CN117626115A

CN117626115A - 一种高耐磨乘用车外星轮用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN117626115A
Application number: CN202311342535.2A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 张磊; 汤敏浩
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2023-10-17
Filing date: 2023-10-17
Publication date: 2024-03-01

Abstract

本发明涉及一种高耐磨乘用车外星轮用钢及其制造方法，化学成分按质量％计含有C：0.50～0.56％，Si：0.20％～0.40％，Mn：0.75～0.85％，P：≤0.010％，S：0.010～0.030％，Cr：0.30～0.50％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.20～0.40％，Mo：≤0.05％，Al：0.010％～0.050％，N：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；钢的交货态为热轧态，金相组组织为铁素体和珠光体。硬度≤255HBW；热轧状态Rp0.2≥520MPa、Rm≥800MPa、延伸率A5≥20％、断面收缩率Z≥50％。经过中频感应淬火以后的接触疲劳性能，特征寿命可以达到900000次以上。

Description

一种高耐磨乘用车外星轮用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种高耐磨乘用车外星轮用钢材及其制造方法。

背景技术

汽车传动系统属于汽车安全件，外星轮是汽车传动系统中重要零件，其质量的高低决定着汽车传动性能的好坏，也是关系到汽车行驶安全的安全件，对零件和生产零件的性能有很高的要求。伴随汽车工业不断进步，我国汽车市场不断发展成熟，对汽车的安全性和耐用性要求不断提高；外星轮属于传动系统等速万向节这一总成，是固定节一端与车辆轮胎轮毂连接的零件；其内部球道与球形滚动体长期接触，二者之间存在滚动摩擦。

外星轮这一零件，一般使用中碳碳素结构钢制造，加热锻造后，在挤压形成的碗形区域内壁加工出球道；球道表面经过感应淬火，达到硬化效果，保证其在与球形滚动体滚动接触摩擦过程中表面保持完好，实现等速万向节传递动力的功能。

但是现有中碳碳素结构钢加工的外星轮，由于钢材性能不足，外星轮球道往往会提前出现滚动接触疲劳失效；失效形式表现为球道表面出现开裂、材料剥落等现象，导致等速万向节无法继续实现传递动力的功能，从而影响车辆正常行驶。

发明内容

本发明的目的是要通过设计化学成分并结合生产方法，获得一种具有较高耐磨性能的中碳钢，保证其在经过感应淬火后，滚动接触疲劳性能明显高于现有钢材。

本发明所采用的技术方案为：一种高耐磨乘用车外星轮用钢，钢的化学成分按质量％计含有C：0.50～0.56％，Si：0.20％～0.40％，Mn：0.75～0.85％，P：≤0.010％，S：0.010～0.030％，Cr：0.30～0.50％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.20～0.40％，Mo：≤0.05％，Al：0.010％～0.050％，N：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述钢的组织为铁素体和珠光体，钢的交货态为热轧态，优选热轧黑皮材。

本发明合金成分的主要作用原理和含量设置的具体说明如下：

C含量要求

C是钢中最经济、最基本的强化元素，可明显提高钢的强度，随着钢中含碳量增加，屈服和抗拉强度升高，塑性和冲击性降低。本发明C含量的范围确定为0.50～0.56％。本发明涉及钢材属于中碳钢范畴。

Si含量要求

Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中提高材料的基体强度，Si增加铁素体冷变形硬化率的作用很强，对材料屈服强度和抗拉强度有显著贡献，本发明的Si含量范围确定为0.20～0.40％。

Mn含量要求

Mn在钢中通过固溶强化能提高钢的抗拉强度，同时提高钢材淬透性，而且作为炼钢过程的脱氧元素，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生成；但是Mn元素属于易偏析元素，含量过高会造成钢材中心偏析严重；本发明Mn含量的范围确定为0.75～0.85％。

P含量要求

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.010％。

S含量要求

S元素可以与Mn元素结合，形成硬脆的MnS，提高钢材的切削加工性能；促进晶内铁素体的形成；但是过多的S含量，会使钢产生热脆性，降低钢的塑韧性，增加钢材中心偏析；本发明S含量的范围确定为0.01～0.03％。

Al含量要求

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中溶解氧之外，Al与N形成弥散细小AlN颗粒可以细化晶粒，但Al含量过大，钢水熔炼过程中易形成Al₂O₃等脆性夹杂物，降低钢水纯净度。因此本发明控制Al的含量在0.010～0.050％。

N含量要求

钢中的N与Al元素结合，形成氮化物细化晶粒，细小的晶粒有利于提高塑性、韧性和强度，改善钢综合性能。但是过高的N含量对连铸生产不利，易形成连铸表面裂纹、表面质量差。因此本发明控制N含量在0.015％～0.025％。为了达到细化晶粒目的，应控制Al/N≥3，过低Al/N起不到明显的细化晶粒作用，不利于提高塑性、韧性。

含N铁素体钢中，在快冷后的回火或在室温长时间停留时，由于析出超显微氮化物，可发生沉淀硬化，氮也使低碳钢发生应变时效现象，提高钢的蠕变强度和高温持久强度，与铬、铝、钒、钛等元素可生成极稳定的氮化物，成为表面硬化和强化元素。

Cu含量要求

Cu在钢中起到固溶强化作用，一方面整体提高了强度水平，另一方面显著提高了钢的二次强化效应；稳定奥氏体以增加热变形效果。Cu在钢中的析出，能降低奥氏体转变温度，抑制高温转变产物的生成，对组织的转变及组织细化产生影响。可以产生明显的强化效应，钢材的强度、耐蚀性、焊接性和抗疲劳性能均能有效提高。

Cr含量要求

Cr是碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr可以提高淬透性。钢中的Cr，部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度；Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度；但是，Cr含量过高，会与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的塑韧性降低；且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用。综合考虑以上因素，本发明Cr含量的范围确定为0.30～0.50％。

Ni含量要求

Ni是非碳化物形成元素。Ni以固溶的形式存在于钢中起到固溶强化的效果，但只是显示比较弱的强化效果；Ni与Cr配合使用时，可显著提高淬透性。较多的Ni更容易导致钢中出现贝氏体组织。本发明Ni含量的范围确定为0.2～0.3％。

Mo含量要求

Mo为非特别添加元素，他们可作为残余元素存在，或者作为一些非必要添加元素，钢水冶炼过程中随着原料不可避免会存在Mo元素，Mo含量较高时会提高强度，而恶化钢的塑性和韧性，因此本申请对它们的含量上限进行了限定，要求Mo：≤0.05％。

本发明的另一目的是要提供一种高耐磨乘用车外星轮用钢的制造方法，主要包括步骤一、钢水冶炼；步骤二、铸造钢坯；步骤三、热成型；步骤四、锯切和堆冷。主要工序的具体要求和实施方法如下：

步骤一的钢水冶炼涉及：电炉初炼、精炼、真空脱气，其中

所述电炉初炼：优选控制入炉原料中经预处理的铁水占50％～60％，其余为废钢，废钢入炉前进行烘烤，并且选取Cr、Mo、Ni、Cu含量低的废钢。电炉初炼送电形成熔池，熔化废钢并升温，控制熔炼终点碳含量在0.04％以下，出钢温度为1580～1620℃。出钢过程对钢水进行档渣，防止下氧化渣。另外，由于出钢时碳含量较低，钢水中C和O的含量存在动力学关系，当C含量较低时O的含量较高的概率极大，因此相应的在出钢过程采用Al块和或Al粒对钢水强脱氧和进行部分Mn、Al元素合金化，防止钢水过氧化。

所述精炼：精炼过程采用氩气搅拌，调整化学氩气搅拌强度以不裸露钢水为宜，使用铝粉、铝粒、碳粉中的一种或多种进行扩散脱氧，使用Al线进行沉淀脱氧，通过沉淀脱氧和扩散脱氧，显著降低钢水中的非金属夹杂含量，通过使用烘烤后的合金，调整Cu、Ni等成分全部进入规定的含量要求；取样分析钢水中的N含量，通过补喂氮锰线的方式控制钢水中的Al/N比≥3，以发挥AlN细化晶粒的作用。

所述真空脱气：钢包进入真空脱气槽，抽真空到工艺规定的真空度，在高真空下保持足够时间，降低钢水中的有害气体含量；破空后，软吹氩30分钟以上，实现夹杂物充分上浮，保证钢材纯净度。

步骤二的铸造钢坯涉及将钢水通过连铸法制造为连铸坯，或者通过铸锭法先浇注成钢锭然后将钢锭热加工为钢坯。从提高生产效率和节省成本考虑，连铸法较铸锭法更有优势，作为优选铸造方式。连铸工序是整个冶炼过程的关键，鉴于本申请钢的[Al]含量高、且含有[S]元素，钢水结瘤风险较高，对连铸工艺参数若控制不当，铸坯表面就会产生开裂或结死水口造成废品。连铸工艺的优选具体措施：钢水从大包到中间包再到结晶器，均采用密封保护浇注让钢水与空气隔绝，控制钢水的二次氧化；连铸过程采用低过热度浇注，浇注过热度10℃～20℃，并配备合适的拉速0.8～1.3m/min，改善内部质量；获得的连铸坯需要下坑缓冷，缓冷温度400℃以上，缓冷时间应大于12小时，防止铸坯开裂。

步骤三的热成型：优选地，将钢坯加热至1050～1080℃，并保温3～4小时，钢坯出炉后经高压水除鳞采用连轧机轧制，热轧成所需规格，开轧温度950～1020℃，终轧温度780～820℃，控制在两相区进行轧制，平均道次压缩比1.1～1.2，轧制10～15道次，轧制后缓冷，获得铁素体和珠光体组织的圆钢。

本申请高耐磨汽车外星轮用钢，通过合理的合金成分配比及优良的钢材纯净度，在依据YB/T 5345-2014“金属材料滚动接触疲劳试验方法”对其进行滚动接触疲劳试验过程中，对试样进行中频感应淬火后，试样表层为较细的马氏体组织，根据标准JB/T9204“钢件感应淬火金相检验”的组织分级为5级，硬化层硬度达到60HRC以上，硬化层深度达到2mm以上；在转速800rpm、滑差率20％和32#工程机械润滑油润滑、5250Mpa的条件下，特征寿命Vs可以达到900000次以上。

与现有技术相比，本发明的优点或特点在于：

(1)通过化学成分设计，保证钢材塑性、韧性和切削性能完全能够达到乘用车传动系统外星轮用钢的设计要求：硬度≤255HBW；热轧状态Rp0.2≥520MPa、Rm≥800MPa、延伸率A5≥20％、断面收缩率Z≥50％。

(2)化学成分中对提高强度的元素进行了限制，通过控制Al和N以及Al/N比≥3来达到细化晶粒，晶粒度控制在5级以上，实现细晶强化。

(3)钢水精炼时，采用扩散脱氧和长时间高真空脱气的工艺，降低非金属夹杂物含量，减少后期钢材中疲劳源，夹杂物水平达到A类≤2.0级、B类≤1.0级、C类≤0.5级、D类≤1.0级。

(4)通过添加Cu元素，提高N元素含量，提高钢材经过中频感应淬火以后的接触疲劳性能，特征寿命可以达到900000次以上。

附图说明

图1为本申请高耐磨汽车外星轮的零件图；

图2为本申请高耐磨汽车外星轮用钢的典型金相组织图；

图3为本申请高耐磨汽车外星轮用钢进行滚动接触疲劳试验试样；

图4为本申请高耐磨汽车外星轮用钢经过感应淬火后进行滚动接触疲劳试验的P-N曲线。

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。

高耐磨汽车外星轮用钢棒材的制作方法：制造规格为Φ40mm—Φ70mm的生产工艺路线：电炉初炼—精炼—真空脱气—连铸—连铸坯冷却—连铸坯加热—轧制—冷却—精整—检验—成品入库。具体如下：

实施例1的钢材规格Φ40mm，累计轧制比81.2。

电炉装炉量100吨，其中铁水装入量50吨，废钢装入量50吨，电炉冶炼过程中，通电吹氧，出钢温度1599℃，终点碳0.03％。出钢时加入锰铁、铝铁、石灰、精炼渣；吊包至LF炉。

LF炉座位送电，炉渣化好后分批加入铝粉、铝粒、碳粉扩散脱氧，喂入Al线沉淀脱氧，同时继续调整Cu、Ni等化学成分使进入规格要求，尤其是通过喂入氮锰线精确控制Al/N比≥3，保证白渣时间15分钟，出LF炉温度1575℃。

VD真空脱气处理，钢包入位后，盖上真空槽顶盖，抽真空至0.3mbar，保持5分钟，去除钢中的有害气体元素，破空后进行软吹氩35分钟，吊包温度1569℃。

连铸全程保护浇注，让钢水和空气隔绝，中间包温度1555℃，过热度在12-22℃，设置连铸拉速1.5m/min。获得的连铸坯600℃入坑缓冷24小时。

将连铸坯加热1040℃，保温2小时，开轧温度在1010～1050℃，终轧温度810～840℃，在两相区将连铸坯轧成圆钢，轧制后圆钢要进行缓冷。

实施例2涉及钢材的规格Φ70mm，轧制比26.5

电炉装炉量100吨，其中铁水装入量50吨，废钢装入量50吨，电炉冶炼过程中，通电吹氧，出钢温度1597℃，终点碳0.032％。出钢时加入锰铁、铝铁、石灰、精炼渣；吊包至LF炉。

LF炉座位送电，炉渣化好后分批加入铝粉、铝粒、碳粉扩散脱氧，喂入Al线沉淀脱氧，同时继续调整Cu、Ni等化学成分使进入规格要求，尤其是通过喂入氮锰线精确控制Al/N比≥3，保证白渣时间15分钟，出LF炉温度1577℃。

VD真空脱气处理，钢包入位后，盖上真空槽顶盖，抽真空至0.3mbar，保持5分钟，去除钢中的有害气体元素，破空后进行软吹氩33分钟，吊包温度1570℃。

连铸全程保护浇注，让钢水和空气隔绝，中间包温度1559℃，过热度在11-22℃，设置连铸拉速1.5m/min。获得的连铸坯600℃入坑缓冷24小时。

将连铸坯加热1040℃，保温2小时，开轧温度在1015～1050℃，终轧温度810～840℃，在两相区将连铸坯轧成圆钢，轧制后圆钢要进行缓冷。

上述各实施例涉及钢的化学成分如表1

表1化学成分(％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	Al	N
												1	0.53	0.27	0.79	0.002	0.018	0.25	0.26	0.39	0.01	0.022	0.021
2	0.54	0.28	0.79	0.003	0.021	0.26	0.25	0.38	0.01	0.024	0.020

上述各实施例非金属夹杂物按ISO 4967检验如下表2

表2非金属夹杂物水平

实施例	A细	A粗	B细	B粗	C细	C粗	D细	D粗
									1	1.5	1.0	0.5	0.0	0.0	0.0	0.5	0.5
2	1.5	0.5	0.5	0.0	0.0	0.0	0.5	0.5

上述各实施例直接检测拉伸、硬度，拉伸按照EN ISO 6892-1标准检测，硬度按照EN ISO 6507-1标准检测，如表3。

表3拉伸、硬度、组织

实施例	检测状态	Rp0.2(MPa)	Rm(MPa)	A5(％)	Z(％)	硬度HBW
							1	热轧态	562	875	27	54	236
2	热轧态	570	889	27	55	241

上述各实例按照YB/T 5345-2014“金属材料滚动接触疲劳试验方法”对经过中频感应淬火的试样进行滚动接触疲劳试验，结果表4.

表4滚动接触疲劳寿命

实施例	特征寿命V_S
		1	934347
2	952667

实施例产品金相组织为铁素体和珠光体球，强度、硬度和塑性好。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种高耐磨乘用车外星轮用钢，其特征在于：所述钢的化学成分按质量％计含有C：0.50～0.56％，Si：0.20％～0.40％，Mn：0.75～0.85％，P：≤0.010％，S：0.010～0.030％，Cr：0.30～0.50％，Ni：0.20～0.30％，Cu：0.20～0.40％，Mo：≤0.05％，Al：0.010％～0.050％，N：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述钢的组织为铁素体和珠光体。

2.根据权利要求1所述的高耐磨乘用车外星轮用钢，其特征在于：钢的交货态为热轧态，为热轧黑皮材。

3.根据权利要求1所述的高耐磨乘用车外星轮用钢，其特征在于：钢的生产规格为Φ40mm-Φ70mm的棒材，硬度≤255HBW；热轧状态下Rp0.2≥520MPa、Rm≥800MPa、延伸率A5≥20％、断面收缩率Z≥50％。

4.根据权利要求1所述的高耐磨乘用车外星轮用钢，其特征在于：依据YB/T5345-2014中的金属材料滚动接触疲劳试验方法对所述钢进行滚动接触疲劳试验过程中，对试样进行中频感应淬火后，试样表层为马氏体组织，根据标准JB/T9204中的钢件感应淬火金相检验的组织分级为5级，硬化层硬度达到60HRC以上，硬化层深度达到2mm以上；在转速800rpm、滑差率20％和32#工程机械润滑油润滑、5250Mpa的条件下，特征寿命Vs达到900000次以上。

5.一种制造权利要求1所述的高耐磨乘用车外星轮用钢的方法，其特征在于：包括：

步骤一、钢水冶炼

钢水冶炼包括初炼、精炼、真空脱气，其中，控制初炼终点碳含量在0.04％以下，出钢温度为1580～1620℃，出钢过程对钢水进行档渣，防止下氧化渣，另外，在出钢过程采用Al块和或Al粒对钢水强脱氧和进行部分Mn、Al元素合金化；

精炼过程采用氩气搅拌，氩气搅拌强度以不裸露钢水为宜，使用铝粉、铝粒、碳粉中的一种以上进行扩散脱氧，使用Al线进行沉淀脱氧，调整Cu、Ni合金成分全部进入规定的含量要求；取样分析钢水中的N含量，通过补喂氮锰线的方式控制钢水中的Al/N比≥3，发挥AlN细化晶粒的作用；

真空脱气去除钢水中的轻质元素，破空后，软吹氩30分钟以上；

步骤二、铸造钢坯

将步骤一获得的钢水铸造成钢坯；

步骤三、热成型

钢坯加热使组织充分奥氏体化，出炉后经高压水除鳞采用连轧机轧制，热轧成设计规格，开轧温度：950～1020℃，终轧温度：780～820℃，控制在两相区进行轧制，平均道次压缩比1.1～1.2，轧制10～15道次，轧制后缓冷，获得铁素体和珠光体组织的圆钢；

步骤四、锯切和堆冷

轧制后圆钢进行堆缓冷。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤一中，初炼的入炉原料中经预处理的铁水占50％～60％，其余为废钢，废钢入炉前进行烘烤，并且选取Cr、Mo、Ni、Cu含量尽量低的废钢。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤二中，采用连铸工艺将钢水浇铸成钢坯，钢水从大包到中间包再到结晶器，均采用密封保护浇注让钢水与空气隔绝；连铸过程采用低过热度浇注：浇注过热度为10℃～20℃，并配备合适的拉速：0.8～1.3m/min；获得的连铸坯下坑缓冷，缓冷温度400℃以上，缓冷时间大于12小时。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤三中，轧制前，钢坯加热至1050～1080℃，并保温3～4小时，使组织奥氏体化。