CN116574966A - 一种汽车等速万向节中间轴用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车等速万向节中间轴用钢及其制造方法，属于冶金技术领域，圆钢的化学成分重量百分比为C:0.34～0.41％，Si:0.10～0.30％，Mn:0.70～0.95％，Cr:0.70～1.20％，P:≤0.015％，S:≤0.008％，Al:0.010‑0.030％，N：0.0050‑0.0080％，Cu:≤0.08％，Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％，余量为Fe。圆钢具备组织均匀性好、硬度散差小、表面无脱碳与锈蚀、应力分布均匀，钢材弯曲极小等优点，最终生产出的汽车等速万向节中间轴用钢，圆钢经过调质后表面无脱碳与锈蚀，全截面为均匀的回火索氏体组织，全截面硬度散差≤2HRC，全截面奥氏体晶粒度均为7.0‑9.0级。

Description

一种汽车等速万向节中间轴用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于轴类圆钢技术领域，具体涉及汽车轴类用圆钢及其制造方法。
背景技术
汽车等速万向节中间轴在汽车行驶过程中起到传动与支撑作用，需要长期承受交变的应力，因此要求钢材拥有较高的疲劳寿命。通过控制钢材表面不产生脱碳与锈蚀；降低全截面硬度散差，提高材料的组织均匀性；细化钢材的奥氏体晶粒，并且控制晶粒度的等级范围，使生产的钢材拥有最佳的均匀性，从而提升材料的疲劳寿命。
专利公开号CN112981266A公开了一种乘用车转向器齿条用钢及其制造方法，属于铁基合金技术领域。钢的化学成分按质量百分比计为C:0.34～0.41％，Si:0.07～0.37％，Mn:0.60～0.90％，Cr:0.90～1.20％，P:≤0.020％，S:0.010～0.040％，Al:0.010～0.050％，N:0.005～0.020％，Cu:≤0.10％，Ni:≤0.05％，Mo:≤0.05％，(Cu+Ni+Mo):≤0.12％,余量为Fe及不可避免的杂质元素。生产流程为初炼—精炼—真空脱气—连铸—连轧—调质—车皮—超声波探伤。本申请钢材具有稳定抗拉强度与优异显微组织，该材料可以用于制造乘用车转向器齿条，具有优异的使用寿命。
发明内容
本发明为满足汽车等速万向节中间轴用钢的要求，发明了一种汽车等速万向节中间轴用钢及其制造方法，调质后的圆钢表面无脱碳与锈蚀，全截面为均匀的回火索氏体组织，全截面硬度散差≤2HRC，全截面奥氏体晶粒度均为7.0-9.0级。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种汽车等速万向节中间轴用钢，化学成分重量百分比为C:0.34～0.41％，Si:0.10～0.30％，Mn:0.70～0.95％，Cr:0.70～1.20％，P:≤0.015％，S:≤0.008％，Al:0.010-0.030％，N：0.0050-0.0080％，Cu:≤0.08％，Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％，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:碳是影响钢材硬度最重要的元素，钢中加入一定含量的碳有利于提升钢材的强度，但是过高的碳含量会加重钢材的碳偏析，导致调质后钢材的全截面硬度散差变大。因此，碳含量选择范围为0.34～0.41％。
Si:在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，起到一定的还原与脱氧作用。本发明Si的选择范围为0.10～0.30％。
Mn、Cr:在炼钢过程中加入锰与铬元素，目的是提升钢材调质后的强度。
本发明Mn的选择范围为0.70～0.95％，Cr的选择范围为0.70～1.20％。
P、S:钢中的磷与硫都属于有害元素，磷元素增加了钢的冷脆性，硫元素增加了钢的热脆性。因此，需要严控钢中的磷与硫的含量，本发明P与S含量的选择范围为P:≤0.015％，S≤0.008％。
Al、N：铝是本发明钢中最重要的脱氧剂,并且氮元素与铝元素相结合可以形成的AlN质点。钢中加入少量的铝，并且配合加入少量的氮，形成的AlN质点通过合理的轧制与冷却工艺可以使其均匀地分布在钢材之中，最终起到细化晶粒与稳定奥氏体晶粒度等级的作用。本发明Al与N含量的选择范围为Al:0.010-0.030％，N：0.0050-0.0080％。
Cu、Ni、Mo:属于钢中的残余元素，对这三个元素进行严格限制，可以提升本发明钢种淬透性的稳定性，以使钢材调质后组织更加一致，硬度更加稳定。
上述汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，包括
铸坯加热
在所述铸坯加热阶段，将铸坯加热至完全奥氏体化，铸坯中的AlN质点完全溶解。
除鳞轧制
铸坯完成所述铸坯加热阶段后经高压水表面除鳞去除表面氧化层，然后进行三阶段轧制：粗轧、中轧和精轧，并设置粗轧温度＞中轧温度＞精轧温度，整个轧制均在奥氏体相区进行，粗轧温度与中轧温度相差40-60℃，精轧温度与中轧温度相差60-80℃；研究数据显示，AlN质点轧制过程中会不断的析出，而AlN析出的数量与轧制过程温度与冷却温度有着较强的相关性。通过稳定控制粗轧、中轧、精轧过程中的温度与温差，以实现钢材轧制过程中AlN稳定的析出量。
冷却
铸坯完成所述粗轧、中轧和精轧后变成(φ10mm～φ45mm规格的)圆钢，圆钢立即保温缓冷，缓冷过程温降速度较低，并且每支钢材的温降速度差异较小，以实现钢材冷却过程中AlN稳定的析出数量。通过控制轧制过程温度与减少冷却温降速度差异，生产的圆钢全截面奥氏体晶粒度均为7.0-9.0级。缓冷结束后圆钢组织为均匀的铁素体与珠光体，均匀的铁素体与珠光体组织对下一步钢材调质十分有利。
表面处理
圆钢完成缓冷后，使用车皮工艺去除钢材表面包括氧化层、裂纹在内的缺陷；圆钢先车皮再调质的优势在于：车皮后的圆钢调质过程温度传导性高，温度传递更加均匀，调质后的组织均匀性与硬度均匀性好；而且调质后的圆钢应力分布更加均匀，钢棒不易产生弯曲。均匀的铁素体与珠光体原始组织也使得调质过程温度传导的均匀性得到进一步地提升，调质后的圆钢组织均匀性与硬度均匀性更加优异。
调质
车皮后的圆钢在所述调质的加热全程采用氮气保护，有效地杜绝了钢材与空气的直接接触，因此钢材表面不会产生脱碳现象。圆钢通过感应线圈加热至淬火温度，采用软水喷射至圆钢表面进行淬火，淬火后钢材的温度≤30℃；淬火后圆钢通过感应线圈加热至回火温度，再次采用软水喷射冷却,回火冷却后钢材的温度≤200℃；整个调质过程使用去除了可溶性钙、镁化合物的软水对圆钢进行喷射冷却，喷射过程中使用软水相较于使用自来水的优势为使用软水的喷嘴不会产生水垢，喷嘴就不会发生整体堵塞或者局部堵塞，喷射过程各喷嘴口喷射出的软水，它的水压是一致的，因此保证了调质过程钢材圆周上每个点冷却强度的一致性。
烘干涂油
经调质过程结束后的钢材立即烘干表面，使钢材表面不形成浮锈。并进行防锈处理。
作为本申请一实施方式的优选方式：在所述铸坯加热阶段，钢坯入加热炉加热至1260-1280℃，在该温度区间保温70min以上。相关研究表明，AlN质点溶解的速率与Al、N的含量以及温度有着密切的关联，当钢中的Al含量为0.010-0.030％，N含量为0.0050-0.0080％时，AlN质点的最佳溶解温度为1260-1280℃，在此温度区间，AlN质点拥有最快的溶解速率。
作为本申请一实施方式的优选方式：在所述除鳞轧制阶段，控制轧制的开始温度，也就是粗轧的起始温度为1100-1120℃。
作为本申请一实施方式的优选方式：在所述冷却阶段，圆钢在保温坑内缓冷处理。
作为本申请一实施方式的优选方式：在所述调质阶段，圆钢的淬火温度为880℃，淬火软水喷射的水压为0.35MPa，淬火软水流量为2m3/min；圆钢的回火温度为650℃，回火软水喷射的水压为0.15MPa，回火软水流量为0.5m3/min。
作为本申请一实施方式的优选方式：在所述烘干涂油阶段，使用静电涂油机在圆钢表面涂上厚度为700um-800um的防锈油。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)成分上采用中碳，并添加少量的铝与氮元素，通过合理的轧制与冷却工艺控制钢材的奥氏体晶粒度等级的稳定性，从而提升了钢材的疲劳寿命。
(2)调质前圆钢原始组织为均匀的铁素体与珠光体，圆钢采用车皮处理去除钢材表面的氧化层、裂纹等缺陷，车皮后元素组织为均匀铁素体与珠光体的圆钢调质过程温度传导性高，温度传递更加均匀，调质后的组织均匀性与硬度均匀性非常好，而且调质后的圆钢应力分布更加均匀，钢棒不易产生弯曲。目前现有技术对调质前钢材的组织不作要求，钢材自然冷却后组织均匀性较差；并且采用的是先调质再车皮去除表面氧化层、裂纹缺陷的方式，若采用组织均匀性较差，表面氧化层较厚、并且氧化层厚度与分布不均匀的钢材进行调质，钢材在调质过程中温度传导性较差，温度传递的均匀性也差，这样生产出的调质钢材表面容易形成软点，中心区域也易残留下未转变的原始组织，导致了整个钢材的组织均匀性较差，并且整个钢材截面的硬度散差也较大，整个钢材应力分布均匀性差，调质后的钢材易产生较为严重的弯曲现象。
(3)车皮后的圆钢采用全程氮气保护的感应线进行调质，以防止钢材表面产生脱碳现象，圆钢调质过程采用恒定的15℃软水进行喷射冷却，冷却后的钢材立即入高温烘干机对其表面进行烘干，避免钢材表面形成浮锈。
(4)按照本方法发明生产的一种汽车等速万向节中间轴用钢，圆钢具备组织均匀性好、硬度散差小、表面无脱碳与锈蚀、应力分布均匀，钢材弯曲极小等优点，最终生产出的汽车等速万向节中间轴用钢，圆钢经过调质后表面无脱碳与锈蚀，全截面为均匀的回火索氏体组织，全截面硬度散差≤2HRC，全截面奥氏体晶粒度均为7.0-9.0级。
附图说明
图1为本发明实施例1对应圆钢的回火索氏体(×500倍)；
图2为本发明实施例2对应圆钢的回火索氏体(×500倍)。
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，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1与实施例2：
两实施例所涉及的一种汽车等速万向节中间轴用钢制造方法：将钢液浇铸成规格为200mm*200mm的连铸方坯，两实施例连铸方坯的具体化学成分见表1。
表1(wt％)
C Si Mn Cr P S Al N Cu Ni Mo
实施例1 0.35 0.18 0.73 0.78 0.011 0.003 0.015 0.0061 0.02 0.01 0.02
实施例2 0.40 0.27 0.92 1.17 0.010 0.002 0.026 0.0073 0.03 0.02 0.01
连铸方坯(实施例1、实施例2)入加热炉加热至1260-1280℃，在该温度区间保温76min(实施例1)、73min(实施例2)。加热后的钢坯首先经高压水表面除磷，然后进行三阶段轧制，粗轧温度为1155(实施例1)、1168(实施例2)；中轧温度为1104℃(实施例1)、1116℃(实施例2)；精轧温度为1031℃(实施例1)、1042℃(实施例2)。轧制成型的圆钢φ21mm(实施例1)、φ42mm(实施例2)立即入保温坑缓冷，缓冷后的圆钢组织为均匀的铁素体与珠光体。
缓冷后的热轧圆钢(实施例1、实施例2)先使用车皮机去除表面的氧化层、表面裂纹等缺陷。车皮后的钢材采用全程氮气保护的感应线进行调质：圆钢通过感应线圈加热至880℃，采用温度为15℃的软水喷射至圆钢表面进行淬火，淬火软水喷射的水压为0.35MPa，淬火软水流量为2m3/min，淬火后钢材的温度为27℃(实施例1)、25℃(实施例2)；淬火后的圆钢通过感应线圈加热至650℃，再次采用15℃的软水进行喷射冷却，回火软水喷射的水压为0.15MPa，回火软水流量为0.5m3/min，回火冷却后钢材的温度为168℃(实施例1)、190℃(实施例2)。调质过程结束后的钢材立即入高温烘干机对其表面进行烘干，然后使用静电涂油机在钢材的表面均匀地涂上厚度为700um-800um的防锈油。
实施例1和2制得的圆钢表面脱碳层深度、全截面硬度散差、全截面奥氏体晶粒度等级评定具体见表2。
表2
本发明针对汽车等速万向节中间轴用钢，成分上采用中碳，并添加少量的铝与氮元素，通过合理的轧制与冷却工艺控制钢材的奥氏体晶粒度等级的稳定性，从而提升了钢材的疲劳寿命。调质前采用车皮处理去除钢材表面的氧化层、裂纹等缺陷，车皮后原始组织为均匀铁素体+珠光体的圆钢调质过程温度传导性高，温度传递更加均匀，调质后的组织均匀性与硬度均匀性非常好，而且调质后的圆钢应力分布更加均匀，钢棒不易产生弯曲。车皮后的圆钢采用全程氮气保护的感应线进行调质，以防止钢材表面产生脱碳现象，圆钢调质过程采用恒定的15℃软水进行喷射冷却，冷却后的钢材立即入高温烘干机对其表面进行烘干，避免钢材表面形成浮锈。通过合理的炼钢、轧钢、调质等工艺成功制造了一种汽车等速万向节中间轴用钢，填补了国内空白。

Claims (8)

1.一种汽车等速万向节中间轴用钢，其特征在于：化学成分重量百分比为C:0.34～0.41％，Si:0.10～0.30％，Mn:0.70～0.95％，Cr:0.70～1.20％，P:≤0.015％，S:≤0.008％，Al:0.010-0.030％，N：0.0050-0.0080％，Cu:≤0.08％，Ni:≤0.05％,Mo:≤0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的汽车等速万向节中间轴用钢，其特征在于：圆钢经过调质后表面不脱碳与锈蚀，全截面为均匀的回火索氏体组织，全截面硬度散差≤2HRC，全截面奥氏体晶粒度均为7.0-9.0级。
3.一种制造根据权利要求1所述的汽车等速万向节中间轴用钢的方法，其特征在于：包括
铸坯加热
在所述铸坯加热阶段，将铸坯加热至完全奥氏体化，铸坯中的AlN质点完全溶解；
除鳞轧制
铸坯完成所述铸坯加热阶段后经高压水表面除鳞去除表面氧化层，然后进行三阶段轧制：粗轧、中轧和精轧，并设置粗轧温度＞中轧温度＞精轧温度，整个轧制均在奥氏体相区进行，粗轧温度与中轧温度相差40-60℃，精轧温度与中轧温度相差60-80℃，以控制轧制全过程AlN稳定的析出量；
冷却
铸坯完成所述粗轧、中轧和精轧后变成圆钢，圆钢立即保温缓冷，缓冷结束后圆钢组织为均匀的铁素体与珠光体；
表面处理
圆钢完成缓冷后，使用车皮工艺去除钢材表面包括氧化层、裂纹在内的缺陷；
调质
车皮后的圆钢在所述调质的加热全程采用氮气保护，圆钢通过感应线圈加热至淬火温度，采用软水喷射至圆钢表面进行淬火，淬火后钢材的温度≤30℃；淬火后圆钢通过感应线圈加热至回火温度，再次采用软水喷射冷却,回火冷却后钢材的温度≤200℃；
烘干涂油
经调质过程结束后的钢材立即烘干表面，并优选涂油进行防锈。
4.根据权利要求3所述的汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，其特征在于：在所述铸坯加热阶段，根据钢中Al、N的含量设置铸坯的加热温度为1260-1280℃，在该温度区间保温70min以上，使AlN质点完全溶解。
5.根据权利要求3所述的汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，其特征在于：在所述除鳞轧制阶段，控制轧制的开始温度，也就是粗轧的起始温度为1100-1120℃。
6.根据权利要求3所述的汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，其特征在于：在所述冷却阶段，圆钢在保温坑内缓冷处理。
7.根据权利要求3所述的汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，其特征在于：在所述调质阶段，圆钢的淬火温度为880℃，淬火软水喷射的水压为0.35MPa，淬火软水流量为2m3/min；圆钢的回火温度为650℃，回火软水喷射的水压为0.15MPa，回火软水流量为0.5m3/min。
8.根据权利要求3所述的汽车等速万向节中间轴用钢的制造方法，其特征在于：在所述烘干涂油阶段，使用静电涂油机在圆钢表面涂上厚度为700um-800um的防锈油。
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