一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼及其制造方法，該鋼材包含的化學(xué)成分按重量百分比分別為：C 0.08～0.45％,Si 0.35～1.80％,Mn 0.7～2.60％,S 0.01～0.06％,P≤0.025％,Cr 0.05～0.30％,V 0.05～0.35％,Ti 0.010～0.060％,N 0.005～0.050％,余量為Fe及不可避免雜質(zhì)。該鋼的強度適中、塑性好，具有良好的切削性能，可以制造900MPa以上的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用球銷，而且生產(chǎn)工藝簡潔環(huán)保，熱軋態(tài)的鋼材無需退火或調(diào)制熱處理，可以有效節(jié)能減排，降低工件的制造成本。
【專利說明】
一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，尤其涉及一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷用非調(diào)質(zhì)易切削冷變形 鋼及其制造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微合金非調(diào)質(zhì)鋼（以下簡稱非調(diào)質(zhì)鋼）是一種將乳制（或鍛造）與熱處理結(jié)合為 一體，能省去調(diào)質(zhì)處理的新型節(jié)能結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼相比，微合金非調(diào)質(zhì)鋼具有節(jié) 約能源、成材率高、成品性能優(yōu)良、生產(chǎn)周期短、成本低等眾多優(yōu)點，可取代相當(dāng)數(shù)量的調(diào)質(zhì) 鋼，是一種科技含量高、帶動力強、影響面大的高技術(shù)鋼種，也是目前國際上正處于快速發(fā) 展階段的前沿?zé)狳c材料。
[0003] 70年代初期的第二次石油危機促使人們重新評估能源的使用，非調(diào)質(zhì)鋼在此背景 下應(yīng)運而生。1972年德國THYSSEN鋼公司將低碳微合金鋼的理論和技術(shù)應(yīng)用于中碳鋼的生 產(chǎn)中，開發(fā)了省略熱處理工序的新型析出強化鐵素體一珠光體中碳鍛鋼49MnVS3,用于制造 熱鍛汽車曲軸。采用49MnVS3鋼取代50鋼制造汽車曲軸，可以省略調(diào)質(zhì)熱處理、矯直和去應(yīng) 力退火工序，除節(jié)約了熱處理能源外，還提高了鍛件的成品率、切削加工性能、疲勞性能、生 產(chǎn)效率，結(jié)果降低了成本。近30年來，通過改變基體組織、運用晶內(nèi)鐵素體冶金技術(shù)、優(yōu)化 熱加工工藝等，微合金非調(diào)質(zhì)鋼的強度和韌性得到明顯改善，微合金非調(diào)質(zhì)鋼已成為結(jié)構(gòu) 鋼領(lǐng)域的重要鋼類。目前，非調(diào)質(zhì)鋼主要用來制造曲軸、連桿、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、緊固件、 絲杠等零件，廣泛用于汽車、機床、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械及各類礦用機械上。
[0004] 近年來，我國微合金非調(diào)質(zhì)鋼雖然得到了一定發(fā)展，由于多方面原因，研究和推廣 應(yīng)用工作已落后于德國、日本等發(fā)達國家?？梢赃@樣概括我國非調(diào)質(zhì)鋼的現(xiàn)狀：起步稍晚， 研究工作不深入，開發(fā)工作不能完全滿足市場需求。
[0005] 我國對熱鍛用微合金非調(diào)質(zhì)鋼，開展了長期有效的技術(shù)攻關(guān)，在熱鍛用微合金非 調(diào)質(zhì)鋼棒材的乳制工藝控制、鍛造工藝控制等方面取得較大進展，有效地縮短了與國外先 進國家的差距。針對不同熱鍛零件要求，控鍛（乳）控冷過程中的工藝參數(shù)已經(jīng)定量化，熱 鍛非調(diào)質(zhì)鋼制品的性能優(yōu)良且穩(wěn)定。
[0006] 但對冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼，缺乏系統(tǒng)、全面的研究。受裝備限制、現(xiàn)有市場成 熟需求量不足等因素影響，冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼熱乳盤條控乳控冷技術(shù)、冷變形對微 合金非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的影響、冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼氫脆影響等研究存在不足，導(dǎo)致 冷變形零件性能不穩(wěn)定，制約了冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼的市場應(yīng)用。但是冷變形非調(diào)質(zhì) 鋼與熱鍛用非調(diào)質(zhì)鋼相比，冷變形用非調(diào)質(zhì)鋼可以進一步節(jié)約能源、提高材料利用率。
[0007]目前我國的冷變形非調(diào)質(zhì)鋼都用于緊固件，而對于非緊固件用非調(diào)質(zhì)鋼，不管是 在科研上和工業(yè)應(yīng)用上基本都處于空白階段。我國的冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼，長期局限 在"七五"期間開發(fā)的少量牌號上，用量少。因此，發(fā)展冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼既符合我 國的資源優(yōu)勢，又符合社會可持續(xù)發(fā)展要求，目前我國冷變形用微合金非調(diào)質(zhì)鋼的市場潛 力和推動力極大。
[0008] 中國專利CN101597716公開了一種低碳貝氏體型冷作強化非調(diào)質(zhì)鋼，其在主要冶 金成分中加入了 〇. 01% _〇. 1%的Zr，同時加入了 Nb、B等微量元素，鋼種的顯微組織是粒 狀貝氏體，用于制造10. 9級高強度螺栓。
[0009] 中國專利CN1858284公開了一種超細晶非調(diào)鋼盤條及其生產(chǎn)方法，采用Nb、A1等 微量元素細化晶粒，沒有切削性能的要求，用于制造10. 9級以下級別的高塑強度緊固件。
[0010] 中國專利CN101619414公開了一種10. 9級含鈮非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼及其熱乳盤條的乳 制方法，該發(fā)明調(diào)價了 Nb、B等合金元素，增加了生產(chǎn)成本，主要用于10. 9級緊固件的生產(chǎn) 制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提出一種適合用于汽車球銷用的非調(diào)質(zhì)易切削冷變形鋼及其 制造技術(shù)，該非調(diào)質(zhì)鋼的強度適中、塑性好，冷變成形時變形抗力低，加工硬化能力適中， 具有良好的切削性能，適合制造900MPa以上的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用球銷，而且生產(chǎn)工藝簡潔環(huán) 保，熱乳態(tài)的鋼材無需退火或調(diào)制熱處理，可以有效節(jié)能減排，降低工件的制造成本。
[0012] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0013] -種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼，其包括按重量百分數(shù)計的如下組分：
[0014] C :0? 08 ~0? 45% ;
[0015] Si :0? 35 ~1. 80% ;
[0016] Mn :0? 70 ~2. 60% ;
[0017] S :0? 01 ~0? 06% ;
[0018] V :0? 05 ~0? 35% ;
[0019] Ti :0? 01 ~0? 06 ;
[0020] N :0? 005 ~0? 05% ;
[0021] Cr :0? 05 ~0? 30% ;
[0022] Ni 0. 15% ；
[0023] Mo 0. 08% ；
[0024] A1 0. 035% ；
[0025] P 0. 025% ；
[0026] 余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0027] 本發(fā)明的鋼材選用上述元素配比的原因如下：
[0028] C :C是本發(fā)明非調(diào)質(zhì)冷變形鋼的主要強化元素之一。增加C含量，可以增加鋼的 珠光體含量，提高非調(diào)質(zhì)鋼的強度，降低塑性，冷加工性能下降，加工硬化率增大，增加鋼材 冷變形加工時。同時如果C含量過高，珠光體數(shù)量過多，鋼材強度會過高，鋼材冷變形時的 變形抗力會過大，容易產(chǎn)生微孔或微裂紋形成。因此碳含量一般控制〇. 08~0. 45%之間。
[0029] Si :在鋼中具有很強的固溶強化作用，能顯著提高鋼的強度和加工硬化率，降低塑 性和韌性。若Si含量過高，加工硬化的增量過大，會造成拉拔時變形抗力增加，同時惡化 鋼的冷加工性能。由于本發(fā)明用于冷變形，應(yīng)嚴(yán)格控制Si的含量，本發(fā)明Si含量應(yīng)小于 1. 8%〇
[0030] Mn :提高非調(diào)質(zhì)鋼強度，改善非調(diào)質(zhì)鋼韌性。當(dāng)Mn含量大于0. 80%時，固溶強化鐵 素體作用明顯。Mn可增加V在奧氏體中的溶解度，從而影響V的析出量和析出物尺寸。Mn 含量的增加，降低鋼的相變溫度，使鋼的珠光體團細小，減少珠光體片間距，提高韌性；但同 時增加鋼的珠光體含量，降低韌性。Mn含量增加引起的變形抗力增量遠低于C，因此添加Mn 可以避免由添加過多的C導(dǎo)致的變形抗力的增加。Mn含量過高時，對鋼材的韌性危害較大， 綜合考慮各因素，本發(fā)明Mn含量為0. 7~2. 60%。
[0031] Cr :Cr也是固溶強化元素，與Mn的作用相似，可以提高鋼材的強度，同時也能降低 冷變形抗力。但是Cr含量如果過高，會導(dǎo)致冷變形抗力急劇增加，同時也會提高鋼材的淬 透性，提高鋼材的生產(chǎn)工藝難度。鐵素體珠光體非調(diào)質(zhì)鋼中，當(dāng)要求較高強度時，一般可添 加0. 05~0. 30%左右的Cr。
[0032] V:V能在鋼中形成碳化物和氮化物，可以形成彌散的析出物，提高強度。V在奧氏 體中固溶溫度較低，在熱鍛時保持溶解狀態(tài)，而冷卻時彌散沉淀析出急劇提高鋼的強度。由 于本發(fā)明是冷變形鋼，過高的強度將增加鋼材的冷變形抗力，不利于鋼材使用。因此本發(fā)明 V含量為〇? 05~0? 35%。
[0033] S :易切削元素。鋼種含有較高的Mn，容易形成MnS夾雜物，能使鋼中不易變形的 氧化物夾雜被硫化物包裹而增加鋼的切削加工性能。同時，MnS增加了鐵素體的形核核心， 從而細化鐵素體珠光體組織。由于本鋼種具有切削性能要求，因此對硫含量具有一定要求， 但是考慮到硫化物夾雜對鋼材性能的影響，硫含量不能太尚。本鋼種中處于綜合考慮，硫含 量為 0? 01 ~0? 06%。
[0034] Ti :在鋼中形成碳化物和氮化物，由于Nb、Ti的碳化物和氮化物屬同一晶型，點陣 常數(shù)接近，可相互固溶。電鏡觀察表明，中碳鋼Nb、Ti的碳化物和氮化物呈現(xiàn)彌散分布，而 低碳鋼呈現(xiàn)相間析出。中碳鋼添加Nb、Ti，可阻止晶粒長大，其中Nb抑制奧氏體晶粒長大 加熱溫度可達1150度；可阻止奧氏體相變再結(jié)晶，Nb最強烈，Ti次之。由于Nb、Ti與C形 成碳化物，從而影響鋼中鐵素體珠光體相對含量，而固溶于奧氏體中的Nb，提高過冷奧氏體 穩(wěn)定性，降低轉(zhuǎn)變溫度，使珠光體球團變小，珠光體片間距減小。本發(fā)明中，出于各種因素的 綜合考慮，Nb含量低于0. 15%，Ti含量為0. 01~0. 06%。
[0035] N:在鋼中與V、Nb、Ti、Al形成氮化物。N的添加，可增加V、Nb、Ti的析出量，增加 沉淀強化和細化晶粒作用，對鋼材冷變形后的強度控制具有舉足輕重的作用。故本發(fā)明中 N 含量為 0? 005 ~0? 050%。
[0036] -種如本發(fā)明所述的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼的制造方法，其包括如下步驟：
[0037] 冶煉及連鑄；乳制；冷卻。
[0038] 作為優(yōu)選方案，所述冶煉及連鑄的步驟采用電弧爐或感應(yīng)爐。
[0039] 作為優(yōu)選方案，所述乳制的步驟具體為：
[0040] 將經(jīng)過連鑄得到的連鑄坯在1000~1200°C下預(yù)熱至少3h后，在不低于900°C的 溫度下進行乳制，控制累計乳下量不低于80%，預(yù)熱溫度不能過低，否則會使得鋼材熱乳后 硬度過高，影響鋼材的冷變形工藝，同時加熱溫度也不能過高，溫度過高會導(dǎo)致原始奧氏體 晶粒尺寸粗大，惡化鋼材的性能，保證足夠的保溫時間；乳制溫度不低于900°C，保證鋼材 在奧氏體區(qū)乳制，累計乳下量不低于80%，保證鋼材具有足夠的壓縮比，經(jīng)連乳機控溫控乳 成材。
[0041] 作為優(yōu)選方案，所述冷卻的步驟的降溫速率為0. 25~2. 0°C /s。由于本發(fā)明用于 冷變形工藝，鋼材的力學(xué)性能對冷變形工藝的制定和實施至關(guān)重要，所以需要對鋼材的硬 度、強度等主要力學(xué)性能窄幅控制。為此，本發(fā)明乳制完成后需要進行控冷，控制鋼材的析 出強化程度和珠光體的層片間距，嚴(yán)格窄幅控制鋼材的強度等力學(xué)性能，為后續(xù)冷變形階 段提供比較適宜的綜合力學(xué)性能。故基于以上要求，本發(fā)明所選擇的冷卻速度為0. 25~ 2. 0°C /s〇
[0042] 作為優(yōu)選方案，所述冶煉及連鑄的步驟中還包括爐外精煉的操作。
[0043] 本發(fā)明的有益效果為：
[0044] (1)本發(fā)明采用成份窄幅控制的工藝保證鋼材的綜合力學(xué)性能符合球銷的冷變形 工藝；
[0045] (2)本發(fā)明提高終乳溫度，使所有的乳制過程和吐絲過程在奧氏體區(qū)完成，減少微 合金元素的析出強化效果，降低熱乳態(tài)鋼材的強度等性能，降低后續(xù)冷變形工藝的難度；
[0046] (3)本發(fā)明采用控溫控冷工藝，控制鋼材的綜合力學(xué)性能，以符合不同型號球銷的 冷變形工藝要求；
[0047] (4)本發(fā)明提出的汽車球銷用非調(diào)質(zhì)冷變形鋼具有良好的切削性能，適合球銷的 加工工藝。
[0048] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合力學(xué)性能優(yōu)良，完全適合汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷的性能 要求指標(biāo)，本發(fā)明具有優(yōu)良的切削性能，適合球銷的切削加工工藝。本發(fā)明的加工硬化性能 適中，可以熱乳態(tài)直接磷皂化后冷變形加工使用，減少了被替代鋼種的球化、調(diào)質(zhì)等熱處理 工序，節(jié)約了鋼材使用成本，減少了相關(guān)行業(yè)的能耗與碳排放，是綠色有市場前景的鋼種。
【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍不僅局限于實施 例。
[0050] 實施例1
[0051] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0. 34 %，Si 0. 72, Mn 1. 35 %，S 0. 025%，Cr0. 07%，V 0. 12%，Ti 0. 02%，N 0. 017%，余量為Fe 以及不可避免的雜質(zhì)。精 煉后連鑄成160方還，連鑄度為1. 4,還均熱溫度為1100°C，加熱時間為250min，開乳溫度為 1000°C，終乳溫度為925°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C ;吐絲后上斯泰 爾緩冷線控冷，冷卻速度1. 5°C /s，冷卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶 粒度為9. 0級，屈服強度為550MPa，抗拉強度為820MPa，延伸率為23 %。
[0052] 實施例2
[0053] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0. 29 %，Si 0. 65, Mn 1. 55 %，S 0. 019%，Cr0. 08%，V 0. 13%，Ti 0. 02%，N 0. 023%，余量為Fe 以及不可避免的雜質(zhì)。精 煉后連鑄成160方坯，連鑄坯均熱溫度為1150°C，加熱時間為250min，開乳溫度為1000°C， 終乳溫度為900°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C ;吐絲后上斯泰爾緩冷 線控冷，冷卻速度0. 65°C /s，冷卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶粒度 為8. 5級，屈服強度為590MPa，抗拉強度為780MPa，延伸率為28 %。
[0054] 實施例3
[0055] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0. 21 %，Si 0. 80, Mn 1. 92 %，S 0. 021%，Cr0. 12%，V 0. 15%，Ti 0. 02%，N 0. 021%，余量為Fe 以及不可避免的雜質(zhì)。精 煉后連鑄成坯，連鑄坯均熱溫度為ll〇〇°C，加熱時間為250min，開乳溫度為1000°C，終乳溫 度為870°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C;吐絲后冷卻速度0. 65°C /s，冷 卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶粒度為8. 0級，屈服強度為490MPa， 抗拉強度為740MPa，延伸率為33 %。
[0056] 表1實施例的化學(xué)成分wt %，余量為鐵和雜質(zhì)
[0058] 實施例4
[0059] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0? 12 %，Si 1. 10 %，Mn 2. 15 %，S 0.021%，0 0.18%，0.15%，110.02%州0.008%，余量為？6以及不可避免的雜質(zhì)。 精煉后連鑄成坯，連鑄坯均熱溫度為ll〇〇°C，加熱時間為250min，開乳溫度為1000°C，終乳 溫度為870°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C;吐絲后冷卻速度0. 30°C /s， 冷卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶粒度為8. 0級，屈服強度為490MPa， 抗拉強度為750MPa，延伸率為23 %。
[0060] 實施例5
[0061] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0. 08 %，Si 1. 80 %，Mn 0. 70 %，S 0.06%，CrO. 30%，V 0.05%，Ti 0.06%，N 0.005%，余量為 Fe 以及不可避免的雜質(zhì)。精 煉后連鑄成坯，連鑄坯均熱溫度為ll〇〇°C，加熱時間為250min，開乳溫度為1000°C，終乳溫 度為870°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C;吐絲后冷卻速度0. 30°C /s，冷 卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶粒度為8. 0級，屈服強度為490MPa， 抗拉強度為750MPa，延伸率為23 %。
[0062] 實施例6
[0063] 冶煉鋼坯化學(xué)成分如表1所示，為C 0. 45 %，Si 0. 35 %，Mn 2. 60 %，S 0. 01%，Cr0.0 5%，V 0. 35%，Ti 0. 01%，N 0. 05%，余量為Fe以及不可避免的雜質(zhì)。精 煉后連鑄成坯，連鑄坯均熱溫度為ll〇〇°C，加熱時間為250min，開乳溫度為1000°C，終乳溫 度為870°C，控制累計乳下量不低于80%，吐絲溫度為900°C;吐絲后冷卻速度0. 30°C /s，冷 卻到400°C以下集卷，自然冷卻并打捆包裝。熱乳材晶粒度為8. 0級，屈服強度為490MPa， 抗拉強度為750MPa，延伸率為23 %。
[0064] 最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù) 方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換；而一切不脫離本 發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項】
1. 一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼，其特征在于，包括按重量百分數(shù)計的如下組分： C :0· 08 ~0· 45% ; Si :0. 35 ~1. 80% ; Μη :0. 70 ~2. 60% ; S :0. 01 ~0. 06% ; V :0· 05 ~0· 35% ; Ti :0. 01 ~0. 06 ; N :0· 005 ~0· 05% ; Cr :0· 05 ~0· 30% ; Ni 0. 15% ； Mo 0. 08% ； A1 0. 035% ； P 0. 025% ； 余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。2. -種如權(quán)利要求1所述的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)球銷鋼的制造方法，其特征在于，包括如下 步驟： 冶煉及連鑄；乳制；冷卻。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述冶煉及連鑄的步驟采用電弧爐 或感應(yīng)爐。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述乳制的步驟具體為：將經(jīng)過連鑄 得到的連鑄坯在1000~1200°C下預(yù)熱至少3h后，在不低于900°C的溫度下進行乳制，控制 累計乳下量不低于80%。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述冷卻的步驟的降溫速率為 0· 25 ~2. (TC /s〇6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制造方法，其特征在于，所述冶煉及連鑄的步驟中還包括 爐外精煉的操作。
【文檔編號】C22C38/60GK105821348SQ201510003931
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年1月6日
【發(fā)明人】丁毅, 覃明, 安金敏, 賽浩
【申請人】寶鋼特鋼有限公司