一种轴用非调质钢的生产方法与流程

本发明属于冶金，涉及一种节能环保高韧性车削非调质钢的生产方法。

背景技术：

1、目前，电机轴类零件一般采用中碳结构钢调质热处理车削后使用，例如40cr进行调质热处理，调质成本高，生产效率较低,而且由于调质过程会增加能耗并污染环境，同时还有一些废品损耗，不符合现今的节能环保要求。因此,近些年来在轴和杆类用途上各家企业开发了一些非调质钢，即在中碳锰钢的基础上加入钒、钛、铌微合金化元素，利用微合金元素钒、钛、铌析出的细小碳化物、氮化物，对钢材强化，使钢材在不进行调质处理时达到调质钢的强度。

2、当前各家钢厂生产的非调质钢强度等各项性能指标能够达到40cr调质材水平，但是经济效益差，钢厂和下游加工企业未产生明显的经济效益，在产品使用推广上效果不明显。因此，开发一种成本合适，能够满足40cr调质材使用性能的直径为20～99mm的电机轴用非调质钢具有实际的研究意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种轴用非调质钢的生产方法，生产抗拉强度≥820mpa、屈服强度≥540mpa，延伸率≥22％、断面收缩率≥60％，晶粒度≥7.0级，室温冲击功aku2≥60j，直径20mm-99mm的圆钢全截面硬度240～290hbw的非调质钢。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种轴用非调质钢的生产方法，钢的化学成分重量百分比为c＝0.37％～0.44％，si＝0.17％～0.37％，mn＝0.5％～0.8％，p≤0.030％，s≤0.030％，cr＝0.90％～1.1％，al＝0.005％～0.025％，n＝0.003％～0.008％，h≤0.0002％,o≤0.0020％，其余为fe和必不可少的杂质；关键工艺步骤包括：

4、1)冶炼：转炉出钢c≥0.08％，采用lf+rh炉精炼工艺，lf炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥30min，过程控制als＝0.015～0.025％；rh炉真空处理，在真空度0.5tor以下真空保持时间不小于20min，出站钢水h≤2ppm，o≤10ppm；

5、2)连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度连浇炉≤25℃，开浇炉≤35℃，铸坯尺寸为280mm×280mm；

6、3)加热：铸坯加热时间280～480min，预热段温度≤600℃，加热段温度1140～1200℃，均热段温度1160～1220℃；

7、4)轧制：棒线二辊平立交替850轧机采用大压下进行轧制，一、二道次压下量分别按70mm、65mm控制；开轧温度≥1000℃；终轧采用三辊轧机轧制，终轧温度700～740℃；

8、5)冷却：轧后圆钢采用水箱强穿水冷却，保证上冷床温度为500～580℃，采用隔齿上冷床；

9、6)精整：圆钢采用锯切，成品圆钢采用超声波探伤+磁粉表面探伤；

10、7)去应力退火：成品圆钢整体采用台车炉进行去应力退火，退火温度为300～350℃，保温时间为4小时，最终得到抗拉强度≥820mpa、屈服强度≥540mpa、延伸率≥22％、断面收缩率≥60％，晶粒度≥7.0级，室温冲击功aku2≥60j，直径20～99mm的圆钢全截面硬度240～290hbw的非调质钢。

11、发明原理：

12、本发明主要从以下几方面来保障产品的强度、硬度和韧性。

13、(1)化学成分的设计：非调质钢是指在中碳钢中添加微量的强碳化物形成元素，控轧控冷后冷却到室温，利用碳(氮)化物的析出强化，使其达到中碳钢调质后的强化水平，从而省去调质处理工序。它不仅节能环保，缩短生产周期，还可以避免淬火变形及开裂，提高产品质量，降低了制造成本。

14、c含量的确定：c作为钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但c过高会对钢的中心偏析、塑韧性和焊接性能带来不利影响；本发明c含量的范围确定为0.37～0.44％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；

15、si含量的确定：此处的si为强化铁素体，可提高材料的基体强度，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0.17～0.37％；

16、mn含量的确定：此处mn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0.5％～0.8％；

17、cr含量的确定：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0.90～1.1％；

18、al含量的确定：al元素与n形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但al含量大，钢水熔炼过程中易形成al2o3等脆性夹杂，降低钢水纯净度；同时al还作为钢中脱氧元素加入，降低了钢水中的溶解氧；本发明al含量的范围确定为0.005～0.025％；

19、s元素的确定：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≤0.030％；

20、p含量的确定：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≤0.030％；

21、n含量的确定：钢中的v、al元素均需要与n结合，形成氮化物，才能发挥提高强度、细化晶粒的作用，因此需要适量的n元素，根据v、al的含量及相应氮化物的化学计量配比，确定本发明n含量的范围确定为0.003～0.008％。

22、(2)降低钢中非金属夹杂物。钢中由于非金属夹杂物的存在,破坏了金属基体的连续性,易产生应力集中,成为金属疲劳的发源地。裂纹多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间,当应力足够大时就产生裂纹,并迅速扩展而破坏。非金属夹杂物塑性越低,形状越尖棱,则应力集中也就越大。为了提高产品疲劳寿命，控制好真空脱气处理和炉外精炼，减少非金属夹杂物的含量、改变夹杂物类型和分布状态。

23、(3)优化轧制工艺，提高产品晶粒度。圆钢表层为回火组织，圆钢其余部位金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度在7～9级；细晶粒可以提高产品的强韧性，相应也提高抗疲劳性能。

24、本发明的有益效果：本发明采用中碳低合金成分设计，lf+rh复合精炼技术，严格控制钢水的纯净度，并采用高温大压下轧制、控制轧制控制冷却新技术、在线淬火回火调质新技术，开发的轴用非调质钢达到了调质材40cr强度和塑性指标，抗拉强度≥820mpa、屈服强度≥540mpa，延伸率≥22％、断面收缩率≥60％，晶粒度≥7.0级，室温冲击功aku2≥60j，直径20mm-99mm的圆钢全截面硬度240～290hbw的非调质钢。其生产成本低于调质钢，具有明显的经济效益。本发明突破常规生产工艺，利用钢厂现有设备和工艺条件，充分发挥设备优势，节能环保，生产出高韧性、硬度均匀、低成本的非调质钢可广泛应用于制造电机轴类关键零件。