专利名称：高洁净度中碳车轴用钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于汽车用钢技术领域，具体涉及一种高洁净度中碳车轴用钢及其制备方法。
背景技术：
车辆车轴是一个十分重要的零件，例如前轴(又称工字梁)是汽车前桥总成中最大的重要保安构件之一，其内在质量和材料性能的好坏将会直接影响汽车转向系统的安全可靠性和汽车的使用寿命。前轴在工作过程中，既要承受垂直平面的交变弯矩，又要承受一定的冲击载荷等交变应力作用，且工作环境极差，易腐蚀。使用状况和工作环境要求决定前轴材料必须具有较高的抗弯曲疲劳强度；除了考虑抗弯曲疲劳强度外，还要考虑其韧性和低温脆性，为了使车辆能够在低温环境下使用，车轴用钢必须具有足够低的冷脆转折温度，因此对车轴用钢的强度、刚度及疲劳寿命要求高。一般载货汽车和大型客车的前轴都必须采用锻造成形，以保证零件的强度要求和疲劳寿命指标。目前的车轴用钢均为添加V、Mo、Ni等一种或多种合金化元素，如中国发明专利申请CN102586698A提供了一种车轴用钢及其热处理方法，所述车轴用钢的成分为C:0.42-0.45%、Si:0.23-0.30%、Cr:0.53-0.63%、Mn:0.73-0.83%、Mo:0.08-0.13%、Ni:0.18-0.25%、Cu:0.05-0.15%、Al:0.025-0.050%、V:0.09-0.11%、P:彡 0.015ppm、S:< 0.0lOppm，余量为铁及其他不可避免的元素。在原料成本日益增加的今天，车轴用钢的生产成本较大，因此开发经济、实用、高性能的车轴用钢具有重要的意义
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高洁净度中碳车轴用钢及其制备方法。该中碳车轴用钢无需添加任何微合金元素，即可获得综合性能优良的车轴用钢，成本较低。采用本发明的制备方法获得的中碳车轴用钢具有洁净度高、综合性能好、组织均匀等优点。为了实现上述目的，满足用户高洁净度、高均质性、高性能稳定性的要求，本发明采用了以下技术方案:一种高洁净度中碳车轴用钢，采用Mn进行合金化，来提高材料的强度和疲劳寿命；窄成分设计来保 证良好的质量稳定性；低P、S及低[O]含量来提高钢材洁净度，降低钢的冷脆性；以Al来细化晶粒，最终使材料获得良好的综合性能。该中碳车轴用钢按重量百分比由以下化学成分组成:c:0.49-0.53%、S1:0.17-0.37%、Mn:0.65-0.80%、Cr:0.15-0.25%,P ( 0.020%,S ( 0.010%,Al:0.020-0.060%,O ( 15Χ1(Γ4%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。合理的成分设计是本发明的技术特点之一，采用Mn合金化、低P、S及低[O]、适量Al的窄成分设计。采用Mn合金化，提高钢的强度和疲劳性能，将其设计为0.65-0.80% ；
为保证钢材高的洁净度和低的冷脆性，采用低P、S和低[O]成分设计，P ≤ 0.020%, S ≤ 0.010%,O ≤ 15X10_4% ；为细化晶粒，提高钢的综合性能，Al:0.020-0.060% ；窄成分设计保证材料的质量稳定性。在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，钢的组成按质量百分比优选为:C:0.50-0.52%、Si:0.20-0.30%、Mn:0.65-0.75%、Cr:0.15-0.25%、P: ≤ 0.015 %, S:(0.010%, Al:0.020-0.050、O≤15Χ1(Γ4%，其余为Fe和不可避免的杂质。合理的生产工艺是本发明的技术特点之二，合理的制备工艺提高了钢的纯净度，保证钢的性能质量，使钢具有良好的综合性能。上述中碳车轴用钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气，连铸浇注铸坯、轧制步骤，其中:在电炉冶炼步骤中，主要原料为铁水和废钢，其中铁水比例为40-60 (Mfi) % ;所述电炉冶炼全过程均进行造泡沫渣操作，电炉冶炼终点C含量为0.15-0.25 (重量)％、P ≤0.010 (重量)％,残余元素含量符合设计要求(例如残余元素As 0.020 (重量)％、Sn:≤ 0.020 (重量)％、Pb:≤ 0.0025 (重量)％、Sb:≤ 0.025 (重量)％、B1:≤ 0.005(重量)％)，钢水的出钢温度为1620-1670°C，示例性地可以为1620-1625°C、1635-1645°C、1628°C、1660°C、1669°C ;钢包内加入9-llkg/t钢硅锰合金进行钢包合金化，示例性地可以为9.2kg/1钢、10kg/t钢、10.5kg/1钢，以使钢水中的Mn含量达到0.55-0.65(重量)％，并随出钢流以1.5-2.5kg/t钢的量加入钢芯铝，示例性地可以为1.6kg/t钢、1.9kg/t钢、2.0kg/t 钢、2.2kg/1 钢、2.4kg/1 钢；在LF精炼步骤中，采用碳粉调渣，喂入Al线2_4m/t钢，比如3m/t钢，精炼渣碱度为3.0-3.5，全程保持白渣，喂入硅钙线1.5-3m/t钢或喂入钙线1.0-2.5m/t钢，比如喂入硅钙线2m/t钢、喂入钙线1.5m/t钢，出钢前控制钢水中铝含量在0.020-0.050 (重量)％，比如铝含量为 0.020-0.030 (重量)%、0.035-0.045 (重量)% ；在所述轧制步骤中，加热炉均热温度为1170-1220 °C，示例性地可以为1170-1180 0C>1185-1195 °C、1200-1205 °C>1210 °C>1215 °C>1190 °C，加热时间为 2.5-4小时，示例性地可以为3小时、3.5小时，开轧温度为1080-1120°C，示例性地可以为1090-1100 °C、1101-1105 °C、1115 °C、1110 V，终轧温度为 850-950 V，示例性地可以为850-860 0C >870-875 0C >930-935 0C >940 0C >875 0C。在上述制备方法中，未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。采用上述方法即可以基本实现钢的高洁净度以及良好的综合性能，其力学性能和晶粒度符合标准要求，产品合格率可达90%以上。为了使钢的纯净度更高并且性能更加稳定，在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在VD真空脱气步骤中，真空度小于67Pa，示例性地可以为40-50Pa、60-65Pa、45Pa、55Pa，保持时间为12-18分钟，示例性地可以为13min、15min、17min，VD脱气后软吹氩时间为10-15分钟，示例性地可以为12min、14min。更优选地，真空度为40_60Pa，保持时间为15-18分钟，VD后软吹氩时间为12-15分钟。在上述制备方法中，作为另一种优选实施方式，在连铸浇注铸坯步骤中，连铸中采用电磁搅拌，中间包温度控制在1505-1520°C，示例性地可以为1510°C、1515°C、1518-1520°C，连铸 260mmX300mm 坯型时拉速为 0.60 0.85m/min,比如 0.65 0.68m/min、0.70 0.76m/min、0.80 0.82m/min、0.75m/min、0.68m/min,连铸 180mmX 220mm 还型时拉速为 0.90 1.25m/min,比如 0.91 0.95m/min、l.0 1.lm/minU.15 1.20m/min、0.96m/min>1.05m/min>1.20m/min,这样可以保证铸还质量，从而更好的保证轧制后产品的质量。更优选地，中间包温度控制在1510-1520°C，连铸260mmX300mm坯型拉速为0.60 0.75m/min，连铸 180mmX 220mm 坯型拉速为 0.90 1.05m/min。在上述制备方法中，作为另一种优选实施方式，在电炉冶炼步骤中，终点C含量为0.20-0.25 (重量)%、P彡0.010 (重量)%，钢水的出钢温度为1640_1660°C。在上述制备方法中，作为另一种优选实施方式，在LF精炼步骤中，喂入Al线
2.5-3.5m/t钢，喂入硅钙线1.5-2.5m/t钢或喂入钙线1.0-2.0m/t钢，出钢前控制钢水中铝含量在0.030-0.050 (重量)%。在上述制备方法中，作为另一种优选实施方式，在所述轧制步骤中，控制加热炉均热温度为1200-1220°C，加热时间为2.5-3.5小时，开轧温度为1080-1120°C，终轧温度为850-950 O。本发明通过控制材料的化学成分和合理的生产工艺来控制钢材的洁净度、优化材料的组织和性能的均质性，提高材料的性能稳定性和疲劳寿命，使材料具有良好的综合性能。用Al来细化晶粒，无需添加任何微合金元素，即可获得综合性能优良的车轴用钢。本发明的中碳车轴用钢的屈服强度Rel可达到400_450MPa，抗拉强度Rm可达到650-710MPa，延伸率A可达到15_20%，断面收缩率Z可达到40_47%，冲击功Aku可达到70-100J，晶粒度为7级以上，最高可达8级。与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下:(I)、本发明中碳车轴用钢采用窄成分设计，在提高材料的力学性能和疲劳寿命的同时，以Al细化晶粒，获得了良好的综合性能。产品合格率可达到90%以上，如采用优选方案进行制备，产品合格率可达到98%以上。(2)、本发明在生产工程中，通过制造工艺优化及对过程的严格控制，采用低P、S、生产技术，大大的提高了钢的纯净度和性能的稳定性。( 3 )、本发明无需添加任何微合金元素，制备成本低。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于此。以下百分比均为重量百分比。实施例1-3实施例1-3均采用UHP超高功率电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气，连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产热轧圆钢钢材。下面以Φ 130mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。总体上来说，实施 例1-3的工艺如下:( I)电炉冶炼，主要原料为铁水+废钢，铁水比例40-60%。电炉冶炼全过程造泡沫渣操作，终点[C]=0.20-0.25%、[P]彡 0.010%，残余元素 As:彡 0.020%、Sn:彡 0.020%、Pb:彡 0.0025%, Sb 0.025%, Bi 0.005%，钢水的出钢温度 1640_1660°C，钢包内加Λ 9-llkg/t钢硅锰合金进行钢包合金化，并随出钢流加钢芯铝量1.5-2.5kg/t钢；(2)LF精炼，采用碳粉调渣，喂入Al线2.5-3.5m/t钢。精炼渣碱度3.0-3.5，全程保持白渣，喂入硅钙线1.5-2.5m/t钢或喂入钙线1.0-2.0m/t钢，出钢前控制钢中铝含量在
0.030-0.050% ；(3)精炼后真空处理，真空度40_60Pa，保持时间15_18分钟，VD后软吹氩时间12-15分钟；(4)浇注:采用连铸浇注，连铸中应采用电磁搅拌。控制中间包温度1510_1520°C，拉速260mmX 300mm还型按照0.60 0.75m/min,铸还质量良好；(5)铸坯加热:控制加热炉均热温度1200_1220°C，加热时间2.5-3.5小时；(6)轧制:开轧温度 1080-1120°C，终轧温度 850_950°C。具体来说，实施例1-3中碳车轴用钢的化学成分参见表I ;具体的工艺参数见表2和表3所示，其中表2是·电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气步骤中的具体参数值，表3是连铸中间包钢水温度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及轧制温度，表2和表3中没有涉及的工艺参数均参照本领域常规技术。实施例1-3每炉钢材成品的性能检验结果如表4、表5和表6所示。表I中碳车轴用钢实施例化学成分(重量，%)
权利要求
1.一种高洁净度中碳车轴用钢，其特征在于，按重量百分比由以下化学成分组成:C:0.49-0.53%、Si:0.17-0.37%、Mn:0.65-0.80%、Cr:0.15-0.25%、P 彡 0.020%、S 彡 0.010%、Al:0.020-0.060%、O ( 15X 1(Γ4%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高洁净度中碳车轴用钢，其特征在于，按重量百分比由以下化学成分组成:C:0.50-0.52%、Si:0.20-0.30%、Mn:0.65-0.75%、Cr:0.15-0.25%、P 彡 0.015%、S 彡 0.010%、Al:0.020-0.050、O ( 15X 1(Γ4%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述高洁净度中碳车轴用钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气，连铸浇注铸坯、轧制步骤，其特征在于: 在所述电炉冶炼步骤中，主要原料为铁水和废钢，其中铁水比例为40-60 (重量)％ ；所述电炉冶炼全过程均进行造泡沫渣操作，电炉冶炼终点C含量为0.15-0.25 (重量)％、P^0.010 (重量)％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度为1620-1670°c ;钢包内加9-llkg/t钢硅锰合金进行钢包合金化，以使钢水中的Mn含量达到0.55-0.65 (重量)％，并随出钢流以1.5-2.5kg/t钢的量加入钢芯铝； 在所述LF精炼步骤中，采用碳粉调渣，喂入Al线2-4m/t钢，精炼渣碱度为3.0-3.5，全程保持白渣，喂入硅钙线1.5-3m/t钢或喂入钙线1.0-2.5m/t钢，出钢前控制钢水中铝含量在 0.020-0.050 (重量)％; 在所述轧制步骤中，加热炉均热温度为1170-1220°C，加热时间为2.5-4小时，开轧温度为 1080-1120°C，终轧温度为 850-950°C。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述VD真空脱气步骤中，真空度小于67Pa，保持时间为12-18分钟，VD脱气后软吹氩时间为10-15分钟。
5.根据权利要求4 所述的制备方法，其特征在于，所述真空度为40-60Pa，所述保持时间为15-18分钟,所述VD后软吹気时间为12-15分钟。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述连铸浇注铸坯步骤中，连铸中采用电磁搅拌，中间包温度控制在1505-1520°C，连铸260mmX 300mm坯型时拉速为0.60 0.85m/min，连铸 180mmX 220mm 坯型时拉速为 0.90 1.25m/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述中间包温度控制在1510-1520 °C，连铸260mmX 300mm坯型时所述拉速为0.60 0.75m/min,连铸180mmX 220mm还型时所述拉速为0.90 1.05m/min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述电炉冶炼步骤中，所述终点C含量为0.20-0.25 (重量)%、P彡0.010 (重量)%，所述钢水的出钢温度为1640_1660°C。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述LF精炼步骤中，所述喂入Al线为2.5-3.5m/t钢，所述喂入硅钙线为1.5-2.5m/t钢或喂入钙线为1.0-2.0m/t钢，出钢前所述钢水中铝含量为0.030-0.050 (重量)％。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述轧制步骤中，所述加热炉均热温度为1200-1220°C，所述加热时间为2.5-3.5小时，所述开轧温度为1080-1120°C，所述终轧温度为850-950°C。
全文摘要
本发明公开了一种高洁净度中碳车轴用钢及其制备方法。该车轴用钢按重量百分比由以下化学成分组成C0.49-0.53%、Si0.17-0.37%、Mn0.65-0.80%、Cr0.15-0.25%、P≤0.020％、S≤0.010％、Al0.020-0.060%、O≤15×10-4%，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气，连铸浇注铸坯、轧制步骤。本发明的中碳车轴用钢的力学性能稳定并且纯净度高，各项指标远远优于标准要求，具有优良的综合性能。另外本发明无需添加任何微合金元素，制备成本低。
文档编号C22C38/18GK103160743SQ201310128309
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者梁娜, 翟正龙, 张伟, 杜国强, 卢乃双, 袁淑君, 郑桂芸, 戈文英, 范黎明 申请人:莱芜钢铁集团有限公司