非調(diào)質(zhì)鋼、用其制造的工程機(jī)械半軸及半軸制造方法
【專利摘要】非調(diào)質(zhì)鋼、用其制造的工程機(jī)械半軸及半軸制備方法，非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分范圍按重量百分比計為：C：0.35%～0.42%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.80%～1.50%，P：≤0.035%，S：0.005%～0.035%，Cr：0.40%～0.80%，V：0.08%～0.18%，B：0.0005%～0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)是與20CrMnTi滲碳淬火和40Cr調(diào)質(zhì)半軸相比，非調(diào)質(zhì)鋼半軸平均靜扭強(qiáng)度分別提高了81%和15%，扭轉(zhuǎn)疲勞性能更佳，還具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，可以大幅提高加工刀具壽命，節(jié)能降耗，提高性能，降低生產(chǎn)成本，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】非調(diào)質(zhì)鋼、用其制造的工程機(jī)械半軸及半軸制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的涉及一種非調(diào)質(zhì)鋼、用其制造的工程機(jī)械半軸及半軸制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)周期長、能耗大、生產(chǎn)成本高，同時工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生對環(huán)境有污染的“三廢”。隨著全球性資源和能源的緊張和枯竭，節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成世界共識，也是今后中國調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式的方向。因此研究應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼，節(jié)能降耗，符合發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求，是綠色制造的發(fā)展趨勢，是時代發(fā)展的需要。
[0003]目前國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)仍主要采用傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼為主要原材料，對非調(diào)質(zhì)鋼的研究和應(yīng)用較少，產(chǎn)品的單位能耗高。作為一個發(fā)展迅速、規(guī)模日益龐大的重要裝備制造行業(yè)，在工程機(jī)械行業(yè)中廣泛應(yīng)用環(huán)保節(jié)能的非調(diào)質(zhì)鋼將是一個必然的趨勢。
[0004]半軸屬于大長徑比的細(xì)長軸類零件，如圖1所示，其在傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝淬火時易產(chǎn)生彎曲變形、微裂紋等缺陷，調(diào)質(zhì)質(zhì)量控制難度大。在使用過程中，常因調(diào)質(zhì)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而造成產(chǎn)品的失效。而采用非調(diào)質(zhì)鋼制造后，半軸生產(chǎn)取消調(diào)質(zhì)處理工藝，產(chǎn)品的綜合機(jī)械性能不受調(diào)質(zhì)工藝的限制和影響，而由非調(diào)質(zhì)鋼材料自身的性能優(yōu)劣決定，因此半軸質(zhì)量的可控性和穩(wěn)定性增強(qiáng)，可以大大減少產(chǎn)品因制造質(zhì)量缺陷而造成的外反饋損失。非調(diào)質(zhì)鋼半軸無調(diào)質(zhì)工藝，可節(jié)約因調(diào)質(zhì)而消耗的大量能源，縮短原有制造周期約1/3，同時減少廢氣、廢水的排放，節(jié)能減排的同時直接降低了產(chǎn)品的制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種非調(diào)質(zhì)鋼、應(yīng)用其制造的工程機(jī)械半軸和半軸加工工藝，其與20CrMnTi滲碳淬火和40Cr調(diào)質(zhì)半軸相比，不僅平均靜扭強(qiáng)度分別提高了 81%和15%，扭轉(zhuǎn)疲勞性能更佳，還具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，可以大幅提高加工刀具壽命，節(jié)能降耗，提高性能，降低生產(chǎn)成本，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]可用于工程機(jī)械半軸的非調(diào)質(zhì)鋼的成分設(shè)計要點(diǎn)如下:
綜合考慮半軸技術(shù)要求和現(xiàn)有工藝條件，擬采用中碳型P+F非調(diào)質(zhì)鋼。加入Mn、V、B、Cr，使非調(diào)質(zhì)鋼在軋制后具有上述力學(xué)性能要求，同時具有良好的淬透性以使表面感應(yīng)淬火后有足夠的有效硬化層深度。
[0007]碳對鋼的強(qiáng)度、硬度影響最大，碳含量過高，鋼材的塑、韌性下降；碳含量太低，表面淬火后的硬度不足。為了達(dá)到40Cr調(diào)質(zhì)后的性能水平，半軸用非調(diào)質(zhì)鋼中的碳含量控制在0.35%~0.42%之間。
[0008]Mn是普通低合金鋼中最常用的具有固溶強(qiáng)化作用的元素。Mn能改善珠光體+鐵素體組織鋼的沖擊韌性，增加斷面收縮率，有關(guān)資料顯示，Mn在1%以內(nèi)對沖擊韌性無損害，但隨著Mn含量進(jìn)一步增加，鋼的韌性逐漸降低，據(jù)此，Mn含量選取1.5%以下，即0.8%~
1.50%ο
[0009]V是微合金化元素中最常用又有效的強(qiáng)化元素，其主要作用是通過形成V (C，N)來影響鋼的組織和性能。V(c，N)主要在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出，除彌散強(qiáng)化外，更重要的是對奧氏體晶界的釘扎作用，使鋼材軋制后晶粒細(xì)小，在提高材料強(qiáng)度的同時改善鋼的韌性。
[0010]微量的B可以顯著提高鋼的淬透性，用來替代部分稀缺或貴重的合金元素，降低生產(chǎn)成本。另外，相關(guān)研究表明，B的加入可以促進(jìn)其它微合金元素如Nb的形變誘導(dǎo)析出，在鋼中產(chǎn)生更為細(xì)小的Nb和B的復(fù)雜的碳氮化合物，有利于改善非調(diào)質(zhì)鋼的各項性能。
[0011]Cr是中等碳化物形成元素。加熱時溶入奧氏體的Cr能提高鋼的淬透性。鋼中的Cr，一部分置換鐵形成合金滲碳體；一部分溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，提高鐵素體的強(qiáng)度和硬度。
[0012]本發(fā)明所述的非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能設(shè)計依據(jù)為:研究表明，通過適當(dāng)調(diào)整鋼中的碳、錳和釩等元素的含量，熱軋狀態(tài)的珠光體一鐵素體鋼的平均抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到900MPa，此強(qiáng)度級別與現(xiàn)行40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理后接近，且能夠在半軸整個截面得到較均勻的強(qiáng)度，韌性指標(biāo)低于40Cr鋼調(diào)質(zhì)。而后續(xù)的半軸中頻感應(yīng)淬火處理能顯著地改善半軸的沖擊韌性。設(shè)計的非調(diào)質(zhì)鋼材料熱軋態(tài)力學(xué)性能目標(biāo)值見表1。
[0013]表1微合金非調(diào)質(zhì)鋼材料熱軋態(tài)力學(xué)性能及組織要求
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本發(fā)明之非調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成 份范圍按重量百分比計為:c:0.35%~0.42%，Si:
0.20% ~0.40%, Mn:0.80% ~1.50%, P:≤ 0.035%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~0.80%,V:0.08%~0.18%, B:0.0005%~0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0014]優(yōu)選地，所述的非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.37%~0.40%,S1:0.17% ~0.37%, Mn:1.00% ~1.30%, P:≥ 0.025%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~
0.60%, V:0.10%~0.15%, B:0.0010%~0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0015]按上述成份范圍，采用電弧爐冶煉+精煉/真空脫氣一連鑄一二軋650成材制備本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)鋼。
[0016]工程機(jī)械半軸對表面硬化層深度的要求:
半軸主要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，最大應(yīng)力作用于軸的表層，軸心受力為零。因此，半軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度(大多數(shù)半軸的計算工作應(yīng)力τ max=347MPa~530MPa)、韌性和良好的抗疲勞性能，半軸的疲勞極限主要取決于表層材料的疲勞強(qiáng)度。
[0017]淬硬層深度應(yīng)保證半軸內(nèi)任何一點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均小于或等于該點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度。圖2表示半軸淬火后強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布情況對比，若淬硬層太淺，如圖2 (a)所示，則半軸強(qiáng)度不足，存在危險區(qū)域；若淬硬層太深，如圖2 (C)所示，則半軸表層殘余壓應(yīng)力降低而降低疲勞壽命。合適的淬硬層深度如圖2 (b)所示?；ㄦI部齒根下硬化層深度應(yīng)達(dá)到花鍵根部軸徑的10-20%，桿部硬化層深度應(yīng)達(dá)到桿部直徑的15~20%。
[0018]從硬度分布來看，感應(yīng)淬火的半軸表面硬化層(7mm~IOmm)為20CrMnTi滲碳淬火半軸(約 1.4mm)的 5 倍以上。SHAPE \* MERGEFORMAT SHAPE \* MERGEFORMAT
根據(jù)以上對半軸使用性能的要求和鋼中各合金元素強(qiáng)化作用的研究，添加Cr和B獲得優(yōu)良的淬透性，與調(diào)質(zhì)鋼相比，在相同工藝參數(shù)下，可以在后續(xù)的中頻感應(yīng)淬火中穩(wěn)定地獲得比調(diào)質(zhì)鋼更大深度的馬氏體硬化層，顯著提高工程機(jī)械半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞性能，并由于省略了調(diào)質(zhì)工藝，能獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量并明顯地降低總成本。
[0019]采用上述非調(diào)質(zhì)鋼制備的工程機(jī)械半軸，所采用的感應(yīng)淬火工藝參數(shù)為:加熱電流130A~180A，電壓300V~380V，頻率3000Hz~4500Hz，花鍵、光桿處感應(yīng)圈移動速度分別為 190 mm/mi n ~250mm/min、230 mm/mi η ~290mm/min, AQUA251 淬火液質(zhì)量濃度為
7.5%~15%，采用中頻感應(yīng)淬火機(jī)床進(jìn)行表面感應(yīng)淬火。
[0020]本發(fā)明之非調(diào)質(zhì)鋼的理想組織是珠光體+鐵素體，由于Cr和B的添加而獲得的優(yōu)良的淬透性使得鋼材感應(yīng)淬火表面硬化層深度增加，晶粒細(xì)化，韌性提高的同時因晶界阻礙位錯運(yùn)動，以及馬氏體強(qiáng)化等因素使強(qiáng)度大幅度提高，因此鋼材具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配和高的扭轉(zhuǎn)疲勞性能，完全達(dá)到工程機(jī)械半軸的服役條件。
[0021]本發(fā)明之非調(diào)質(zhì)鋼工程機(jī)械半軸的優(yōu)點(diǎn)是，與20CrMnTi滲碳淬火和40Cr調(diào)質(zhì)半軸相比，不僅平均靜扭強(qiáng)度分別提高了 81%和15%，扭轉(zhuǎn)疲勞性能更佳，還具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，可以大幅提高加工刀具壽命，節(jié)能降耗，提高性能，降低生產(chǎn)成本，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
[0022]在制造成本上，按照每根半軸28kg計算，綜合計算鋼材采購和加工的成本差異，每根半軸節(jié)約13元，總成本下降幅度在7%左右。于是，在半軸整體性能獲得提升的同時，能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]附圖1為一種工程機(jī)械半軸結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]附圖2為半軸淬火后強(qiáng)度與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布情況對比。
[0025]附圖3為實施例1中非調(diào)質(zhì)鋼熱軋態(tài)的金相照片。
[0026]附圖4為實施例1中非調(diào)質(zhì)鋼的淬透性與GB/T 5216-2004中40Cr的淬透性上下限的對比。
[0027]附圖5為實施例1中非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，與20CrMnT1、40Cr桿部硬化層硬度梯度的對比。
[0028]附圖6為實施例1中非調(diào)質(zhì)鋼半軸經(jīng)表面感應(yīng)淬火后獲得的組織。
[0029]附圖7為實施例2中非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，與20CrMnT1、40Cr桿部硬化層硬度梯度的對比。
[0030]附圖8為實施例3中非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，與20CrMnT1、40Cr桿部硬化層硬度梯度的對比。
[0031]附圖9為實施例4中非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，與20CrMnT1、40Cr桿部硬化層硬度梯度的對比。
[0032]附圖10為實施例5中非調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，與20CrMnT1、40Cr桿部硬化層硬度梯度的對比。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.35%~0.42%，Si:
0.20% ~0.40%, Mn:0.80% ~1.50%, P S 0.035%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~0.80%,V:0.08%~0.18%, B:0.0005%~0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0034]優(yōu)選地，所述的非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.37%~0.40%,S1:0.17% ~0.37%, Mn:1.00% ~1.30%, P≤0.025%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~
0.60%, V:0.10%~0.15%, B:0.0010%~0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0035]所述非調(diào)質(zhì)鋼顯微組織為珠光體+鐵素體，本非調(diào)質(zhì)鋼的本質(zhì)晶粒度可達(dá)9級。
[0036]本實施例中，所述的非調(diào)質(zhì)鋼所采用的傳統(tǒng)制備方法為:電弧爐冶煉+精煉/真空脫氣一連鑄240X240方一二軋650成材，詳細(xì)說明如下:
電弧爐冶煉工藝:
I)氧化法冶煉，鐵水熱裝比>50%。
[0037]2)出鋼條件:P ≤ 0.010%, T ≥ 1640°C。
[0038]3)鋼包采用連用紅包，出鋼時隨鋼流加入FeAl IOOKg/爐脫氧，出鋼過程及出鋼后保持鋼包連續(xù)吹A(chǔ)r。
[0039]4)爐外合金化。
[0040]精煉爐工藝:
I)精煉過程加強(qiáng)脫氧，白渣操作，加熱至1520°C以上取樣，樣回。
[0041]2)加熱至高于1620°C，喂Al線至0.045%左右，喂Ca-Si線180m~220m，換坑抽真空，盡量安排RH抽真空。
[0042]3)破空，加入Fe-Ti及Fe-B ;軟吹氬攪拌，起坑。
[0043]連鑄:
I)中包烘烤良好，中包溫度≥1000°C。
[0044]2)中包鋼水過熱度:15°C~35°C。
[0045]軋制:
鋼坯出爐溫度1190°C，總加熱時間≥120min。
[0046]本發(fā)明所述的非調(diào)質(zhì)鋼工程機(jī)械半軸，須進(jìn)行表面感應(yīng)淬火，使其表面形成5mm~12_厚的5~9級馬氏體硬化層,此條件下的工程機(jī)械半軸能顯著提高工程機(jī)械半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞性能。
[0047]本發(fā)明所述的非調(diào)質(zhì)鋼工程機(jī)械半軸的表面感應(yīng)淬火工藝參數(shù)為:加熱電流130A~180A，電壓300V~380V，頻率3000Hz~4500Hz，花鍵、光桿處感應(yīng)圈移動速度分別為 1 QOmm/miη ~250mm/min、230mm/min ~290mm/min, AQUA251 淬火液質(zhì)量濃度為 7.5% ~15%，采用中頻感應(yīng)淬火機(jī)床進(jìn)行表面感應(yīng)淬火。
[0048]下面為本發(fā)明的四個實施例:
實施例1:
一種可用于工程機(jī)械半軸的非調(diào)質(zhì)鋼，按重量百分比包括以下化學(xué)成分:c:0.42%，S1: 0.31%, Mn: 1.14%, P: 0.015%, S: 0.011%, Cr: 0.52%, V: 0.15%，B:0.0016%，其余
為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0049]采用GB/T 228-2002 “金屬材料室溫拉伸試驗方法”對熱軋態(tài)非調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。
[0050]表2可用于工程機(jī)械半軸的熱軋態(tài)非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能檢測結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:c:0.35%~0.42%，S1:0.20% ~0.40%, Mn:0.80% ~1.50%, P:≤0.035%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~0.80%, V:0.08%~0.18%, B:0.0005%~0.0025%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.37% ~0.40%, Si:0.17% ~0.37%, Mn:1.00% ~1.30%, P: ^ 0.025%, S:0.005% ~0.035%, Cr:0.40% ~0.60%, V:0.10% ~0.15%, B:0.0010% ~0.0025%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.42%, Si:0.31%, Mn:1.14%, P:0.015%, S:0.011%, Cr:0.52%, V:0.15%, B:0.0016%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.37%, Si:0.29%, Mn:1.19%, P:0.008%, S:0.005%, Cr:0.48%, V:0.13%, B:0.0014%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.38%, Si:0.28%, Mn:1.10%, P:0.005%, S:0.009%, Cr:0.47%, V:0.13%, B:0.0010%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.35%, Si:0.26%, Mn:1.13%, P:0.007%, S:0.005%, Cr:0.47%, V:0.12%, B:0.0014%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于其化學(xué)成份范圍按重量百分比計為:C:0.36%, Si:0.29%, Mn:1.21%, P:0.015%, S:0.03%, Cr:0.48%, V:0.12%, B:0.0012%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)鋼，其特征在于所述非調(diào)質(zhì)鋼顯微組織為珠光體+鐵素體，本非調(diào)質(zhì)鋼的本質(zhì)晶粒度可達(dá)9級。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1和2所述非調(diào)質(zhì)鋼制成的工程機(jī)械半軸，其特征在于其表面有5mm~12mm厚度的馬氏體硬化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工程機(jī)械半軸，其特征在于:馬氏體硬化層厚度為7mm~IOmm0
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的工程機(jī)械半軸，其特征在于:表面硬化層馬氏體晶粒度為5~9級。
12.—種權(quán)利要求8或9所述的工程機(jī)械半軸表面感應(yīng)淬火工藝，其特征在于:表面感應(yīng)淬火加熱電流130A~180A，電壓300V~380V，頻率3000Hz~4500Hz。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工程機(jī)械半軸表面感應(yīng)淬火工藝，其特征在于:對半軸花鍵處感應(yīng)加熱時感應(yīng)圈的移動速度為190mm/min~250mm/min，對光桿處感應(yīng)加熱時感應(yīng)圈的移動速度為230mm/min~290mm/min。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的工程機(jī)械半軸表面感應(yīng)淬火工藝，其特征在于:淬火液為AQUA251淬火液，其中，AQUA251的質(zhì)量濃度為7.5%~15%。
【文檔編號】C21D9/28GK103526117SQ201210415963
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月3日
【發(fā)明者】王國安, 蒙秋紅, 鄧穎章 申請人:廣西柳工機(jī)械股份有限公司