一种低中碳钢材料及其制备方法和应用与流程

[0001]
本发明涉及冶炼技术领域，特别涉及一种低中碳钢材料及其制备方法和应用。


背景技术：

[0002]
目前，mn-cr系列渗碳钢在国内被广泛应用于齿轮零件，可变压缩比发动机燃烧齿板要求材料具有良好的强度和冲击韧性，通常情况下，材料的强度指标和冲击韧性指标是相反的，存在相互制约的关系，因此同时提高材料的抗拉强度和对称拉压疲劳强度是非常困难的。本领域通常采用抗拉强度(r
m
)来表征材料的强度，采用对称拉压疲劳强度(σ-1)来表征材料的冲击韧性，可变压缩比发动机燃烧齿板要求材料的抗拉强度大于1750mpa，对称拉压疲劳强度(σ-1)大于830mpa，在低中碳钢领域中，材料的抗拉强度达到1750mpa的钢种数量非常少，且同时满足材料的对称拉压疲劳强度在830mpa左右要求的钢种几乎不存在，也就是说，现有的渗碳钢无法满足于乘用车可变压缩比发动机燃烧齿板的性能要求。
[0003]
相关技术公开了一种高强度长寿命齿条钢，该齿条钢的化学成分及其重量百分比含量为：c 0.22～0.32，si 0.17～0.37，mn 0.55～1.55，p≤0.015，s≤0.030，cr 0.60～1.65，mo 0.15～0.45，ni 0.65～1.65，cu 0.02～0.25，al 0.02～0.035，nb 0.01～0.06，b 0.0003～0.0006，其余为fe和不可避免的杂质，该技术方案采用nb元素，成本相对较高；且组分中所含的b元素会使渗碳层的淬透性低于芯部的淬透性，导致零件后续热处理时要求过高。该技术方案制备的齿条钢材料的抗拉强度(r
m
)最高为1683mpa，n＝107周次的条件疲劳极限σ-1最高为826mpa，性能无法达到可变压缩比发动机燃烧齿板的性能要求。


技术实现要素：

[0004]
针对现有材料无法满足可变压缩比发动机燃烧齿板要求的问题，本发明提供一种低中碳钢材料及其制备方法和应用。
[0005]
本发明提供的一种低中碳钢材料，其化学成分按重量百分比为：c 0.26～0.28％，si 0.20～0.30％，mn 0.80～0.90％，p≤0.025％，s≤0.02％，cr 1.52～1.58％，ni 1.42～1.47％，mo 0.24～0.26％，cu≤0.20％，al 0.025～0.040％，n 0.0100～0.0130％，其余为fe和不可避免的杂质元素。该低中碳钢材料的频率f＝140～150hz的对称拉压疲劳强度平均值为836.4～884.3mpa，抗拉强度1799～1808mpa。
[0006]
作为上述技术方案的优选，该低中碳钢材料中h＜2ppm，不易脆裂。
[0007]
作为上述技术方案的优选，低中碳钢材料中al/n比值为2.0～2.5。
[0008]
作为上述技术方案的优选，一种制备上述低中碳钢材料的方法，包括以下步骤：将上述化学组成的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率升温至890～900℃保温40min；然后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；接着在67～73℃的淬火油中进行淬火处理；清洗后，于160℃回火处理不少于180min。
[0009]
作为上述技术方案的优选，坯材通过以下方法制备而成：将原料进行电炉熔炼，熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，即得到上述坯材。
[0010]
作为上述技术方案的优选，电炉熔炼步骤中，将原料熔炼至碳含量小于0.28％；轧制步骤中，将连铸产物加热至1150℃以上进行轧制，控制轧制速度以保证终轧温度≥950℃；去氢处理步骤的温度为640～660℃。
[0011]
作为上述技术方案的优选，钢包精炼的时间≥30min。
[0012]
作为上述技术方案的优选，真空脱气时间≥20min。
[0013]
作为上述技术方案的优选，连铸时的浇注速度为0.5～0.7m/min。
[0014]
本发明还提供上述低中碳钢材料在制备可变压缩比发动机燃烧齿板中的应用。
[0015]
本发明的发明原理如下：
[0016]
本发明提供的低中碳钢材料配方中不包括nb、b和ti元素，其原因在于：nb元素对钢材料的作用基本上是正向的，即nb元素会导致钢材料的脱碳敏感性能变好，组织更加均匀，可以细化珠光体的组织，最为重要的是nb元素可以细化奥氏体晶粒度从而提高材料的疲劳强度；但是添加量nb元素少时，对材料的疲劳性能改善效果并不明显，且nb元素的成本过高。因此，本发明的技术方案中不添加nb元素。考虑到零件后续需要进行渗碳工艺，b元素的存在将会导致渗碳层的淬透性低于芯部的淬透性，导致零件后续热处理时要求过高，因此，本发明的技术方案中不添加b元素。ti元素的存在能够提高材料的抗拉强度和疲劳强度，但是如果轧制过程控制不严格，极容易形成尖锐的、过大的氮化物，导致材料的疲劳强度迅速降低，会对配方的稳定性产生影响。因此，综合考虑后，本发明的技术方案不添加ti元素。
[0017]
本发明提供的低中碳钢材料配方中al元素不仅形成氧化物，也会跟n元素结合，产生aln粒子以细化晶粒并提高疲劳强度。其中，若配方中al元素含量过高，会形成氧化物且形成氮化物，氮化物形状尖锐化；若配方中al元素含量过低，则无法形成相当数量的氮化物。同时，若配方中n元素含量过高，还会导致材料产生小气泡，严重影响材料的所有性能，故本发明提供的低中碳钢材料配方中对n元素含量的限制非常严格。
[0018]
本发明提供的低中碳钢材料配方中含有mn元素，若mn元素的含量过高，则会导致钢种其他性能，譬如：淬火带宽控制不稳；若mn元素的含量过低，则会导致钢种淬透性能力降低，因此，本发明提供的低中碳钢材料配方中将mn元素的含量范围控制在0.80～0.90％。
[0019]
本发明提供的低中碳钢材料配方中含有mo元素，mo元素可以提高材料的抗拉强度，减少形成氧化夹杂物的可能性，但mo元素的含量过高会导致碳化物含量过高，导致加强对基体的割裂作用，会降低材料的疲劳强度。因此，本发明提供的低中碳钢材料配方中将mo元素的含量范围控制在0.24～0.26％。
[0020]
本发明提供的低中碳钢材料配方中含有cr元素，cr元素的作用为固溶强化钢材性能，极强地增加钢的抗拉强度；当cr元素含量过高时，可能会导致钢种韧性不足，脆性增加，抗冲击能力减弱；当cr元素含量过低时，可能会导致钢材硬度指标不达标。
[0021]
本发明提供的低中碳钢材料配方中还包括ni元素，则主要通过细化晶粒提高钢材的疲劳强度，当ni元素含量过高时，可能会导致后续淬火时金相组织无法形成均匀的马氏体，过低则细化晶粒不明显。因此，本发明提供的低中碳钢材料配方中将cr元素的含量范围控制在1.52～1.58％。
[0022]
本发明提供的低中碳钢材料的制备方法中去氢工艺的过程对材料的抗拉强度和疲劳强度是至关重要的。如果在制备低中碳钢材料的方法中不增加去氢工艺，会导致材料
发生氢脆现象导致疲劳强度检测不准。其中，去氢工艺中对温度的控制非常关键，如果温度过低，去氢工艺时间过长严重影响效率，如果温度过高会导致材料晶粒长大。
[0023]
本发明提供的制备低中碳钢材料的方法中热处理步骤控制最高温度为890～900℃，最高温度的设置与材料的固有属性相关。在热处理步骤中，控制降温速率不超过0.67℃/min，通过控制降温速率使得aln的析出数量足够。在热处理步骤中，控制油温保持在67～73℃，如果油温低于上述范围，可能会导致材料开裂，如果油温高于上述范围，可能会导致材料淬火不完全，形成的金相组织不均匀。
[0024]
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明通过对配方中各化学组分的合理设计，以及对热处理步骤的调整，有效地提高了低中碳钢材料的抗拉强度和对称拉压疲劳强度，其中，材料的抗拉强度大于1750mpa，对称拉压疲劳强度大约为830mpa，可适用于可变压缩比发动机燃烧齿板。
附图说明
[0025]
图1为实施例1制备低中碳钢材料的(50μm)金相图；
[0026]
图2为实施例2制备低中碳钢材料的(100μm)金相图；
[0027]
图3为实施例2制备低中碳钢材料的(20μm)金相图；
[0028]
图4为对比例2制备低中碳钢材料的(100μm)金相图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
本发明提供的一种低中碳钢材料，其化学成分按重量百分比为：c 0.26～0.28％，si 0.20～0.30％，mn 0.80～0.90％，p≤0.025％，s≤0.02％，cr 1.52～1.58％，ni 1.42～1.47％，mo 0.24～0.26％，cu≤0.20％，al 0.025～0.040％，n 0.0100～0.0130％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
[0031]
作为上述技术方案的优选，低中碳钢材料中h＜2ppm；作为上述技术方案的进一步优选，al/n比值为2.0～2.5。
[0032]
作为上述技术方案的优选，上述低中碳钢材料的频率f＝140～150hz的对称拉压疲劳强度平均值为836.4～884.3mpa，抗拉强度1799～1808mpa。
[0033]
本发明提供一种制备上述低中碳钢材料的方法，包括以下步骤：将上述化学组成的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率升温至890～900℃保温40min；然后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；接着在67～73℃的淬火油中进行淬火处理；清洗后，于160℃回火处理不少于180min。
[0034]
作为上述技术方案的优选，坯材通过以下方法制备而成：将原料进行电炉熔炼，熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，即得到上述坯材。
[0035]
作为上述技术方案的优选，电炉熔炼步骤中，将原料熔炼至碳含量小于0.28％；轧制步骤中，将连铸产物加热至1150℃以上进行轧制，控制轧制速度以保证终轧温度≥950
℃；去氢处理步骤的温度为640～660℃。
[0036]
作为上述技术方案的优选，钢包精炼的时间≥30min。
[0037]
作为上述技术方案的优选，真空脱气时间≥20min。
[0038]
作为上述技术方案的优选，连铸时的浇注速度为0.5～0.7m/min。
[0039]
实施例1
[0040]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0041]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0042]
c 0.28％，si 0.27％，mn 0.84％，p 0.014％，s 0.004％，cr 1.52％，ni 1.45％，mo 0.26％，cu 0.08％，al 0.025％，n 0.012％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0043]
(3)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为890～900℃，保温40min后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在67～73℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料，al/n＝2.08。
[0044]
图1为实施例1制备低中碳钢材料的(50μm)金相图，金相组织均匀。性能表征：所得低中碳钢材料的频率f＝140～150hz的对称拉压疲劳强度平均值为836.4mpa，抗拉强度1799mpa。
[0045]
实施例2
[0046]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0047]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0048]
c 0.27％，si 0.23％，mn 0.87％，p 0.006％，s 0.003％，cr 1.52％，ni 1.46％，mo 0.24％，cu 0.07％，al 0.028％，n 0.013％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0049]
(3)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为890～900℃，保温40min后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在67～73℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料，al/n＝2.15。
[0050]
按实施例2的技术方案进行5组平行试验，步骤(2)得到的坯材在经步骤(3)处理前后的硬度分别为233hb/49hrc、236hb/49hrc、233hb/49hrc、236hb/49hrc、232hb/49hrc、234hb/52hrc。图2为实施例2制备低中碳钢材料的(100μm)金相图，金相组织均匀；图3为实施例2制备低中碳钢材料心部的(20μm)金相图。性能表征：所得低中碳钢材料的频率f＝140
～150hz的对称拉压疲劳强度平均值为884.3mpa，抗拉强度1808mpa。
[0051]
对比例1
[0052]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0053]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0054]
c 0.27％，si 0.23％，mn 0.87％，p 0.006％，s 0.003％，cr 1.52％，ni 1.46％，mo 0.24％，cu 0.07％，al 0.028％，n 0.013％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0055]
(3)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为890～900℃，保温40min后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在60℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料。
[0056]
与实施例2不同的是，对比例1在热处理步骤中，淬火油温为60℃，发现淬火时低中碳钢材料开裂。
[0057]
对比例2
[0058]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0059]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0060]
c 0.27％，si 0.23％，mn 0.87％，p 0.006％，s 0.003％，cr 1.52％，ni 1.46％，mo 0.24％，cu 0.07％，al 0.028％，n 0.013％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0061]
(4)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为950℃，保温40min后以不超过0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在67～73℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料。
[0062]
与实施例2不同的是，对比例2在步骤(3)中的最高温度为950℃，图4为对比例2制备低中碳钢材料的(100μm)金相图，显示对比例2制备的低中碳钢材料金相组织晶粒度粗大，金相组织不均匀。
[0063]
对比例3
[0064]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0065]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧
温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0066]
c 0.27％，si 0.23％，mn 0.87％，p 0.006％，s 0.003％，cr 1.52％，ni 1.46％，mo 0.24％，cu 0.07％，al 0.028％，n 0.013％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0067]
(3)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为890～900℃，保温60min后以1℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在67～73℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料。
[0068]
与实施例2不同的是，对比例3在步骤(3)中，保温时间为60min，降温速率为1℃/min，性能表征：抗拉强度1503mpa，因抗拉强度并不能满足可变压缩比发动机燃烧齿板要求材料对抗拉强度的要求，所以不进行相关疲劳强度检测。分析认为，保温时间太长导致晶粒度长大，且均匀性不好，降温速率过快导致aln的析出数量不足，从而降低了低中碳钢材料的性能。
[0069]
对比例4
[0070]
(1)利用电炉熔炼原料，保证熔炼终点时材料中的碳含量小于0.28％；
[0071]
(2)将步骤(1)得到的熔炼产物依次进行钢包精炼、真空脱气、连铸、轧制、去氢处理，得到坯材；其中，钢包精炼的时间大于30min；真空脱气的时间大于20min；连铸的浇注速度0.5～0.7m/min；轧制工艺中，要先将材料加热至1150℃以上，控制轧制速度以保证终轧温度大于950℃；去氢处理的温度为650℃；去氢处理结束后得到如下化学组成的坯材(按重量百分比)：
[0072]
c 0.21％，si 0.23％，mn 0.87％，p 0.006％，s 0.003％，cr 1.52％，ni 1.46％，mo 0.24％，cu 0.07％，al 0.028％，n 0.013％，h＜2ppm，配方中不包括nb、b和ti元素，其余为fe和不可避免的杂质元素；
[0073]
(3)将步骤(2)得到的坯材以不低于5.15℃/min的升温速率，升温至最高温度为890～900℃，保温40min后以0.67℃/min的炉内降温速率降温至850℃；紧接着进行淬火处理，淬火油的油温保持在67～73℃；清洗表面淬火油后160℃回火处理180min，即得到低中碳钢材料。
[0074]
为了节约后续的渗碳工艺时间，与实施例2不同的是，对比例4坯材的化学组成中，c的重量百分比为0.21％，性能表征发现对比例4得到的低中碳钢材料的抗拉强度1414mpa，因抗拉强度并不能满足可变压缩比发动机燃烧齿板要求材料对抗拉强度的要求，所以不进行相关疲劳强度检测。
[0075]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。