一种含钒汽车传动轴用钢及其生产方法与流程

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种含钒汽车传动轴用钢及其生产方法。

背景技术：

中国是铌资源贫乏国家，巴西冶金及矿业有限公司控制了世界85%的铌生产。我国钒资源非常丰富，无论是资源储备，还是钒产量均位于世界第一位。目前市面上的汽车传动轴用钢种，化学成分设计主要为碳、锰强化或Nb强化，使得钢材的韧塑性及焊接性较差。随着国家节能减排及汽车轻量化的要求，对汽车用钢的使用要求越来越严，强度级别也逐步提高，因此开发一种既具有高强度，有具有良好韧塑性和焊接性的钢材迫在眉睫。

本发明充分依托我国钒资源优势，开发了独具特色的含钒汽车传动轴用钢。利用了V在奥氏体中的固溶度较高，但在铁素体中的固溶度相对较低，在热轧γ→α转变过程中，以V（C，N）化合物形式析出，在相变强化与细晶强化的综合作用下，最终得到了高强度、良好韧性含钒汽车传动轴用钢板，其抗拉强度达420～580MPa，屈服强度≥360MPa，延伸率≥26%，是目前市面上强度级别较高的一种汽车传动轴用钢板，顺应了汽车行业发展的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种含钒汽车传动轴用钢及其生产方法。本方法利用了V在奥氏体中的固溶度较高，但在铁素体中的固溶度相对较低，在γ→α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化，因此在既需要较高强度又要求韧性的钢中加入适量的V会起到良好的作用。

本发明的目的之一是提供一种含钒汽车传动轴用钢及其生产方法，所述传动轴用钢板化学成分及其重量百分比如下：C≤0.14%，Si≤0.40%，Mn：0.80～1.40%，P≤0.035%，S≤0.025%，V：0.010～0.080%，Ti≤0.06%，Als：0.015～0.060%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明所述含钒汽车传动轴用钢性能指标如下：抗拉强度达420～580MPa，屈服强度≥360MPa，延伸率≥26%。

本发明所述汽车传动轴用钢板组织为铁素体加珠光体，其中珠光体占8～14%。

本发明的另一目的是提供上述一种含钒汽车传动轴用钢及其生产方法，包括下述工序：转炉冶炼，LF精炼，板坯连铸，板坯加热，高压水除鳞，控制轧制，控制冷却。

本发明所述转炉冶炼工序，按照设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯。

本发明所述板坯加热工序，将板坯加热至1180～1260℃。

本发明所述控制轧制工序包括粗轧、热卷箱卷取、精轧。

本发明所述粗轧为5道轧制，出口温度为1020～1080℃。

本发明所述精轧出口温度为820～870℃。

本发明所述控制冷却工序中层流冷却速度15～30℃/S，所述卷取温度为560～620℃。

本发明工艺中板坯优先采用热装。

本发明化学成分的设计思路：汽车用钢板(卷)是薄钢板中产量比例较大、品种规格较多，技术含量和附加值较高的产品之一，汽车钢板的品种和质量是冶金技术装备和工业技术水平的重要标志。目前市场上汽车传动轴用钢产品，主要通过添加微合金元素Nb、Ti或Nb-Ti复合的成分体系，来达到汽车传动轴用钢的性能要求，如继续沿用现有市场成分体系生产汽车传动轴用钢，对市场上推广同质化产品难度较大，而且不能发挥我国V资源优势，因此含钒汽车传动轴用钢的研发工作势在必行。

V在奥氏体中的固溶度较高，但在铁素体中的固溶度相对较低，是一种理想的低温铁素体析出强化元素。因此其主要作用是在γ→α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化。钒碳氮化物在奥氏体中析出将加速铁素体形核，使转变温度升高；如果在奥氏体相中应变诱导析出碳氮化物，其对γ→α转变影响更大，原因是析出控制了γ→α转变的界面行为。虽然在控轧钢中V的细化晶粒的作用不如Nb，但其析出强化的作用却大于Nb，因此在既需要较高强度又要求韧性的钢中加入适量的V会起到良好的作用。

C：0.14%以下，是低碳钢中最经济的强化元素，含量过高能降低钢的塑性和冲击韧性，恶化冷成型性能和焊接性能，所以目前汽车传动轴用钢[C]含量，在保证强度的前提下，[C]含量有很大程度降低。

Si：0.40%以下，能提高钢的强度、疲劳极限、耐蚀性能。

Mn：0.80～1.40%，在汽车传动轴用钢中有较多良好的作用，锰是很好的脱氧剂，能够扩大奥氏体区，降低奥氏体向多边形铁素体的转变温度，利用锰的固溶强化作用来提高钢的强度。

P：0.035%以下，能提高钢的强度，降低钢的塑性，对焊接性能不利，并增加焊裂的敏感性，因此在汽车传动轴用钢中是一种有害元素，应尽可能降低P在钢中的含量。

S：0.025%以下，硫和锰反应生成硫化物夹杂而存在钢中，沿着钢板的轧制方向延伸，形成严重的带状，降低钢的塑性、冷成型性和冲击韧性，所以降低硫含量和改变其在钢中的夹杂形态是获得高韧性至关重要的途径。

V：0.010～0.080%，V除了溶解温度较低和阻止再结晶的效果较弱外，和Nb有相似的作用。V仅在900℃以下对再结晶才有推迟作用，在奥氏体转变以后，V几乎己完全溶解，所以在固溶体中，V仅作为一个元素来影响奥氏体向铁素体转变。但与Nb相比，V使那些不希望有的非多边形铁素体产生得较少，这个特性对于厚度较大的钢板是十分有利的。因V与钢中的氮具有较强的亲和力，所以V可以固定钢中的“自由”氮，在钢中，V与C和“自由”N结合形成V(C，N)化合物，大大降低了钢中的“自由”N含量，避免了钢的应变时效性。钒是相当强烈的碳氮化物形成元素。V主要通过铁素体中C、N化合物的析出对强化有贡献。V能产生沉淀强化作用进而提高屈服强度。在含钒钢中，钒也以碳氮化物的形态存在而发挥重要作用。碳化钒、氮化钒及碳氮化钒均是非常稳定的第二相，在很高的温度下长时间保温仍可保持细小的尺寸。

Ti：0.06%以下。通过细晶强化和析出强化提高钢的强度，Ti可提高奥氏体的再结晶温度，即在较高的温度下实现奥氏体非再结晶区轧制，从而可使轧件在较高的温度下完成轧制变形，同时轧后通过沉淀强化得到细小的TiC析出物，进而提高钢的强度。

本发明工艺参数的设计思路：

轧制工艺：采用控轧控冷技术，加热温度控制在1180～1260℃范围内的中上限，精轧出口温度在820～870℃中上限，确保单相奥氏体区相变轧制，层冷采用前段集中冷却工艺，将变形和热处理相结合，得到期望的组织及细化晶粒，提高材料力学性能及冷弯成形性能。

轧制时钢坯开轧温度按1180～1260℃范围控制，在这一温度下，使得V的溶解度更大，避免了钒碳氮化物的析出，然后在轧制和卷取发生γ→α转变过程中析出，起到晶粒细化和析出强化等作用。

结合含钒汽车传动轴用钢板所设计化学成分，轧制温度的选择对析出强化和细晶强化来讲有此消彼长的影响，同时注意到，如果轧制温度高到使材料在轧时处于再结晶态或不完全再结晶态，可能会导致晶粒细化不够甚至混晶而影响成形性能，综上考虑，精轧出口温度按820～870℃范围控制，卷取温度按560～620℃范围控制。

本发明根据V元素在控轧控冷中的作用机理：

一是析出强化，与其它微合金化元素相比，V的溶解度很大，在给定一定温度时，V的溶解度更大，避免热轧过程中钒碳氮化物的析出，大量的V被保留下来，在γ→α转化中促进了V（C，N）的析出；二是V与N的亲和力强，V将N从杂质中转化一种有效合金；三是细晶强化，N促进V（C，N）的析出，阻止了铁素体晶粒的长大。

本发明的特点是在常规强化元素碳、锰的基础上，采用V微合金化及其与V,N复合微合金元素，实现元素间的相互配合，其强度主要通过微合金钢中细小弥散的微合金碳、氮化物的析出强化来实现，同时辅以细晶强化和相变强化。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：充分利用了V在奥氏体化钢中的固溶度较高，但在铁素体中的固溶度相对较低，在γ→α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化，及其V与N微合金化析出强化作用，从而得到了高强度、良好韧性的含钒汽车传动轴用钢板，其抗拉强度达420～580MPa，屈服强度≥360MPa，延伸率≥26%，并实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所生产宽带钢的金相组织显微图；

图2为本发明实施例1所生产宽带钢的金相组织显微图；

图3为本发明实施例1所生产宽带钢的金相组织显微图；

图4为本发明实施例1所生产宽带钢的金相组织显微图；

图5为本发明实施例1所生产宽带钢的金相组织显微图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

厚度2mm、宽度1250mm，含钒汽车传动轴用钢板化学组分及重量百分比为：C：0.08%，Si：0.10%，Mn：0.82%，P：0.010%，S：0.002%，V：0.040%，Ti：0.020%，Als：0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。含钒汽车传动轴钢板组织为铁素体加珠光体，珠光体约占8%。

生产方法：1）按照上述设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯；2）将板坯加热至1180℃，经高压水除鳞、粗轧、热卷箱卷取、精轧、控制冷却得到热轧卷板。

其中粗轧5道轧制，出口温度为1020℃；精轧出口温度为820℃，层流冷却速度25℃/min，卷取温度为560℃。

实施例2

厚度2.5mm、宽度1250mm，含钒汽车传动轴钢板化学组分及重量百分比为：C：0.09%，Si：0.12%，Mn：1.13%，P：0.012%，S：0.0025%，V：0.045%，Ti：0.022%，Als：0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。含钒汽车传动轴钢板组织为铁素体加珠光体，珠光体约占9%。

生产方法：1）按照上述设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯；2）将板坯加热至1200℃，经高压水除鳞、粗轧、热卷箱卷取、精轧、控轧冷却得到热轧卷板。

其中粗轧5道轧制，出口温度为1040℃；精轧出口温度为840℃，层流冷却速度23℃/min，卷取温度为570℃。

实施例3

厚度3mm、宽度1250mm，含钒汽车传动轴钢板化学组分及重量百分比为：C：0.10%，Si：0.15%，Mn：1.25%，P：0.014%，S：0.010%，V：0.050%，Ti：0.025%， Als：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。含钒汽车传动轴钢板组织为铁素体加珠光体，珠光体约占10%。

生产方法：1）按照上述设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯；2）将板坯加热至1240℃，经高压水除鳞、粗轧、热卷箱卷取、精轧、控轧冷却得到热轧卷板。

其中粗轧5道轧制，出口温度为1060℃；精轧出口温度为850℃, 层流冷却速度24℃/min，卷取温度为590℃。

实施例4

厚度4.0mm、宽度1250mm，含钒汽车传动轴钢板化学组分及重量百分比为：C：0.14%，Si：0.30%，Mn：1.35%，P：0.015%，S：0.003%，V：0.010%，Ti：0.045%，Als：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。含钒汽车传动轴钢板组织为铁素体加珠光体，珠光体约占14%。

生产方法：1）按照上述设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯；2）将板坯加热至1250℃，经高压水除鳞、粗轧、热卷箱卷取、精轧、控轧冷却得到热轧卷板。

其中粗轧5道轧制，出口温度为1070℃；精轧出口温度为860℃, 层流冷却速度26℃/min，卷取温度为600℃。

实施例5

厚度6mm、宽度1250mm，含钒汽车传动轴钢板化学组分及重量百分比为：C：0.12%，Si：0.40%，Mn：1.40%，P：0.035%，S：0.025%，V：0.080%，Ti：0.06%，Als：0.060%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。含钒汽车传动轴钢板组织为铁素体加珠光体，珠光体约占12%。

生产方法：1）按照上述设定成分冶炼钢水，钢水LF精炼、板坯连铸工序得到板坯；2）将板坯加热至1260℃，经高压水除鳞、粗轧、热卷箱卷取、精轧、控轧冷却得到热轧卷板。

其中粗轧5道轧制，出口温度为1080℃；精轧出口温度为870℃, 层流冷却速度30℃/min，卷取温度为620℃。

对上述实施例1-5中的产品进行力学性能检测，具有良好的力学强度及塑性匹配，具体指标如表1所示：

表1 实施例1-5性能检测数据

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。