一种高强度钢、汽车传动半轴用高强塑无缝钢管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢材料、无缝钢管及其制造方法，尤其涉及一种高强塑无缝钢管 及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着当前社会对节能减排的要求，汽车车身轻量化的要求越来越高。汽车用轴类 产品，特别是承受扭转力矩的圆形传动类产品，由于其受扭转力矩时，距离圆心越远其承受 的扭转力矩越大，而在圆心处收到的扭转力矩为零，因此采用空心钢管来代替实心棒材作 为传动轴，一方面可以大大减轻车身的重量，另一方面却不会对其使用造成太大的影响。
[0003] 具体来讲，汽车传动用半轴是汽车的重要传力部件，特别是非全浮式半轴，要传 递来自发动机的扭矩，首先必须要求其具有良好的静扭性能和抗扭转疲劳性能，同时还要 承受车轮上作用的垂直力、侧向力以及牵引力和制动力所形成的纵向力，因此钢管必须具 有较高的强度和塑性，同时具有较好的抗扭疲劳性能。
[0004]
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种高强度钢，其具有较高的强度和强塑积，采用该 高强度钢制得的钢管具有良好的扭转疲劳性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度钢，其化学元素质量百分比含量 为：
[0007]C：0. 07-0.15% ；
[0008] Si:0? 1-1.0%;
[0009]Mn：2. 0-2.6%；
[0010] Ni：0. 05-0. 6% ；
[0011]Cr：0.2-1.0% ；
[0012] Mo：0. 1-0. 6% ；
[0013] B:0. 001-0. 006%
[0014] Cu：0. 05-0. 50% ；
[0015] A1 ：0. 015-0. 060% ；
[0016] Nb：0. 02-0. 1% ；
[0017] V：0. 02-0. 15% ；
[0018] 余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0019] 本发明所述的高强度中的各化学元素的设计原理为：
[0020]C:C元素是提高钢的强度的主要元素之一，其通过碳化物的形成能够有效地提高 钢的强度，且添加成本低。对于本技术方案来说，当C含量低于0. 07 %时，钢种不能达到 lOOOMPa以上的抗拉强度，但是当C含量高于0. 15%时，钢的塑性降低，同时C含量的增加 将显著增加钢的C当量，对制造的钢管的焊接性能会产生较大的负面影响。因此，在本发明 的技术方案中需要将C元素的含量控制为0. 07~0. 15%。
[0021] Si:Si元素在炼钢过程中是作为还原剂和脱氧剂而添加的，其在钢中不形成碳化 物，且其在钢中的固溶度较大，能够强化钢中的铁素体以提高钢的强度，因此本钢种适当增 加Si含量，以提高空冷状态钢的强度。但硅含量若超过1. 0%时则会大大降低塑性，同时还 会降低制得的钢管的焊接性能。因此，应该将Si含量控制为0. 10~1. 0%。
[0022] Mn:Mn是重要的合金化元素和弱碳化物的形成元素。Mn主要通过固溶强化来提 高钢的强度。增加Mn含量能够使钢的相变温度降低，减小淬火临界冷却速度，Mn含量达 到2.Owt. %以上时，能够显著增大钢的淬透性；不过，对于本技术方案来说，若Mn含量超 过2. 6wt. %时，钢的塑性和冲击韧性随之下降得较为显著，同时钢的热塑性降低，增加钢 在连铸过程和热穿孔过程中钢管开裂的倾向。故而在本技术方案中需要将Mn含量设定为 2. ? 0 ~2. 6%〇
[0023] Ni:Ni既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。 基于此，本技术方案将Ni含量控制在0. 05~0. 6wt. %的范围之内。为了使Ni元素与其他 元素配合达到更理想的强化作用并同时提高钢的韧性，Ni最优选择为0. 2-0. 6%。
[0024] Cr:Cr是中强碳化物的形成元素。钢中的Cr的一部分置换成铁形成合金渗碳体， 以提高其稳定性，另一部分则溶于铁素体中起到固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。 与此同时，Cr也是提高钢的淬透性的主要元素。但是对于本技术方案来说，Cr含量一旦超 过1. 0%则会对焊接部位的韧性产生影响，因此将Cr控制为0. 2~1. 0%。
[0025] Mo:Mo在钢中有固溶强化和提高钢的淬透性的作用，同时提高钢的回火稳定性。 当Mo含量达到0. 05%时，才会具有显著的固溶强化和提高淬透性的效果，由于本钢种需在 空冷得到较高强度，因此需要增加Mo含量至0. 1 %以上，从而与其他元素配合充分增加钢 的淬透性，但是当Mo含量超过一定范围时会对钢管焊接部位的韧性产生影响。因此，将Mo 含量控制为〇. 1~0.6%。
[0026] B:B在钢种具有显著的提高钢的淬透性的作用，含量大于0. 001%的B具有较明 显的增加钢的淬透性同时增加钢的强度的作用，同时B与Mo复合添加可显著增加钢的淬透 性，使钢在空冷状态得到贝氏体组织。但是对于本技术方案来说，B含量一旦超过0.006% 则会对焊接部位的韧性产生影响。基于此，将B控制为0. 001~0. 006%。
[0027] Cu:在本技术方案中Cu可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应 的效果，如果Cu含量超过0. 50 %时，对钢的热加工性会产生较大影响，即使添加复合元素 也不能保证钢管的热加工性，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为0. 05~ 0? 50%〇
[0028] A1 :A1在钢中具有脱氧作用且其有助于提高钢的韧性和加工性。当A1含量达到 0. 015%以上时，其提高钢的韧性和加工性的效果较为显著，但是当A1含量超过0. 060% 时，钢中会出现裂纹的倾向增大。本发明基于此而将A1含量控制在0. 015~0. 060%之间。
[0029] Nb:Nb的作用是提高钢的韧性。在本技术方案中，当Nb含量彡0. 02%时，这一添 加效果比较明显，不过当Nb含量超过0. 1%时，钢的韧性反而会有所降低。因此，在本发明 的技术方案中将Nb含量设定为0. 02~0. 1 %。
[0030] V:V是强碳化物的形成元素，其与碳的结合能力很强，形成的细小弥散的VC质点 能够起到弥散强化的作用，使钢的强度明显增加。如果V的含量小于0.02%时，弥散强化作 用并不明显，但是如果V的含量大于0. 15%，对钢的加工性能也会产生影响，为此，控制钢 中的V的含量为0.02~0. 15%。
[0031] 本发明所述的高强度钢中不含有Ca，Mg或稀土金属等成本较高的添加元素，其通 过对化学成分的优化设计，结合合理的制造工艺，可以获得强度高、强塑积大的钢种。
[0032] 进一步地，本发明所述的高强度钢的微观组织为细小的下贝氏体基体以及在所述 下贝氏体基体上弥散析出的碳化物。
[0033] 更进一步地，所述碳化物包括NbC和/或VC。
[0034] 更进一步地，所述下贝氏体基体的晶粒度大于8级。
[0035] 进一步地，本发明所述的高强度钢还满足：0. 7%彡Mo+50B+Cr彡1. 5%。
[0036] 在本技术方案的某些实施方式中，该高强度钢的微观组织为细小的下贝氏体基体 以及在所述下贝氏体基体上弥散析出的碳化物，其中下贝氏体的晶粒度大于8级，所述碳 化物包括NbC和/或VC;其化学元素质量百分配比还满足0. 7%彡Mo+50B+Cr彡1. 5%。
[0037] 进一步地，在本发明所述的高强度钢中，所述不可避免的杂质中的S< 0. 015%， P< 0. 025%。本技术方案中不可避免的杂质主要是S和P元素，应控制其含量越少越好。
[0038] 本发明的另一目的在于提供一种汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其采用上述高 强度钢制得。
[0039] 进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管，其抗拉强度 彡lOOOMpa，延伸率彡16%，强塑积大于160000MPa%，常温抗扭转疲劳次数大于100万次。 [0040] 进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的壁厚为1. 5-8_。
[0041] 进一步地，本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的外径为30-60mm。
[0042] 本发明的又一目的在于提供一种上述汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方 法。
[0043] 基于上述发明目的，本发明提供了一种上述汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制 造方法，其成品热处理的方式为：在保护气氛中进行空冷淬火+回火。
[0044] 本发明所述的汽车传动半轴用高强塑无缝钢管的制造方法，不采用水冷介质淬火 +回火的热处理方式，而是通过空冷淬火+回火的热处理方式，从而得到细小的下贝氏体组 织并在基体上弥散析出MC碳化物，从而通过位错强化与弥散强化共同作用达到了高的强 度要求。同时，细小均匀的组织也保证了钢管具有优异的耐疲劳性能。此种热处理方式降低 了无缝钢管的工序能耗，避免了常规淬火工序容易产生的弯管、开裂等质量问题，同时保证 了钢管的尺寸精度要求。由于该钢管的元素配比保证了钢管具有优异的淬火性能，空冷能 够得到细小的下贝氏体组织和弥散分布的碳化物，使得成品钢管具有高的强度和强塑积， 保证了钢管优良的抗扭转疲劳性能。
[0045] 进一步地，在本发明所述的制造方法中，空冷淬火的加热温度是850°C_950°C，保 温时间20-30min;回火温度为450-650°C，保温时间45-70min。
[0046] 空冷淬火的加热温度过高，或者保温时间过长均会导致钢管成品的晶粒粗大，使 得钢管的强度和硬度都不能达到使用要求。然而，加热温度过低又会导致析出的碳化物不 能充分固溶，不能达到强化作用。另外，控制淬火保温时间为20-30min是为了能够使钢中 的碳化物在较短的时间内析出，以达到固溶强化的作用，同时又为了防止晶粒长大，提高钢 的强度和塑性。后续以450-700°C的加热温度保温45-70min，是为了保证钢管的延伸率有 较大幅度的提升，达到高的强塑积，保证钢管成品具有优异的抗扭转疲劳稳定性。
[0047] 进一步地，本发明所述的制造方法包括步骤：
[0048] (1)制造管坯；
[0049] (2)将管坯加热后均热；
[0050] (3)热穿孔和连轧；
[0051] (4)再加热，张力减径，自然冷却，然后立即对钢管进行退火处理；
[0052] (5)酸洗、磷化和皂化；
[0053] (6)采用冷拔或冷轧的方式进行多个道次的冷加工，且在两相邻的冷加工道次之 间进行去应力退火；
[0054] (7)在保护气氛中进行空冷淬火+回火。
[0055] 更进一步地，在所述步骤（2)中，将管坯加热到1200°C-1250°C，均热20-30