CN115976425A

CN115976425A - 低合金钢及其渗碳淬火工艺

Info

Publication number: CN115976425A
Application number: CN202310009607.5A
Authority: CN
Inventors: 丁忠; 朱卓选; 李晓天; 彭堂俊; 徐杰; 顾嘉诚
Original assignee: Shanghai GKN Huayu Driveline Systems Co Ltd
Current assignee: Shanghai GKN Huayu Driveline Systems Co Ltd
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-04-18

Abstract

本发明涉及低合金钢技术领域，尤其涉及一种低合金钢，包括以下按重量百分比计的化学成分：C：0.19～0.22％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.70～0.80％，P≤0.025％，S≤0.02％，Cr：0.90～1.00％，Cu≤0.20％，Al：0.025～0.040％，N：0.0100～0.0150％，Nb：0.010～0.030％、[O]≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。还涉及该低合金钢的渗碳淬火工艺，依次包括以下步骤：步骤一、制备低合金钢的坯材；步骤二、对坯材进行中频感应加热、温锻成型和正火，得到锻件毛坯；步骤三、对锻件毛坯进行渗碳、淬火和回火，得到成品零件。适合温锻工艺且能避免温锻渗碳零件混晶缺陷、成本低、能节约热处理能源。

Description

低合金钢及其渗碳淬火工艺

技术领域

本发明涉及低合金钢技术领域，尤其涉及一种低合金钢以及一种该低合金钢的渗碳淬火工艺。

背景技术

随着汽车工业的发展，汽车零部件的需求量逐渐增加，人们对汽车舒适度和安全性的要求也与日俱增，以上因素加快了汽车零部件钢的产量和品种增加，同时对质量的要求也不断提高。

在汽车行驶过程中，汽车零件需要承受扭转、弯曲、冲击等载荷作用，因此对于低碳低合金材料，常采用渗碳热处理工艺使得零件表面硬度提高，心部保持一定的韧性，从而获得良好的耐磨性和抗疲劳性能，保证零件使用性能的可靠性。

渗碳零件工艺流程通常是采用低碳低合金钢，首先经锻造成型和正火工艺，再经渗碳热处理加淬火回火后，表面获得隐针的马氏体，心部获得晶粒细小均匀的低碳马氏体组织。

近几年，随着节能减排对锻造行业的影响，热锻由于耗能高、生产效率低等缺陷，逐渐被温锻工艺所代替，但对于采用温锻工艺制作的汽车零件，由于锻造温度低，导致晶界畸变能比常规热锻高，后续渗碳时，晶界长大的驱动力增加，淬火后心部容易出现马氏体局部粗大的混晶问题，心部混晶导致零件的强度明显降低，从而严重影响产品的疲劳寿命。

公布号CN113088825A的发明专利申请公开了一种中碳微合金钢及其混晶组织的消除方法，该中碳微合金钢包括以下重量百分比的化学成分：碳0.30～0.40％，硅0.10～0.50％，锰0.90～1.20％，铬0.10～0.30％，铝0.010～0.050％，镍0.10～0.30％，铜0.00～0.20％，钼0.00～0.050％，磷0.000～0.020％，硫0.000～0.020％，钒0.020～0.060％，氮0.0030～0.0100％，余量为铁；其混晶组织的消除方法为，通过高温固溶+低温时效析出后正火的热处理方式，消除了锻件的混晶组织，得到了细化的晶粒，使处理后的中碳微合金钢强度高，韧性好，满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求。这种方法中高温固溶+低温时效析出后正火的热处理方式与常规的正火热处理工艺相比，消耗能源增多，成本增加。

公开号CN1388262A的发明专利申请公开了一种本质细晶粒化20Cr，其化学成分以Wt计为：C 0.18～0.24、Si 0.17～0.37、Mn 0.50～0.80、Cr 0.70～1.00、Al 0.020～0.045、P≤0.035、S≤0.035、Cu≤0.030、Ni≤0.30、Mo≤0.15，其余为Fe。其采用加入Al的方法细化晶粒，但AlN起钉扎晶界的作用有限，且受AlN在钢中的均匀分布有很大影响。

CN101096742A的发明专利申请公开了一种高强度汽车用齿轮钢，其成分质量百分比为：C：0.20～0.40，Si：0.20～0.50，Mn：0.50～1.00，Cr：0.80～1.30，Nb：0.015～0.080，V：0.030～0.090，Mo：0.15～0.55，Al：0.015～0.050，其余为Fe和不可避免的杂质。其通过加入微量的Mo、Nb、V后，增加了齿轮钢的综合力学性能，使用寿命延长。但是该钢种需添加足量的贵金属元素Mo和V，成本高。

可见，现有技术不能同时满足低材料成本、热处理工艺节能、适合温锻工艺和渗碳组织均匀性的要求。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种适合温锻工艺且能避免温锻渗碳零件混晶缺陷、成本低、能节约热处理能源的低合金钢及该低合金钢的渗碳淬火工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种低合金钢，包括以下按重量百分比计的化学成分：C：0.19～0.22％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.70～0.80％，P≤0.025％，S≤0.02％，Cr：0.90～1.00％，Cu≤0.20％，Al：0.025～0.040％，N：0.0100～0.0150％，Nb：0.010～0.030％、[O]≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选地，Al含量与N含量之比≥2。

优选地，C含量的控制范围满足：目标值±0.01％；Mn含量的控制范围满足：目标值±0.04％；Cr含量的控制范围满足：目标值±0.04％。

本发明还提供一种如上所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，依次包括以下步骤：步骤一、制备低合金钢的坯材；步骤二、对坯材进行中频感应加热、温锻成型和正火，得到锻件毛坯；步骤三、对锻件毛坯进行渗碳、淬火和回火，得到成品零件。

优选地，步骤一中，将低合金钢的化学成分原料进行熔炼，对熔炼钢水进行精炼、真空脱气、连铸、电磁搅拌和轧制处理，得到坯材。

优选地，步骤一中，真空脱气处理在小于66.7Pa的真空度下进行且处理时间不低于20分钟。

优选地，步骤一中，连铸的浇铸速度为0.6m/min～0.8m/min；电磁搅拌的搅拌电流为150A；轧制为将连铸坯加热至1200℃以上进行轧制，控制轧制速度使终轧温度≥950℃。

优选地，步骤二中，通过中频感应加热，控制温锻成型的加热温度为800℃～890℃；正火为850℃～880℃保温1小时～1.5小时后空冷。

优选地，步骤三中，锻件毛坯经过940℃～950℃渗碳、强渗时间6小时～8小时后，降温至860℃保温0.5小时后淬火再回火，淬火的油温为100℃～110℃，回火为170℃～180℃保温1.5小时～2小时后空冷。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

本发明的低合金钢中加入了微量Nb元素，形成溶解温度高的NbCN，通过NbCN粒子强的钉扎作用并结合正火热处理，可以抵消温锻引起的畸变能升高，从而阻止晶粒长大，获得心部为均匀的低碳马氏体组织的零件。因此本发明的低合金钢能够适合温锻工艺并能够避免温锻渗碳零件混晶缺陷，采用本发明的低合金钢的渗碳淬火工艺制成的温锻渗碳零件心部组织均匀、变形小，具有良好的疲劳性能和稳定的力学性能；并且，本发明的低合金钢添加少量Nb，成本低，且采用普通正火热处理工艺即可，能够节约热处理能源。

附图说明

图1是本发明实施例1的低合金钢温锻渗碳后的晶粒度照片。

图2是本发明实施例2的低合金钢温锻渗碳后的晶粒度照片。

图3是本发明实施例3的低合金钢温锻渗碳后的晶粒度照片。

图4是对比材料20CrH温锻渗碳后的晶粒度照片。

具体实施方式

下面结合附图1至图4对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

本发明实施例提供本发明的一种低合金钢。本实施例的低合金钢包括以下按重量百分比计的化学成分：C：0.19～0.22％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.70～0.80％，P≤0.025％，S≤0.02％，Cr：0.90～1.00％，Cu≤0.20％，Al：0.025～0.040％，N：0.0100～0.0150％，Nb：0.010～0.030％、[O]≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

根据材料具体的淬透性要求，优选地，Al含量与N含量之比≥2，即Al含量/N含量≥2；优选地，C含量的控制范围满足：目标值±0.01％；Mn含量的控制范围满足：目标值±0.04％；Cr含量的控制范围满足：目标值±0.04％。残余有害元素尽可能低。

晶粒长大的主要原因是晶界的迁移导致晶粒之间的相互合并，而晶界的迁移的主要驱动力是晶界自由能的降低。对于温锻零件来说，开锻温度800-890℃，在奥氏体未再结晶区变形，由于变形引起的存储畸变能无法释放，使得自由能上升，在后续的渗碳加热过程中，晶界自由能降低的驱动力增加，奥氏体晶粒容易长大，淬火后易变为粗大马氏体组织。另外在渗碳过程，一方面随渗碳温度的升高，原子克服一定位垒跳迁的热激活过程加速，界面迁移过程显著加快，因此晶粒发生长大；另一方面，合金中的析出相AlN由于溶解温度低，逐渐溶解到晶内，使得靠近晶界处析出相的阻碍作用逐渐减弱，使界面能自由能进一步降低，从而使晶粒迅速长大。因此对于本身晶界畸变能就高的温锻零件来说，需要添加合适的合金元素Nb，形成细小的、溶解温度高的碳氮化物，通过NbCN粒子强的钉扎作用并结合正火热处理，可以抵消温锻引起的畸变能升高，从而阻止晶粒长大，获得心部为均匀的低碳马氏体组织的零件。基于此，本实施例的低合金钢中加入了微量Nb元素，形成溶解温度高的NbCN，使得该低合金钢能够适合温锻工艺并能够避免温锻渗碳零件混晶缺陷，采用该低合金钢制成的温锻渗碳零件心部组织均匀、变形小，具有良好的疲劳性能和稳定的力学性能，该低合金钢添加少量Nb，成本低，且采用普通正火热处理工艺即可，能够节约热处理能源。

在技术条件允许情况下，本实施例的低合金钢中C元素与各元素之间应尽量达到理想的最佳配比含量满足性能要求，并且保证成分的稳定性和均匀性，从而为材料在后续加工生产的批量稳定生产奠定基础。

基于上述低合金钢，本发明实施例还提供本发明的一种本实施例上述的低合金钢的渗碳淬火工艺。本实施例上述的低合金钢的渗碳淬火工艺依次包括以下步骤。

步骤一、制备低合金钢的坯材。优选地，坯材的制备方法为：将本实施例上述低合金钢的化学成分原料进行熔炼，然后对熔炼钢水依次进行精炼、真空脱气、连铸、电磁搅拌和轧制处理，得到坯材。其中，熔炼在转炉或电炉进行，精炼在LF钢包炉进行，熔炼和精炼中控制主要合金元素Mn和Cr含量达到控制范围，满足材料的淬透性要求。真空脱气在VD/RH钢包炉进行，优选地，真空脱气处理在小于66.7Pa的真空度下进行且处理时间不低于20分钟，以去除钢中有害气体[H]、保证夹杂物充分上浮，提高钢材的洁净度。优选地，连铸的浇铸速度为0.6m/min～0.8m/min，电磁搅拌采用结晶器电磁搅拌，电磁搅拌的搅拌电流为150A，连铸采用电磁搅拌，可以提高钢材的成分均匀性。优选地，轧制为将连铸坯加热至1200℃以上进行轧制，控制轧制速度使终轧温度≥950℃。

步骤二、对坯材进行中频感应加热、温锻成型和正火，得到锻件毛坯。优选地，通过中频感应加热，控制温锻成型的加热温度为800℃～890℃，经过平整、粗锻、成型、冲孔等工序得到锻造毛坯；然后对锻造毛坯进行正火，正火为850℃～880℃保温1小时～1.5小时后空冷，可去除锻造内应力，后续进行机加工，得到锻件毛坯。将温锻成型的加热温度控制在800℃～890℃，使坯材在较高的温度下进行锻造，可获得表面光洁度和尺寸精度好的锻件毛坯。温锻后采用普通的正火工艺代替两段式等温正火工艺，节约了热处理能源。

步骤三、对锻件毛坯进行渗碳、淬火和回火，得到成品零件。优选地，将经过机加工的锻件毛坯经过940℃～950℃渗碳、强渗时间6小时～8小时后，降温至860℃保温0.5小时后淬火，淬火的油温为100℃～110℃，淬火后再回火，回火为170℃～180℃保温1.5小时～2小时后空冷。将淬火的油温保持在100℃～110℃，减少由于油温偏低导致材料开裂，另外控制油温不能高于上述范围，降低淬火冷却速度，防止材料淬火不完全，形成不均匀的金相组织，由此可使得渗碳后的锻件毛坯在合适的油温淬火而形成均匀的金相组织。

采用本实施例的低合金钢，利用本实施例的低合金钢的渗碳淬火工艺，通过对炼钢工艺、温锻正火工艺、渗碳淬火工艺的综合控制可实现生产性能稳定、表面质量良好的汽车零件。

以下提供本实施例的低合金钢的三个具体的实施例(实施例1、实施例2和实施例3)和一个对比例(对比材料20CrH)，其化学成分、低倍组织性能、高倍组织性能、力学性能和温锻渗碳后的晶粒度分别如表1、表2、表3、表4和表5所示。图1至图4分别为实施例1、实施例2、实施例3和对比材料20CrH温锻渗碳后的晶粒度照片。

表1化学成分(Wt，％)

本实施例的低合金钢的化学成分范围窄，氧含量较低，纯净度高。

表2低倍组织性能

本实施例的低合金钢的低倍组织级别较佳，达到了GB/T 5216-2014标准的优质结构钢的水平。

表3高倍组织性能

本实施例的低合金钢的晶粒度为7级，晶粒细小均匀，夹杂物A、B、C、D类级别较低，达到了GB/T 5216-2014标准的优质结构钢的水平。

表4力学性能

本实施例的低合金钢淬火+回火后的抗拉强度达到1180Mpa～1200Mpa，比不加Nb的20CrH材料的性能要高约150Mpa，且不同炉号的力学性能差异小，均匀性较佳。

表5温锻渗碳后的晶粒度

序号	温锻温度(℃)	晶粒度级别
			实施例1	850	7
实施例2	880	7.5
			实施例3	800	8
对比材料20CrH	850	8-0

本实施例的低合金钢温锻渗碳后心部晶粒度为7～8级，参见图1至图4可见，本实施例的低合金钢温锻渗碳后心部晶粒细小均匀，解决了对比材料20CrH存在的温锻渗碳零件混晶问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低合金钢，其特征在于，包括以下按重量百分比计的化学成分：

C：0.19～0.22％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.70～0.80％，P≤0.025％，S≤0.02％，Cr：0.90～1.00％，Cu≤0.20％，Al：0.025～0.040％，N：0.0100～0.0150％，Nb：0.010～0.030％、[O]≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的低合金钢，其特征在于，Al含量与N含量之比≥2。

3.根据权利要求1所述的低合金钢，其特征在于，C含量的控制范围满足：目标值±0.01％；

Mn含量的控制范围满足：目标值±0.04％；Cr含量的控制范围满足：目标值±0.04％。

4.一种如权利要求1至3中任意一项所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤一、制备所述低合金钢的坯材；

步骤二、对所述坯材进行中频感应加热、温锻成型和正火，得到锻件毛坯；

步骤三、对所述锻件毛坯进行渗碳、淬火和回火，得到成品零件。

5.根据权利要求4所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤一中，将所述低合金钢的化学成分原料进行熔炼，对熔炼钢水进行精炼、真空脱气、连铸、电磁搅拌和轧制处理，得到所述坯材。

6.根据权利要求5所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤一中，真空脱气处理在小于66.7Pa的真空度下进行且处理时间不低于20分钟。

7.根据权利要求5所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤一中，连铸的浇铸速度为0.6m/min～0.8m/min；电磁搅拌的搅拌电流为150A；轧制为将连铸坯加热至1200℃以上进行轧制，控制轧制速度使终轧温度≥950℃。

8.根据权利要求4所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤二中，通过所述中频感应加热，控制所述温锻成型的加热温度为800℃～890℃；所述正火为850℃～880℃保温1小时～1.5小时后空冷。

9.根据权利要求4所述的低合金钢的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤三中，所述锻件毛坯经过940℃～950℃渗碳、强渗时间6小时～8小时后，降温至860℃保温0.5小时后淬火再回火，所述淬火的油温为100℃～110℃，所述回火为170℃～180℃保温1.5小时～2小时后空冷。