CN114959499B - 高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法 - Google Patents

高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法，钢的化学成分重量百分比为：C 0.40～0.43％，Si 0.23～0.27％，Mn 0.73～0.77％，Cr 1.13～1.17％，P≤0.010％，S 0.018～0.025％，Mo 0.21～0.23％，Al 0.025～0.035％，O≤0.0012％，H≤0.0002％。本发明设计的曲轴用42CrMoA钢与普通工艺生产的曲轴用钢相比，热处理后抗拉强度由1130‑1200Mpa提高到1250‑1300Mpa，屈服强度由1000‑1100MpA提高到1130‑1200,MpA，夏比U型冲击功由70‑76J提高到85‑90，强韧性明显提高。本发明设计的曲轴用42CrMoA钢的淬透性更稳定，钢材的淬透性相比普通工艺生产的42CrMoA更加稳定，调质后钢材的金相组织、力学性能明显得到改善。

Description

高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法。
背景技术
曲轴是汽车发动机中最重要的部件，它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩驱动发动机上其它附件工作，曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体变化力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受极大的弯曲扭转载荷，因此要求曲轴有足够的韧性和强度，根据QC/T637-2017《汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验方法》中规定，对载荷循环次数超过107次即可停止疲劳试验，视为合格，这对曲轴用钢的质量提出了极高的要求。
42CrMoA属于中碳合金结构钢，因其调质处理后有较高的疲劳极限和抗冲击能力，低温冲击韧性良好，常用来做汽车发动机曲轴，曲轴用钢的质量状况对曲轴的弯曲疲劳寿命有重要影响，根据曲轴弯曲疲劳试验不合格样品的检验结果，曲轴弯曲疲劳不合格的原因主要有：因化学成分不合理造成的钢材调质后的强韧性不足；钢材淬透性不稳定，未找到控制钢材淬透性有效方法；存在较大尺寸的A类夹杂物，对疲劳寿命有较大影响，在疲劳断口附近发现有长条状硫化物，长条状硫化物的存在降低了曲轴的抗疲劳性能。
现有技术的缺陷和不足：钢中各种化学元素的含量直接影响着钢调质后的强度、韧性以及后续加工等关键性能，目前曲轴用钢42CrMoA钢的化学成分中的主元素碳、硅、锰、铬、钼含量的目标值设计存在不匹配的问题，造成曲轴成品调质后的强度和韧性不能得到兼顾，最终影响曲轴成品的疲劳寿命。由于对各元素影响钢材淬透性的机理掌握不够，造成曲轴用钢的淬透性以及后续调质处理后的组织和力学性能不稳定，也是疲劳寿命不合格的重要原因。曲轴用钢为了改善机加工性能，会加入一定的硫，只有细小纺锤形硫化物才能改善机加工性能，但是目前钢中的硫化物大多数是长条状硫化物，长条状硫化物直接影响曲轴的疲劳寿命，还没有一种有效的方法改善硫化物形态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提供一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢及其生产方法，加工成曲轴零件，其弯曲疲劳寿命达到107次而不损坏。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢，各成分按照重量百分比为：C 0.40～0.43％，Si 0.23～0.27％，Mn 0.73～0.77％，Cr1.13～1.17％，P≤0.010％，S 0.018～0.025％，Mo 0.21～0.23％，Al 0.025～0.035％，O≤0.0012％，H≤0.0002％，余量为Fe和和不可避免的杂质。
所述高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢的生产方法，包括以下步骤：
1)顶底复吹转炉炼钢，通过吹炼终点炉内钢水碳含量(0.15-0.40)wt％、P≤0.010wt％、终渣TFe含量≤12.50wt％的措施控制钢水中溶解氧含量≤250ppm，要求使用低硼合金，所使用的合金要求硼≤0.0025％，转炉合金化后化学成分控制为：C 0.28～0.033％，Si 0.12～0.18％，Mn 0.63～0.73％，Cr 1.03～1.13％，P≤0.010％，Mo 0.19～0.22％，Al 0.050～0.070％，B≤0.0002ppm；
2)在LF精炼终渣碱度要求4.0～6.5，白渣保持时间15～45min，精炼渣中Al2O3控制在15～30％，LF精炼结束加入硫线，S控制0.023～0.030％；
3)RH真空处理控制真空度≤66.7Pa，真空保持时间15-30min，控制环流量1000～1500NL/min，同时进行增氮工艺：控制氮气压力1.2MP，流量1200～1300NL/min，控制钢中氮含量0.0050～0.00700ppm；
4)连铸中包过热度按照20～30℃控制，连铸采取超强冷工艺；
5)加热、轧制。
优选的，步骤1)顶底复吹转炉炼钢中，在120吨顶底复吹转炉采取高碳低磷工艺，对转炉底吹氩气在吹炼前中后期，底吹流量分阶段按照220m3/h、150m3/h、300m3/h控制。
优选的，所述步骤4)中结晶器水量1800L/min，二冷水配水如下：
Figure BDA0003718140330000021
Figure BDA0003718140330000031
钢包铸余按照4～5吨控制，连铸拉速控制在(0.43～0.45)m/min，结晶器电磁搅拌的电流强度控制在(120～140)A，电流频率为3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流强度控制在(400～500)A，电流频率为6Hz。
优选的，所述步骤5)中加热、轧制工艺具体为：加热炉均热段温度按照1270～1320℃，钢坯均热时间按照1.5～2.0小时控制，1500mm开坯机采取大压下量工艺，单道次压下量88mm，锯切温度860～900℃，入坑缓冷温度550～660℃，出缓冷坑50～100℃。
本发明中的设计思路
化学成分的优化设计：随着碳含量的增加，钢材屈服点和抗拉强度逐渐提高，但是冲击韧性降低；硅元素能够显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比，并提高疲劳强度和疲劳比，但是当含量过高时，会显著降低钢的塑性和韧性；锰能够提高钢的淬透性，使钢的调质组织均匀、细化，但是会增加钢的过热敏感性和回火脆性；钼能增加钢的淬透性，提高钢的耐回火性，与铬、锰等并存时，钼能否降低或者抑制其它元素所导致的回火脆性。结合汽车曲轴的加工工艺以及性能要求，设计钢的化学成分按照重量百分比为：C：0.40～0.43％，Si：0.23～0.27％，Mn：0.73～0.77％，Cr：1.13～1.17％，P：≤0.010％，S：0.018～0.025％，Mo：0.21～0.23％，Al：0.025～0.035％，O：≤0.0012％，H：≤0.0002％。
B元素的无效化处理工艺：以固溶态形式存在的对钢的淬透性有贡献的硼为有效硼，相对应的，其它非固溶态形式存在的硼对淬透性没有无任何贡献，称为无效硼，硼的主要特点是钢中含量极少的有效硼就会明显地改变钢的淬透性，并且硼对淬透性的影响还受到其它元素含量的制约，通过大量数据分析得出结论，在曲轴用钢42CrMoA中，残余B元素控制应不大于0.0003％，同时在钢中添加一定含量的N(0.0050％～0.0070％)，将钢中的有效硼转化为无效硼，消除B对材料的淬透性影响，稳定钢材淬透提高钢材强度和韧性。
连铸坯快冷工艺技术：钢中的硫化物在钢水凝固过程中析出，冷速越快，硫化物颗粒越小，在400mm*500断面钢坯、0.40-0.45m/min拉速下，设计二次冷却制度，硫化物尺寸能减小40％以上。
特定的硫化物加热温度区间、轧制细化技术：经过试验验证，硫化物在1270℃～1320℃时塑性最低，优化轧制前加热温度，均热段高温加热，温度提高到1250℃～1300℃，硫化物固溶度增加，同时了降低硫化物塑性，在轧制时采用大压下量，使得长条状硫化物在轧制时发生脆断，减小硫化物尺寸以及改变硫化物长条状形态，当加热保温时间控制在1.5-2.0小时时，单道次最大压下量达到88mm时，硫化物尺寸≥10um的比例在5％以下，尺寸≤5um的比例在90％以上，尺寸明显变小，在硫化物改善曲轴机加工性能的前提下，降低硫化物对疲劳寿命的危害。
本发明的有益效果是：本发明设计的曲轴用42CrMoA钢与普通工艺生产的曲轴用钢相比，热处理后抗拉强度由1130-1200Mpa提高到1250-1300Mpa，屈服强度由1000-1100MpA提高到1130-1200,MpA，夏比U型冲击功由70-76J提高到85-90，强韧性明显提高。本发明设计的曲轴用42CrMoA钢的淬透性更稳定，钢材的淬透性相比普通工艺生产的42CrMoA更加稳定，调质后钢材的金相组织(见图1)、力学性能明显得到改善。采用连铸快冷、硫化物高温加热、单道次大压下轧制技术，硫化物尺寸明显改善，小尺寸硫化物既能改善曲轴的机加工性能，又能避免对曲轴疲劳寿命产生负面影响。本发明生产的曲轴用42CrMoA钢，经过用户加工成曲轴零件，其弯曲疲劳寿命达到107次没有损坏。
附图说明
图1为实施例1制备得到的曲轴用42CrMoA钢的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢的生产方法，包括以下步骤：
1)在120吨顶底复吹转炉采取高碳低磷工艺，对转炉底吹氩气在吹炼前中后期，底吹流量分阶段按照220m3/h、150m3/h、300m3/h控制，通过吹炼终点炉内钢水碳含量0.17wt％、P：0.006wt％、终渣TFe含量10.50wt％的措施控制钢水中溶解氧含量200ppm，要求使用低硼合金，所使用的合金要求硼≤0.0025％，转炉合金化后化学成分控制为：C：0.29％，Si：0.15％，Mn：0.65％，Cr：1.06％，P：0.008％，Mo：0.19％，Al：0.055％，B0.0002ppm。
2)在LF精炼终渣碱度4.0，白渣保持时间15min，精炼渣中Al2O3控制在26％，LF精炼结束加入硫线，S控制0.026％。
3)RH真空处理控制真空度：32Pa，真空保持时间15min，控制环流量1310NL/min，同时进行增氮工艺：控制氮气压力1.2MP，流量1250NL/min，控制钢中氮含量0.0055ppm。成品化学元素如下：C 0.40％，Si 0.23％，Mn 0.73％，Cr 1.13％，P 0.010％，S 0.018％，Mo0.21％，Al 0.025％，H 0.0002％，O 0.0009％，余量为Fe和和不可避免的杂质。
4)连铸中包过热度按照24℃控制，连铸采取超强冷工艺，结晶器水量1800L/min，二冷水配水如下：
位置 水量L/min
一区宽 42
一区窄 43
二区宽 27
二区窄 33
三区宽 18
三区窄 21
四区宽 19
四区窄 18
钢包铸余按照4吨控制，连铸拉速控制在0.44m/min，结晶器电磁搅拌的电流强度控制在125A，电流频率为3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流强度控制在420A，电流频率为6Hz。
5)加热、轧制工艺：加热炉均热段温度按照1280℃，钢坯均热时间按照1.7小时控制，1500mm开坯机采取大压下量工艺，单道次压下量88mm，锯切温度870℃，入坑缓冷温度590℃,出缓温度50℃。
实施例2
一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢的生产方法，包括以下步骤：
1)在120吨顶底复吹转炉采取高碳低磷工艺，对转炉底吹氩气在吹炼前中后期，底吹流量分阶段按照220m3/h、150m3/h、300m3/h控制，通过吹炼终点炉内钢水碳含量0.38wt％、P：0.008wt％、终渣TFe含量12.50wt％的措施控制钢水中溶解氧含量250ppm，要求使用低硼合金，所使用的合金要求硼≤0.0025％，转炉合金化后化学成分控制为：C：0.033％，Si：0.17％，Mn：0.72％，Cr：1.10％，P：0.009％，Mo：0.22％，Al：0.065％，B0.00014ppm，余量为Fe和和不可避免的杂质。
2)在LF精炼终渣碱度要求6.5，白渣保持时间45min，精炼渣中Al2O3控制在30％，LF精炼结束加入硫线，S控制0.030％。
3)RH真空处理控制真空度：26.7Pa，真空保持时间30min，控制环流量1500NL/min，同时进行增氮工艺：控制氮气压力1.2MP，流量1300NL/min，控制钢中氮含量0.0070ppm。成品化学元素控制：C 0.43％，Si 0.26％，Mn 0.77％，Cr 1.17％，P 0.010％，S 0.024％，Mo0.22％，Al 0.035％，H 0.00015％，O 0.0008％，余量为Fe和和不可避免的杂质。
4)连铸中包过热度按照30℃控制，连铸采取超强冷工艺，结晶器水量1800L/min，二冷水配水如下：
位置 水量L/min
一区宽 43
一区窄 44
二区宽 26
二区窄 30
三区宽 20
三区窄 19
四区宽 22
四区窄 21
钢包铸余按照5吨控制，连铸拉速控制在0.45m/min，结晶器电磁搅拌的电流强度控制在140A，电流频率为3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流强度控制在500A，电流频率为6Hz。
5)加热、轧制工艺：加热炉均热段温度按照1320℃，钢坯均热时间按照2.0小时控制，1500mm开坯机采取大压下量工艺，单道次压下量88mm，锯切温度900℃，入坑缓冷温度660℃,出缓冷坑100℃。
实施例3
一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢的生产方法，包括以下步骤：
1)在120吨顶底复吹转炉采取高碳低磷工艺，对转炉底吹氩气在吹炼前中后期，底吹流量分阶段按照220m3/h、150m3/h、300m3/h控制，通过吹炼终点炉内钢水碳含量0.28wt％、P：0.004wt％、终渣TFe含量≤12.50wt％的措施控制钢水中溶解氧含量220ppm，要求使用低硼合金，所使用的合金要求硼≤0.0025％，转炉合金化后化学成分控制为：C：0.031％，Si：0.15％，Mn：0.68％，Cr：1.08％，P：0.005％，Mo：0.20％，Al：0.060％，B0.0001ppm。
2)在LF精炼终渣碱度要求5.0，白渣保持时间30min，精炼渣中Al2O3控制在27％，LF精炼结束加入硫线，S控制0.028％。
3)RH真空处理控制真空度：15Pa，真空保持时间25min，控制环流量1300NL/min，同时进行增氮工艺：控制氮气压力1.2MP，流量1250NL/min，控制钢中氮含量0.0060ppm。成品化学元素控制目标：C 0.415％，Si 0.25％，Mn 0.0.74％，Cr 1.14％，P 0.005％，S0.024％，Mo 0.22％，Al 0.031％，H 0.00017％，O 0.0009％。
4)连铸中包过热度按照25℃控制，连铸采取超强冷工艺，结晶器水量1800L/min，二冷水配水如下：
位置 水量L/min
一区宽 42
一区窄 41
二区宽 28
二区窄 33
三区宽 18
三区窄 21
四区宽 19
四区窄 20
钢包铸余按照4.5吨控制，连铸拉速控制在0.44m/min，结晶器电磁搅拌的电流强度控制在(120～140)A，电流频率为3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流强度控制在(400～500)A，电流频率为6Hz。
5)加热、轧制工艺：加热炉均热段温度按照1300℃，钢坯均热时间按照1.7小时控制，1500mm开坯机采取大压下量工艺，单道次压下量88mm，锯切温度880℃，入坑缓冷温度600℃,出缓冷坑70℃。
本发明的优点为：
1、本发明实施例1的曲轴用42CrMoA钢与普通工艺生产的曲轴用钢相比，热处理后抗拉强度由1165Mpa提高到1295Mpa，屈服强度由1040Mpa提高到1200Mpa，夏比U型冲击功由73J提高到87，强韧性明显提高。
本发明实施例2的曲轴用42CrMoA钢与普通工艺生产的曲轴用钢相比，热处理后抗拉强度由1165Mpa提高到1250Mpa，屈服强度由1040Mpa提高到1135Mpa，夏比U型冲击功由73J提高到90，强韧性明显提高。
本发明实施例3的曲轴用42CrMoA钢与普通工艺生产的曲轴用钢相比，热处理后抗拉强度由1165Mpa提高到1270Mpa，屈服强度由1040Mpa提高到1170MpA，夏比U型冲击功由73J提高到89，强韧性明显提高。
2、本发明设计的曲轴用42CrMoA钢的淬透性更稳定，具体对比如下：
项目 J9mm淬透值 J15mm淬透值 J20mm淬透值
普通工艺42CrMoA 波动8HRC 波动13HRC 波动17HRC
实施例1的42CrMoA 波动5HRC 波动7HRC 波动8HRC
实施例2的42CrMoA 波动4HRC 波动5HRC 波动9HRC
实施例3的42CrMoA 波动5HRC 波动6HRC 波动8HRC
钢材的淬透性相比普通工艺生产的42CrMoA更加稳定，调质后钢材的金相组织、力学性能明显得到改善。
3、采用连铸快冷、硫化物高温加热、单道次大压下轧制技术，硫化物尺寸明显改善，具体对比如下：
Figure BDA0003718140330000081
Figure BDA0003718140330000091
小尺寸硫化物既能改善曲轴的机加工性能，又能避免对曲轴疲劳寿命产生负面影响。
4、本发明生产的曲轴用42CrMoA钢，经过用户加工成曲轴零件，其弯曲疲劳寿命达到107次没有损坏。

Claims (1)

1.一种高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢，其特征在于钢的化学成分重量百分比为：C0.40～0.43％，Si 0.23～0.27％，Mn 0.73～0.77％，Cr 1.13～1.17％，P≤0.010％，S0.018～0.025％，Mo 0.21～0.23％，Al 0.025～0.035％，O≤0.0012％，H≤0.0002％；
所述高弯曲疲劳寿命发动机曲轴用钢的采用以下步骤生产得到：
1)顶底复吹转炉炼钢，通过吹炼终点炉内钢水碳含量0.15～0.40wt％、P≤0.010wt％、终渣TFe含量≤12.50wt％的措施控制钢水中溶解氧含量≤250ppm，要求使用低硼合金，所使用的合金要求硼≤0.0025％，转炉合金化后化学成分控制为：C 0.28～0.033％，Si 0.12～0.18％，Mn 0.63～0.73％，Cr 1.03～1.13％，P≤0.010％，Mo 0.19～0.22％，Al 0.050～0.070％，B≤0.0002ppm；顶底复吹转炉炼钢中，在120吨顶底复吹转炉采取高碳低磷工艺，对转炉底吹氩气在吹炼前中后期，底吹流量分阶段按照220m3/h、150m3/h、300m3/h控制；
2)在LF精炼终渣碱度要求4.0～6.5，白渣保持时间15～45min，精炼渣中Al2O3控制在15～30％，LF精炼结束加入硫线，S控制0.023～0.030％；
3)RH真空处理控制真空度≤66.7Pa，真空保持时间15～30min，控制环流量1000～1500NL/min，同时进行增氮工艺：控制氮气压力1.2MP，流量1200～1300NL/min，控制钢中氮含量0.0050～0.00700ppm；
4)连铸中包过热度按照20～30℃控制，连铸采取超强冷工艺，结晶器水量1800L/min，二冷水配水如下：
Figure FDA0004264707890000011
钢包铸余按照4～5吨控制，连铸拉速控制在0.43～0.45m/min，结晶器电磁搅拌的电流强度控制在120～140A，电流频率为3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流强度控制400～500A，电流频率为6Hz；
5)加热、轧制：加热炉均热段温度按照1270～1320℃，钢坯均热时间按照1.5～2.0小时控制，1500mm开坯机采取大压下量工艺，单道次压下量88mm，锯切温度860～900℃，入坑缓冷温度550～660℃，出缓冷坑50～100℃。
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