CN115679197B - 一种轴套用易切削钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种轴套用易切削钢管及其制造方法，该钢管化学成分质量百分比为：C：0.15‑0.33％，Si：0.05‑0.60％，Mn：0.6‑1.70％，V：0.1‑0.2％，Ca：0.001‑0.002％，Al：0.01‑0.060％，Cr：0.2‑1.3％，S：0.015‑0.05％，P≤0.023％，N：0.01‑0.023％，O≤0.003％，且需同时满足如下关系：0.03％≤S+10Ca≤0.06％，V/N＞2.5，余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明所述钢管的表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，车削后的表面粗糙度小于Ra0.8，具有良好的切削加工性能，同时有良好的韧性和强塑性，能够满足轴套加工后的装配要求和使用过程中强韧性和表面高硬度的要求。

Description

一种轴套用易切削钢管及其制造方法

技术领域

本发明属于易切削钢管制备技术领域，具体涉及一种轴套用易切削钢管及其制造方法。

背景技术

随着现代化工业向自动化、高速化和精密化的加工方向发展，要求钢材具有良好的切削工艺性能，提高生产效率，以适应大批量生产。因此需要更多地采用提高和改善切削性能的钢材，便于自动切削机床加工。

汽车轴套等零部件使用的钢管，由于需要进行零件装配，对尺寸精度和表面粗糙度有较高的要求，因此需要有良好的切削性能。同时，轴套不仅与零部件进行装配，其在服役过程中也承受一定的扭转力，因此，要求钢管具有一定的强度、韧性及表面硬度，不能有过多使钢产生脆化的成分。

中国专利CN1514884A公开了“机械结构用含硫易切削钢”，该专利中公开的钢的成分中不含传统易切削钢中的Pb元素，但含有Sn和Sb元素，不仅对炼钢过程造成污染，同时，这两种元素有使钢脆化的作用，对产品的塑性和韧性均有降低，不利于产品的使用。

中国专利CN108342664A公开了“一种高碳硫系易切削钢及其生产方法”，该专利中公开的钢成分中不含有Pb、Sn、Sb等元素，但S含量过高，容易引起后续加工过程中的热脆，同时该发明中未公布产品的塑性及韧性指标，无法保证产品后续使用过程中的强韧性要求。

现有技术中公开了较多的易切削钢，但大多有Pb、Sn等元素。Pb元素的添加，使钢在切削加工过程中产生铅雾，对加工操作环境造成污染。同时Pb的添加也会对炼钢过程和后续产品的回收造成污染。Sn、Sb等元素的添加也是炼钢的有害元素，会影响钢的纯净度和韧性。

现有的易切削钢虽然具有良好的切削性能，但是其强塑性、韧性及表面硬度等机械性能较差，不能满足汽车轴套等零部件的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴套用易切削钢管及其制造方法，所述轴套用易切削钢管的表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，具有良好的切削加工性能，同时有良好的韧性和强塑性，能够满足轴套加工后的装配要求和使用过程中强韧性和表面高硬度的要求；特别是，本发明成分设计中避免添加Pb、Sn等元素，降低制造成本的同时，避免钢管生产及回收过程中对环境造成污染。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种轴套用易切削钢管，其化学成分质量百分比为：C：0.15-0.33％，Si：0.05-0.60％，Mn：0.6-1.70％，V：0.1-0.2％，Ca：0.001-0.002％，Al：0.01-0.060％，Cr：0.2-1.3％，S：0.015-0.05％，P≤0.023％，N：0.01-0.023％，O≤0.003％，且需同时满足如下关系：0.03％≤S+10Ca≤0.06％，V/N＞2.5，余量为Fe和其他不可避免的杂质；

所述轴套用易切削钢管的微观组织为块状铁素体、珠光体组织、MnS组织和弥散析出的VN和VC析出物，晶粒度大于8级，其表面有渗碳层，且渗碳层深度不小于0.5mm；

所述轴套用易切削钢管的表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，车削后的表面粗糙度小于Ra0.8。

进一步，所述轴套用易切削钢管成分还含有As≤100ppm，Pb≤100ppm，Sn≤100ppm，Bi≤100ppm中的一种或多种。

进一步，所述轴套用易切削钢管成分中As+Pb+Sn+Bi≤300ppm。

在本发明钢管的成分设计中：

C：C元素是提高钢强度的主要元素之一，主要用于解决轴套钢的强度，通过碳化物的形成能够有效地提高钢的强度，且C的成本低，从而可以在较少的合金元素添加的基础上达到较高的成品强度的效果。当C的质量百分比超过0.45％时，材料的冷加工性能受到影响，容易在冷加工过程中产生开裂现象，且影响钢的韧性，影响钢管在使用过程中的韧性。因此，本发明中C含量控制为0.15-0.33％。

Si：Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，Si与Mn共同作用有更好的脱氧作用，可以提高钢的纯净度，但Si含量过高时钢的冷加工性能受到影响，易产生开裂等问题。因此，为保证其切削加工性能，本发明中Si含量控制为0.05-060％。

Mn：Mn的添加与钢中的S结合形成MnS来保证钢的切削性能，同时Mn元素也是保证钢的强度的主要元素之一，因此为保证钢的强度和切削性能Mn元素的下限为0.6％，但Mn元素含量过高则会降低钢的塑性和冲击韧性，同时对切削加工性能也有一定的影响。因此，本发明中Mn含量控制为0.6～1.7％。

V：V的作用主要是与N结合形成VN析出物，细化晶粒，同时弥散析出的VN可以提高强度和韧性，对提高钢的强韧性有较明显的作用，V含量小于0.1％强韧化作用不能体现，考虑到添加成本上限控制为0.2％，因此，本发明中V含量控制为0.1-0.2％。

Ca：Ca是较为有效的脱氧元素，Ca加入形成的氧化物和硫化物对钢的切削性能均有明显的改善作用。当Ca的添加量小于0.001％时对切削性能的改善不明显，当Ca含量超过0.002％时有可能产生较大的夹杂物对产品的强度和韧性产生影响，因此，本发明中Ca含量控制为0.001-0.002％。

Al：Al在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。为了提高钢的韧性和加工性，添加的Al的质量百分比不低于0.01％，此外，考虑到当Al的质量百分比高于0.060％时，钢种AlS的夹杂物过多，引起钢的韧性明显下降。因此，本发明将Al含量控制在0.01～0.060％。

Cr：Cr是中强碳化物的形成元素。钢中部分Cr置换成铁形成合金渗碳体，可以明显提高钢的强度，保证产品的使用性能。Cr含量小于0.2％时不能达到很好的提高强度的作用，当Cr含量大于1.3％时，会使钢的脆性增加，不能满足轴套管的服役要求。因此，本发明中Cr含量控制为0.2-1.3％。

S：S作为提高钢切削性能的元素加入，S的含量小于0.015％时不能形成足够的硫化物组织，钢的切削性能改善不明显，S含量添加过高时与Mn元素形成过多的硫化物组织，会对钢的韧性有明显的降低作用，因此本发明S含量控制为0.015-0.05％。

N：N元素的添加主要是与V结合形成VN析出物，增强钢的韧性和强度，N元素过少不能起到析出强化的作用，N元素过多又会使得含N的夹杂物尺寸和数量明显增多，因此，本发明N含量控制为0.01-0.023％。

O：由于本发明中有S、N等元素的加入，因此需控制O元素的含量，以控制钢中总体夹杂物水平的含量。因此，本发明O含量控制在0.003％以下。

进一步地，为保证产品的最终冲击性能和满足环保要求，控制钢中最终有害元素的残余，在本发明所述的轴套用钢管中，其还含有下列各项的至少其中之一：As≤100ppm，Pb≤100ppm，Sn≤100ppm，Bi≤100ppm。优选的，As+Pb+Sn+Bi≤300ppm。

在本发明所述的轴套用钢管中，其各化学元素的质量百分含量还需要同时满足下述各式要求：0.03％≤S+10Ca≤0.06％，一方面，S和Ca组合的含量既保证了产品的切削性能，车削后表面粗糙度小于Ra0.8。另一方面，不影响炼钢过程中MnS夹杂物的产生，在提高切削性能的同时，保证钢管强度和韧性。V/N＞2.5充分保证了VN和VC析出物的形成，细化晶粒，控制其晶粒度大于8级，保证产品的强度和韧性。

本发明所述的轴套用易切削钢管成分中不含有贵重及污染性较高的Pb、Sn等元素，产品原料成本较低，加工操作及钢管回收过程不会对环境造成污染。其通过化学成分的合理设计，以C、Mn等强化元素为基础，添加较为环保的S、Ca元素，同时添加V、N等元素，并限定0.03％≤S+10Ca≤0.06％，V/N＞2.5来控制元素的组合添加，结合合理的制造工艺，从而保证产品获得良好的切削加工性能，同时有良好的韧性和强塑性，能够满足切削加工后的装配要求和使用过程中钢管强韧性和高表面强度的要求。

本发明所述的轴套用易切削钢管的制造方法，包括如下步骤：

1)按照所述化学成分的配比进行冶炼、铸造，并轧制成圆管坯；

2)将圆管坯在环型加热炉中加热后均热；

3)热穿孔、热连轧；

4)再加热；

5)对圆管坯进行张力减径，然后以大于等于260℃/min的冷却速度冷却至400℃以下；

6)内外表车削；

7)表面渗碳；

渗碳温度为820～960℃，渗碳时间20～90min，控制气态活性物质中CO的含量为20～60％。

进一步，步骤2)中，将圆管坯加热到1150～1240℃，均热时间为20～60min。

进一步，步骤4)中，再加热温度为840～930℃，在炉加热时间为20～90min。

进一步，步骤5)中，所述冷却采用风机冷却或喷雾冷却。

张力减径后控制圆管坯以大于等于260℃/min的冷却速度冷却至400℃以下，保证高温段的快速冷却，有效避免铁素体、珠光体晶粒长大，晶粒度大于8级，且保证VN和VC析出物充分析出，从而保证钢管的机械性能，所述轴套用易切削钢管屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J。

本发明通过元素成分及工艺的控制，使圆管坯在冷却后获得良好的机械性能和切削性能，切削过程中易断屑，在经过后续车削工艺，车削后圆管坯表面粗糙度小于Ra0.8，提高圆管坯的尺寸精度，满足后续轴套制备过程中高精度的要求。另外，车削过程中可以去除圆管坯表面的脱碳层，有利于后续渗碳处理，增加渗碳层中碳含量。

渗碳处理过程中，本发明钢管成分中含有C、Mn、Cr等强化元素，C控制在0.15-0.33％，控制渗碳温度为820～960℃，使得在渗碳处理过程中表面碳化物增多，又不至于形成网状碳化物；同时Mn元素控制0.6-1.7％，Cr元素控制在0.2-1.3％，增加C的渗透性，形成Mn、Cr的碳化物，增加钢管表面渗碳层的含碳量。控制气态活性物质中CO的含量为20～60％，保证渗碳炉内的碳势，而且，由于车削工艺去掉了圆管坯的脱碳层，也有利于增加渗碳层的含碳量，使最后得到渗碳层中的含C量质量分数大于0.5％，渗碳层的深度不小于0.5mm，使钢管获得较高的表面硬度，表面硬度≥850HV。

本发明通过化学成分的优化设计，结合必要的工艺控制，获得的轴套用易切削钢管表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，具有良好的切削加工性能，同时有良好的韧性和强塑性，能够满足切削加工后的装配要求和使用过程中对强韧性和表面高硬度的要求。

本发明的有益效果：

1)本发明所述的轴套用易切削钢管成分中主要通过添加环保的S、Ca等元素来获得良好的切削性能，同时通过V、N等元素复合添加来提高钢管表面渗碳后内部的韧性，并限定0.03％≤S+10Ca≤0.06％，V/N＞2.5来控制元素的组合添加，确保VN析出物和VC析出物的析出，使钢管获得良好的切削加工性能，车削后表面粗糙度小于Ra0.8，同时有良好的韧性和强塑性。且本发明成分中无贵重金属元素及污染性较高的Pb、Sn等元素添加，产品原料成本较低，加工操作及钢管回收过程不会对环境造成污染。

2)本发明通过控制S、Ca、Mn等元素，并限定0.03％≤S+10Ca≤0.06％元素组合添加，控制MnS组织的生成，获得良好的切削性能，工艺操作上增加车削工艺，切削后表面粗糙度小于Ra0.8，由于钢管具有良好的切削性能，切削过程中易断屑，钢管表面粗糙度减小，不需要再进行额外抛光工艺，提高了钢管的尺寸精度，能够满足轴套加工后的装配要求。另外，车削过程中可以去除圆管坯表面的脱碳层，有利于后续渗碳处理，增加渗碳层中碳含量。

3)本发明钢管成分设计中含有C、Mn、Cr等强化元素，在工艺上结合后续的渗碳工艺，C控制在0.15-0.33％，使得在渗碳处理过程中表面碳化物增多，又不至于形成网状碳化物；同时Mn元素控制0.6-1.7％，Cr元素控制在0.2-1.3％，增加C的渗透性，形成Mn、Cr的碳化物，增加钢管表面渗碳层的含碳量，含C量质量分数大于0.5％，渗碳层的深度不小于0.5mm，使钢管获得较高的表面硬度，其表面硬度≥850HV。

4)本发明获得的钢管表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，具有良好的切削加工性能，同时有良好的韧性和强塑性，能够满足切削加工后的装配要求和使用过程中对强韧性和表面高硬度的要求。

附图说明

图1为本发明实施例易切削钢管的微观组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例和对比例钢管的化学成分，表2为本发明实施例和对比例钢管的制备工艺参数，表3为本发明实施例和对比例钢管的性能。

本发明实施例及对比例的制造方法，包括如下步骤：

1)按照所述化学成分的配比进行冶炼、铸造，并轧制成圆管坯；

2)将圆管坯在环型加热炉中加热后均热；

3)热穿孔、热连轧；

4)再加热；

5)对圆管坯进行张力减径，然后以大于等于260℃/min的冷却速度冷却至400℃以下；

6)内外表车削；

7)表面渗碳

渗碳温度为820～960℃，渗碳时间20～90min，控制气态活性物质中CO的含量为20～60％。

进一步，步骤2)中，将圆管坯加热到1150～1240℃，均热时间为20～60min。

进一步，步骤4)中，再加热温度为840～930℃，加热时间为20～90min。

进一步，步骤5)中，所述冷却采用风机冷却或喷雾冷却。

图1为本发明实施例易切削钢管微观组织照片，从图上可以看出，其组织为块状铁素体、珠光体组织和MnS组织，同时有弥散析出的VN和VC析出物。

由表3可知，本发明实施例的轴套用易切削钢管的表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MP，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，渗碳前用碳化钨刀具进行车削，车削后的表面粗糙度小于Ra0.8。

然而，由于对比例1-5中的各钢管的综合力学性能中的至少一项不符合性能要求，致使这些对比钢管的综合性能大大不如本发明的轴套用钢管。

Claims (7)

1.一种轴套用易切削钢管，其化学成分质量百分比为：C：0.15-0.33％，Si：0.05-0.60％，Mn：0.6-1.70％，V：0.1-0.2％，Ca：0.001-0.002％，Al：0.01-0.060％，Cr：0.2-1.3％，S：0.015-0.05％，P≤0.023％，N：0.01-0.023％，O≤0.003％，且需同时满足如下关系：0.03％≤S+10Ca≤0.06％，V/N＞2.5，余量为Fe和其他不可避免的杂质；

所述轴套用易切削钢管的微观组织为块状铁素体、珠光体组织、MnS组织和弥散分布的VN和VC析出物，晶粒度大于8级，其表面有渗碳层，且渗碳层含C量质量分数大于0.5％，渗碳层深度不小于0.5mm；

所述轴套用易切削钢管的表面硬度≥850HV，屈服强度≥580MPa，抗拉强度≥860MPa，延伸率≥25％，常温冲击功≥200J，车削后的表面粗糙度小于Ra0.8。

2.根据权利要求1所述的轴套用易切削钢管，其特征在于，所述轴套用易切削钢管成分还含有As≤100ppm，Pb≤100ppm，Sn≤100ppm，Bi≤100ppm中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的轴套用易切削钢管，其特征在于，所述轴套用易切削钢管成分中As+Pb+Sn+Bi≤300ppm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的轴套用易切削钢管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按照所述化学成分的配比进行冶炼、铸造，并轧制成圆管坯；

2)将圆管坯在环型加热炉中加热后均热；

3)热穿孔、热连轧；

4)再加热；

5)对圆管坯进行张力减径，然后以大于等于260℃/min的冷却速度冷却至400℃以下；

6)内外表车削；

7)表面渗碳

渗碳温度为820～960℃，渗碳时间20～90min，控制气态活性物质中CO的体积分数为20～60％。

5.根据权利要求4所述的轴套用易切削钢管的制造方法，其特征在于，

步骤2)中，将圆管坯加热到1150～1240℃，均热时间为20～60min。

6.根据权利要求4所述的轴套用易切削钢管的制造方法，其特征在于，

步骤4)中，再加热温度为840～930℃，在炉加热时间为20～90min。

7.根据权利要求4所述的轴套用易切削钢管的制造方法，其特征在于，

步骤5)中，所述冷却采用风机冷却或喷雾冷却。