20mm-Φ40mm的棒材为例，表面硬度≤110HV30；Rp0.2≤280MPa、Rm≤360MPa、延伸率A5≥40％、断面收缩率Z≥75％、产品具有优异的塑性和低变形抗力，是一种性能理想的冷锻用钢。

现有专利需要轧后冷却后再进炉球化退火以降低钢材的硬度，并且还需要表面车皮处理去除表面的脱碳，球化退火与车皮的生产成本均很高。

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冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法，采用轧后控制冷却，连铸方坯出加热炉后采用火焰清理机去除方形铸坯表面的脱碳、裂纹、凹坑等缺陷的方式降低钢材表面脱碳深度，减少钢材表面裂纹。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种冷挤压用万向节十字轴用钢，所述钢种的化学成分重量百分比为C:0.12～0.18％，Si:0.01～0.10％，Mn:0.50～0.90％，Cr:0.80～1.30％，S:≤0.010％,P:≤0.015％,Al:0.020～0.060％，N:0.009～0.025％,(Al-Ti)/N≥1.93，Cu:≤0.08％,Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％,Ti:≤0.01％余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：

C:是提高钢材淬透性的首要控制元素，在固溶体中会形成铁的碳化物Fe₃C，在钢中随着含碳量的增加，钢的淬透性与强度也随之提高。但过高的碳含量会显著降低钢材的塑性，对钢材的冷挤压性能不利。因此，本发明中的钢材采用低碳设计，C含量选择范围为0.12～0.18％。

Si:硅元素会导致钢材在冷挤压的塑性变形过程中产生冷作硬化，同时零件在加热过程中会引起钢材的晶间氧化。因此，本发明采用低硅设计，Si含量的选择范围为0.01～0.10％。

Mn:钢中加入适量的锰合金，可以适度提高钢材的淬透性。但是当锰含量超过0.90％时，钢材的塑性会显著下降。因此，本发明中的Mn含量选择范围为0.50～0.90％。

Cr:在低碳钢中加入铬能有效提高钢材的强度，但是过高的铬会降低钢材的延展性，不利于钢材的冷挤压加工。因此，本发明中的Cr含量选择范围为0.80～1.30％。

S:硫在本发明钢中属于有害元素。硫虽能与钢中的锰元素相结合形成硫化锰，起到改善钢材切削性能的作用，但是过量的硫化锰夹杂物会显著降低钢材的疲劳寿命。而且本发明钢种属于冷挤压用钢，零件的机加工过程中切削量较少。因此，本发明S含量的选择范围为S≤0.010％。

P:磷在本发明钢中属于有害元素。磷元素会使钢的强度和塑性降低，并使钢冷挤压性能变差，特别是在低温时更容易发生冷脆现象。因此，本发明P含量的选择范围为P≤0.015％。

Al:作为脱氧剂与细化晶粒的元素加入钢中。本发明的Al含量选择范围为0.020～0.060％。

N:作为细化晶粒的元素加入钢中，钢中的N元素易与Ti元素相结合，形成高硬度、棱角形的非金属夹杂物TiN，钢中剩余的N元素会与Al元素相结合形成AlN质点，细小弥散的AlN质点能够有效抑制钢材晶粒长大。因此，钢中的N含量选择范围为N:0.009％～0.025％,并且需要满足(Al-Ti)/N≥1.93。因Ti与N的结合力远超Al与N的结合力，因此一部分N元素首先会与钢中的Ti元素相结合形成棱角状的大尺寸非金属夹杂物TiN，该夹杂物起不到钉扎晶界，细化奥氏体晶粒度的作用。钢中剩余的氮元素会与Al元素相结合，形成的细小的AlN质点才能够细化钢材的奥氏体晶粒度。因Al/N＝1.93，钢中Ti元素会全部与N元素结合，为确保钢中形成足够的AlN质点，钢中必须添加足量的Al元素，因此(Al-Ti)/N≥1.93。若(Al-Ti)/N＜1.93，钢中没有足够的AlN质点细化晶粒，热轧圆钢整个横截面的奥氏体晶粒就无法达到6.5级。

Cu、Ni、Mo、Ti:属于本发明钢种的残余元素，降低钢中残余元素的含量有利于钢材淬透性的稳定控制。因此，本发明的Cu、Ni、Mo、Ti含量选择范围为Cu:≤0.08％,Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％,Ti:≤0.01％。

上述冷挤压用万向节十字轴用钢的制备方法包含如下工艺步骤：

(1)采用KR预脱硫、转炉冶炼、精炼炉精炼、RH炉真空脱气处理，RH真空脱气处理后根据钢水中的氮含量与残余钛含量，喂入适量的铝线，以保证(Al-Ti)/N≥1.93，钢水成分调整到位后吊装至连铸回转平台，经大包长水口、中间包、浸入式水口最终流入连铸结晶器内，最终通过方型连铸结晶器浇铸出厚度为200～300mm的正方形连铸坯。

(2)高温状态(500-650℃)的连铸方坯入步进式加热炉加热，加热炉使用高炉煤气将方形连铸坯加热至1170-1265℃，并且在该温度下保温200min。连铸方坯出加热炉后采用火焰清理机去除方形铸坯表面的脱碳、裂纹、凹坑等缺陷。铸坯表面火焰清理过程的温度控制在1020-1190℃。

(3)将火焰清理后的铸坯进行分阶段轧制，第一阶段为粗轧，粗轧温度为1100-1210℃，粗轧过程钢材的压缩比控制在2.6-3.3；第二阶段为中轧，中轧温度为980-1090℃，中轧过程钢材的压缩比控制在2.8-3.5；第三阶段为精轧，精轧温度为900-980℃，精轧的压缩比≥2.5，钢材的总压缩比≥20。圆钢的轧制规格为φ18-φ60mm，圆钢尺寸偏差控制在±0.12mm。

(4)高温的圆棒入保温罩内缓冷，圆棒初始保温温度为780-830℃，保温结束时的温度为470-520℃，冷却速度控制在8-15℃/min。缓冷后的圆棒上冷床进行进一步的空冷至室温，然后采用锯切的方式将长条状的圆棒锯切成定尺5-9米的棒材。

本发明针对冷挤压万向节十字轴用钢，成分上采用低碳、低硅设计，严格控制钢中的有害元素硫与磷以及残余元素铜、镍、钼、钛，并且钢中铝元素、氮元素、钛元素的含量需要满足(Al-Ti)/N≥1.93。生产工艺上，采用KR预脱硫、转炉冶炼、精炼炉精炼、RH炉真空脱气处理，RH真空脱气处理后根据钢水中的氮含量与残余钛含量，喂入适量的铝线，以保证(Al-Ti)/N≥1.93，钢水成分调整到位后吊装至连铸回转平台，经大包长水口、中间包、浸入式水口最终流入连铸结晶器内，最终通过方型连铸结晶器浇铸出厚度为200～300mm的正方形连铸坯。高温状态(500-650℃)的连铸方坯入步进式加热炉加热，加热炉使用高炉煤气将方形连铸坯加热至1170-1265℃，并且在该温度下保温200min。连铸方坯出加热炉后采用火焰清理机去除方形铸坯表面的脱碳、裂纹、凹坑等缺陷。铸坯表面火焰清理过程的温度控制在1020-1190℃。然后将火焰清理后的铸坯进行分阶段轧制，第一阶段为粗轧，粗轧温度为1100-1210℃，粗轧过程钢材的压缩比控制在2.6-3.3；第二阶段为中轧，中轧温度为980-1090℃，中轧过程钢材的压缩比控制在2.8-3.5；第三阶段为精轧，精轧温度为900-980℃，精轧的压缩比≥2.5，钢材的总压缩比≥20。连铸方坯首先经粗轧机组轧制成大规格圆钢，大规格圆钢再经中轧机组轧制成中型规格的圆钢，中型规格的圆钢经精轧机组轧制成最终的成品圆钢。圆钢的轧制规格为φ18-φ60mm，圆钢尺寸偏差控制在±0.12mm。

高温状态的圆棒入保温罩内缓冷，圆棒初始保温温度为780-830℃，保温结束时的温度为470-520℃，冷却速度控制在8-15℃/min。780-830℃时的圆钢仍处于奥氏体状态，此时的圆钢入保温罩缓慢冷却，冷却速度控制在8-15℃/min，当圆钢冷却至Ar3温度时，圆钢的奥氏体开始逐渐转变形成铁素体，圆钢继续冷却至Ar1温度，剩余的奥氏体开始逐渐转变形成珠光体。钢材冷却至470-520℃区间，圆钢的组织已全部铁素体与珠光体组织。

缓冷后的圆棒上冷床进一步空冷至室温上冷床冷却可以加快圆钢冷却速度，减少圆钢冷却时间，提高钢材生产效率，然后采用锯切的方式将长条状的圆棒锯切成定尺5-9米的棒材。该圆形棒材可用于冷挤压制造万向节十字轴。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明成分上采用低碳、低硅设计(C:0.12～0.18％，Si:0.01～0.10％)，严格控制钢中的有害元素硫与磷(S≤0.010％，P≤0.015％)以及残余元素铜、镍、钼、钛(Cu:≤0.08％,Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％,Ti:≤0.01％)，并且钢中铝元素、氮元素、钛元素的含量需要满足(Al-Ti)/N≥1.93。确保冷挤压用万向节十字轴用钢拥有优异的冷挤压性能与均匀细小的奥氏体晶粒。

(2)按照本发方法明生产的直径φ18-φ60mm小规格棒材，具备冷挤压性能优异，硬度较低，低倍组织好,显微组织均匀，脱碳层浅，奥氏体晶粒度细小等特点。钢材的硬度≤155HBW，组织为铁素体与珠光体，其中铁素体占比60％-70％，其余组织为珠光体；钢材的低倍组织一般疏松、中心疏松与锭型偏析均≤1.0级，中心偏析≤0.5级；钢材表面无全脱碳层(全铁素体层)，表面部分脱碳层的深度≤钢材直径的0.3％；钢材整个横截面的奥氏体晶粒均≥6.5级。可用于冷挤压制造万向节十字轴。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1与实施例2：

两实施例所涉及的冷挤压用万向节十字轴用钢及其制造方法：KR铁水脱硫预处理→100t转炉初炼→100t精炼炉精炼→RH炉真空脱气处理→连铸小方坯(240mm*240mm)浇铸→步进式加热炉加热→连铸方坯表面火焰清理→粗轧→中轧→精轧→入保温罩缓冷→上冷床空冷→锯切→检验入库。分别制造两个批次

φ30mm、φ36mm的冷挤压用万向节十字轴用钢。本方法适用于制造直径φ18mm-φ60mm的热轧圆棒。

上述实施例1的加热炉加热、轧制、冷却的具体工艺为：温度为550℃的连铸方坯入步进式加热炉加热至1212℃，在该温度下保温200min，采用火焰清理机去除铸坯表面的缺陷，铸坯表面火焰清理温度为1081℃。火焰清理后的铸坯分三阶段进行轧制，粗轧温度为1166℃，压缩比为3.25；中轧温度为1063℃，压缩比为3.45；精轧温度为937℃，压缩比为7.27；总压缩比为81.5。圆钢的尺寸规格为φ29.97mm-φ30.11mm。圆棒入保温罩的初始保温温度为798℃，保温结束时的温度为505℃，冷却速度控制在9-14℃/min。缓冷后的圆棒上冷床空冷至室温，然后采用锯切的方式将长条状的圆棒切割成定尺6米的棒材。

上述实施例2的加热炉加热、轧制、冷却的具体工艺为：温度为578℃的连铸方坯入步进式加热炉加热至1198℃，在该温度下保温200min，采用火焰清理机去除铸坯表面的缺陷，铸坯表面火焰清理温度为1066℃。火焰清理后的铸坯分三阶段进行轧制，粗轧温度为1147℃，压缩比为3.18；中轧温度为1039℃，压缩比为3.37；精轧温度为928℃，压缩比为5.28；总压缩比为56.6。圆钢的尺寸规格为φ35.96mm-φ36.09mm。圆棒入保温罩的初始保温温度为789℃，保温结束时的温度为487℃，冷却速度控制在10-14℃/min。缓冷后的圆棒上冷床空冷至室温，然后采用锯切的方式将长条状的圆棒切割成定尺7米的棒材。

实施例1和2制得的热轧棒材化学成分见表1。

表1(wt％)

	C	Si	M<sub>n</sub>	C<sub>r</sub>	S	P	Al	N	Ti	(Al-Ti)/N	C<sub>u</sub>	Ni	M<sub>o</sub>
														实施例1	0.15	0.06	0.61	0.91	0.002	0.009	0.028	0.0118	0.0025	2.16	0.05	0.01	0.02
实施例2	0.16	0.05	0.63	0.90	0.002	0.008	0.032	0.0109	0.0028	2.68	0.04	0.02	0.01

实施例1和2制得的热轧棒材淬透性、硬度及组织含量见表2。

表2

	公称直径	J3mm	J5mm	硬度	组织含量
						实施例1	φ30mm	34.7HRC	27.8HRC	149HBW	铁素体65％+珠光体35％
实施例2	φ36mm	36.1HRC	28.2HRC	151HBW	铁素体60％+珠光体40％

实施例1和2制得的热轧棒材低倍组织评级见表3。

表3

	一般疏松	中心疏松	锭型偏析	中心偏析
					实施例1	0.5级	0.5级	0.5级	0级
实施例2	0.5级	0.5级	0.5级	0级

实施例1和2制得的热轧棒材表面脱碳层深度与整个横截面奥氏体晶粒等级见表4。

表4

	公称直径	全脱碳层深度	部分脱碳层深度	奥氏体晶粒等级范围
					实施例1	φ30mm	0	0.05mm	6.5级-8.0级
实施例2	φ36mm	0	0.06mm	7.0级-8.5级

本发明采用低碳、低硅设计，严格控制钢中的有害元素硫与磷以及残余元素铜、镍、钼、钛，并且钢中铝元素、氮元素、钛元素的含量满足(Al-Ti)/N≥1.93。生产工艺上，采用KR预脱硫、转炉冶炼、精炼炉精炼、RH炉真空脱气处理，RH真空脱气处理后根据钢水中的氮含量与残余钛含量，喂入适量的铝线，以保证(Al-Ti)/N≥1.93，通过合理的控轧控冷工艺制造了一种冷挤压用万向节十字轴用钢，填补了国内的空白。

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 (5)

1.一种冷挤压用万向节十字轴用钢，其特征在于所述钢种的化学成分重量百分比为C:0.12～0.18%，Si:0.01～0.10%，Mn:0.50～0.90%，Cr:0.80～1.30%，S:≤0.010%,P:≤0.015%,Al:0.020～0.060%，N:0.009～0.025%,(Al-Ti)/N≥1.93， Cu:≤0.08%,Ni:≤0.05%,Mo:≤0.05%,Ti:≤0.01%余量为Fe及不可避免的杂质；所述钢的淬透性满足J3mm=31～39HRC,J5mm≤29HRC；钢材的硬度≤155HBW，组织为均匀分布的铁素体与珠光体，其中铁素体占比60%-70%，其余组织为珠光体；所述钢材的低倍组织一般疏松、中心疏松与锭型偏析均≤1.0级，中心偏析≤0.5级，钢材表面无全脱碳层，表面部分脱碳层的深度≤钢材直径的0.3%，钢材整个横截面的奥氏体晶粒均≥6.5级。

2.一种如权利要求1所述的冷挤压用万向节十字轴用钢的制造方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

（1）采用KR预脱硫、转炉冶炼、精炼炉精炼、RH炉真空脱气处理，RH真空脱气处理后根据钢水中的氮含量与残余钛含量，喂入适量的铝线，以保证(Al-Ti)/N≥1.93，钢水成分调整到位后吊装至连铸回转平台，经大包长水口、中间包、浸入式水口最终流入连铸结晶器内，最终通过方型连铸结晶器浇铸出厚度为200～300mm的正方形连铸坯；

（2）高温状态的连铸方坯入步进式加热炉加热，加热炉使用高炉煤气将方形连铸坯加热至1170-1265℃，并且在该温度下保温200min；

（3）将火焰清理后的铸坯进行分三阶段轧制，圆钢的轧制规格为φ18-φ60mm，圆钢尺寸偏差控制在±0.12mm；

（4）高温状态的圆棒入保温罩内缓冷，圆棒初始保温温度为780-830℃，保温结束时的温度为470-520℃，冷却速度控制在8-15℃/min，缓冷后的圆棒上冷床进一步空冷至室温，然后采用锯切的方式将长条状的圆棒锯切成定尺5-9米的棒材。

3.根据权利要求2所述的一种冷挤压用万向节十字轴用钢的制造方法，其特征在于：步骤（2）中进入加热炉的连铸方坯温度为500-650℃。

4.根据权利要求2所述的一种冷挤压用万向节十字轴用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中的三阶段轧制具体包括第一阶段为粗轧，粗轧温度为1100-1210℃，粗轧过程钢材的压缩比控制在2.6-3.3；第二阶段为中轧，中轧温度为980-1090℃，中轧过程钢材的压缩比控制在2.8-3.5；第三阶段为精轧，精轧温度为900-980℃，精轧的压缩比≥2.5，钢材的总压缩比≥20。

5.根据权利要求2所述的一种冷挤压用万向节十字轴用钢的制造方法，其特征在于：所述钢坯在完成步骤（2）的加热保温作业后采用火焰清理机去除方形铸坯表面的缺陷，铸坯表面火焰清理过程的温度控制在1020-1190℃。