一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢及其生产方法与流程

1.本发明属于非调质钢和细晶钢领域，特别涉及一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢及其生产方法。


背景技术：

2.转向拉杆是汽车转向系统中的重要零件，它直接影响汽车操纵的稳定性、运行的安全性和轮胎的使用寿命。其一般采用中碳结构钢45钢，进行调质热处理后，满足强度要求并保证安全性。但是45钢热锻后易出现粗晶、魏氏和网状铁素体等脆性组织，显著降低塑性及冲击韧性，造成早期服役失效，降低零件的使用寿命。为解决晶粒度及脆性组织问题，一般采用正火均匀组织，调质热处理达到力学性能，带来生产成本上升和环境污染的问题。
3.随着汽车工业的发展，环保、碳达峰、碳中和的要求越来越高，非调质钢应用越来越广泛。目前为了达到调质钢的力学性能，生产非调质钢过程中需要添加更多的钒、钛等微合金化元素，同时，在实际生产中si、mn、cr等合金含量也需相应提高，才能达到满足力学性能的要求，这样就会带来成本上升的问题，如：中国专利cn201810909988.1一种汽车转向器齿条用非调质钢及其制备方法，为了达到力学性能要求，提高合金元素含量si 0.50～0.60％、mn 1.30～1.40％、v 0.06～0.10％；中国专利cn202110258686.4一种转向拉杆用钢及其制备方法、转向拉杆中公开了合金元素含量为si 0.45～0.80％、mn 1.10～1.40％、ti 0.03～0.05％、v 0.01～0.2％；中国专利cn202111197043.x一种传动轴用非调质钢及其锻件的制备方法公开了合金含量mn 1.20～1.60％、v 0.06～0.12％；中国专利cn201911073901.2一种汽车零部件用非调质钢及其生产工艺公开了合金含量为si 0.57～0.67％、mn 1.38～1.48％、v 0.09～0.12％。但是，若不提高合金元素含量，又很难达到调质钢具有的力学性能，中国专利cn202111396800.6一种替代正火热处理45钢的非调质钢公开了合金含量为si 0.17～0.37％、mn0.50～0.80％、v 0.04～0.10％、ti 0.01～0.04％，该钢种的抗拉强度630-650mpa，屈服强度385-390mpa，只能替代正火，不能替代调质。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题与不足，本发明提供了一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢及其生产方法，在不提高si、mn、cr等合金含量的前提下，加入适量ti、nb、v微合金元素，达到了调质钢的力学性能要求，同时降低了原材料和加工成本，实现了节能减排。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢，按重量百分比其成分为：c 0.42～0.50％，si 0.10～0.40％，mn 0.50～0.80％，p≤0.020％，s 0.020～0.035％，cr 0.15～0.30％，al 0.015～0.040％，v 0.01～0.05％，ti 0.010～0.030％，nb 0.020～0.040％，n 0.0120～0.0180％，ni 0.05～0.15％和cu 0.05～0.20％，其余为fe及杂质元素。
7.其成分设计原则为：
8.(1)基础元素c、si、mn、cr保证钢的基本强度和硬度，但过多会降低钢的塑性和韧
性。其中c元素通过减少钢材组织中的铁素体量，增加渗碳体，来增加强度和硬度。si元素通过固溶在钢的铁素体和奥氏体中，起到固溶强化作用，提高硬度和强度，也能够提高弹性极限、屈服强度和屈服比。mn元素通过固溶于钢基体中，增加珠光体量，降低屈强比。cr元素通过固溶于钢基体中，提高强度、硬度、耐磨性而不使钢变脆，也会降低c元素的扩散速率，抑制热处理过程的表面脱碳现象。
9.(2)根据ti、nb、v三种微合金元素与c、n结合析出温度的高低适当添加，在铸坯凝固、加热、轧制阶段以及棒材加热、锻造工序全流程互补耦合作用，抑制晶粒不均匀长大。
10.碳氮化钛析出温度最高，铸坯凝固过程1440℃左右时开始析出，固相弥散细小析出，起到钉扎晶界、增加位错作用，抑制奥氏体晶粒长大。但过多的ti会产生tin夹杂物。综合考虑ti元素范围为0.010～0.030％。
11.碳氮化铌析出温度为1210℃左右，铸坯加热固溶均匀化，轧制过程诱导纳米级析出，增加均匀弥散的形核点，提高奥氏体非再结晶温度，增大非再结晶区形变量，细化晶粒、沉淀强化。nb元素范围为0.020～0.040％。
12.碳氮化钒析出温度最低，在轧后或锻后780℃左右开始晶内析出，可避免网状铁素体的形成，均匀铁素体+珠光体组织，提高钢的强度和屈服比。但含量过高，作用会趋于饱和。综合考虑v元素范围为0.01～0.05％。
13.n元素是微合金化元素nb、ti、v结合形成第二相粒子的主要元素。但n元素过量，会产生铸坯气泡、针孔缺陷。综合考虑n含量控制在0.0120～0.0180％。
14.(3)s元素可改善钢材切削性能，硫化锰切削过程起到断屑作用，因切屑发脆而得到光泽的表面。但s元素过多，硫化锰易沿偏析带析出聚集，影响力学性能，也会使钢的耐腐蚀性能下降。综合考虑s元素范围为0.020～0.035％。
15.(4)cu元素可提高钢材抗腐蚀能力，但会增加表面裂纹敏感性，一般会与ni元素配合使用(镍铜比0.8-1.0)，可避免裂纹产生，并且ni元素还可提高钢的强韧性、冲击性能，具有耐腐蚀，耐高温，防锈等性能。综合考虑ni元素范围为0.05～0.15％和cu元素范围0.05～0.20％。
16.上述汽车转向拉杆用免调质细晶钢的生产方法包括连铸均匀浇铸，铸坯固溶化加热和在线组织调控工序，其生产流程具体为：
17.(1)连铸均匀浇铸：“m-ems+二冷中冷”采用合适参数配合使用，细化枝晶间距，改善枝晶偏析；提高二冷强度，增加柱状晶径向生长速度，减少粗化时间；同时增大结晶器电磁搅拌强度，打碎柱状晶，阻止柱状晶快速向里生长，扩大等轴晶区。
18.利用白亮带(负偏析)确定凝固末端和电磁搅拌强度，选择合适“拉速+f-ems”参数，抑制中心偏析，其中铸坯断面220mm
×
260mm。
19.优选的，“m-ems+二冷中冷”的具体参数为：结晶器电磁搅拌电流300a
±
10a，频率2.5
±
0.2hz；二冷中冷的比水量为0.30～0.35l/kg；“拉速+f-ems”的具体参数为：拉速0.80
±
0.02m/min；末端电磁搅拌电流300a
±
10a，频率6.0
±
0.2hz。
20.(2)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn(ticn、nbcn、vcn)的固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度，本钢种的均热段温度为1210～1250℃，总加热时间120～300min，使mcn重新固溶均匀化，控轧过程以纳米级弥散析出。
21.(3)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度。
22.优选的，进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，终轧温度750～800℃，上冷床温度730～790℃，轧速4～10m/s。
23.本发明的热轧棒材为奥氏体晶粒度9.5级以上的p+f均匀组织，使用本发明得到的免调质钢生产的转向拉杆可替代调质钢力学性能：抗拉强度≥850mpa，屈服强度≥530mpa，断后伸长率≥15％，硬度245-270hbw。
24.本发明的有益效果为：选择中碳钢c、si、mn、cr元素保证钢的基本强度，根据ti、nb、v三种微合金元素与c、n结合析出温度的高低不同适当添加，在铸坯凝固、加热、轧制阶段以及棒材加热、锻造工序全流程互补耦合作用，抑制晶粒不均匀长大，提高强度。并通过连铸均匀浇铸-铸坯固溶化加热-在线组织调控的生产方法，控制棒材成分、组织均匀性，进一步提高强度。最终实现适量(少量)添加微合金元素达到转向拉杆的强度和组织要求，降低了原材料和加工成本，实现了节能减排。
附图说明：
25.图1为实施例1产品心部横向组织照片；
26.图2为实施例2产品1/2半径处横向组织照片；
27.图3为对比例1产品心部横向组织照片；
28.图4为对比例3产品1/2半径处横向组织照片；
29.图5为对比例4产品边部混晶组织照片；
30.图6为对比例5产品心部横向组织混晶照片。
具体实施方式
31.以下结合具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明的保护范围并非限于下列实施例。
32.实施例采用连铸机断面220mm
×
260mm，生产工艺包括连铸均匀浇铸-铸坯固溶化加热-在线组织调控。
33.实施例1
34.(1)化学成分：c 0.44％，si 0.37％，mn 0.70％，p 0.012％，s 0.024％，cr0.22％，al 0.022％，v 0.020％，ti 0.014％，nb 0.024％，n 0.0124％，ni 0.056％，cu 0.063％，其余为fe及杂质元素。
35.(2)连铸均匀浇铸：采用“m-ems+二冷中冷”，结晶器电磁搅拌电流300a，频率2.5hz，中冷比水量0.30l/kg。采用“拉速+f-ems”，其中拉速0.80m/min，末端电磁搅拌电流300a，频率6.0hz。
36.(3)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn(ticn、nbcn、vcn)固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度1225℃，总加热时间190min。
37.(4)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度，其中进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，轧制规格终轧温度800℃，上冷床温度786℃，轧速8m/s。
38.实施例2
39.(1)化学成分：c 0.43％，si 0.35％，mn 0.75％，p 0.010％，s 0.023％，cr0.21％，al 0.026％，v 0.024％，ti 0.015％，nb 0.025％，n 0.0130％，ni 0.057％，cu 0.068％，其余为fe及杂质元素。
40.(2)连铸均匀浇铸：采用“m-ems+二冷中冷”，结晶器电磁搅拌电流300a，频率2.5hz，中冷比水量0.30l/kg。采用“拉速+f-ems”，其中拉速0.80m/min，末端电磁搅拌电流300a，频率6.0hz。
41.(3)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn(ticn、nbcn、vcn)固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度1230℃，总加热时间223min。
42.(4)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度，其中进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，轧制规格终轧温度791℃，上冷床温度774℃，轧速4.5m/s。
43.实施例3
44.(1)化学成分：c 0.44％，si 0.37％，mn 0.70％，p 0.012％，s 0.024％，cr0.22％，al 0.022％，v 0.020％，ti 0.014％，nb 0.024％，n 0.0124％，ni 0.056％，cu 0.063％，其余为fe及杂质元素。
45.(2)连铸均匀浇铸：采用“m-ems+二冷中冷”，结晶器电磁搅拌电流300a，频率2.5hz，中冷比水量0.30l/kg。采用“拉速+f-ems”，其中拉速0.80m/min，末端电磁搅拌电流300a，频率6.0hz。
46.(3)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn(ticn、nbcn、vcn)固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度1236℃，总加热时间178min。
47.(4)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度，其中进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，轧制规格终轧温度787℃，上冷床温度773℃，轧速9.5m/s。
48.对比例1
49.与实施例1相比，化学成分中微合金元素nb、v、ti以及cr元素作为残余元素。
50.(1)化学成分：c 0.45％，si 0.22％，mn 0.56％，p 0.016％，s 0.003％，cr0.03％，al 0.018％，v 0.001％，ti 0.002％，nb 0.001％，n 0.0030％，其余为fe及杂质元素。
51.(2)连铸均匀浇铸：采用“m-ems+二冷中冷”，结晶器电磁搅拌电流300a，频率2.5hz，中冷比水量0.30l/kg。采用“拉速+f-ems”，其中拉速0.80m/min，末端电磁搅拌电流300a，频率6.0hz。
52.(3)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn(ticn、nbcn、vcn)固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度1226℃，总加热时间202min。
53.(4)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度，其中进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，轧制规格终轧温度788℃，上冷床温度765℃，轧速6m/s。
54.对比例2
55.与实施例1相比，只添加微合金元素v、ti，不添加微合金元素nb，nb为残余元素。化学成分为：c 0.44％，si 0.35％，mn 0.70％，p 0.015％，s 0.022％，cr 0.21％，al 0.022％，v 0.020％，ti 0.015％，nb 0.001％，n 0.0127％，ni 0.06％，cu 0.061％，其余为fe及杂质元素。
56.生产工艺与实施例1相同。
57.对比例3
58.与实施例3相比，铸坯固溶化加热中均热段温度1178℃，总加热时间231min。
59.其余工艺条件与实施例3相同。
60.对比例4
61.与实施例3相比，在线组织调控中终轧温度912℃，上冷床温度889℃。
62.其余工艺条件与实施例3相同。
63.对比例5
64.与实施例3相比，连铸使用常规工艺，未采用中间包电磁搅拌，结晶器电磁搅拌电流200a，弱冷比水量0.25l/kg，末端电磁搅拌电流80a，拉速0.95m/min。
65.其余工艺条件与实施例3相同。
66.本发明实施例1～3与对比例1～5的热轧棒材组织形态、晶粒度和使用本发明得到的免调质钢生产的转向拉杆的力学性能、硬度对比如表1所示，在本发明的成分范围内，热轧态力学性能可很好的满足使用要求，采用本发明的关键工艺生产，可得到组织均匀、晶粒细小的转向拉杆用非调质钢。
67.表1实施例1～3与对比例1～5的热轧棒材组织形态、晶粒度和转向拉杆的力学性能、硬度对比
[0068][0069]
对比例1与实施例1相比，微合金元素在钢中的存在方式不同，以及成分设计的微合金元素及n含量太低，导致产品的屈服强度、抗拉强度、硬度及晶粒度均未达到要求。
[0070]
对比例2与实施例1相比，成分设计的微合金元素只添加ti、v，导致产品的屈服强度、抗拉强度、硬度及晶粒度均未达到要求。
[0071]
对比例3与实施例3相比，铸坯加热步骤中均热段的温度降低，导致屈服强度、抗拉强度和晶粒度都下降，同时抗拉强度和晶粒度均未达到要求。
[0072]
对比例4与实施例3相比，在线组织调控步骤中，终轧温度和上冷床温度均升高，并且超出限定值，产品内部出现边部混晶，如图5所示，导致产品的屈服强度、抗拉强度、硬度
和晶粒度出现了下降，同时抗拉强度、屈服强度、硬度和晶粒度均未达到要求。
[0073]
对比例5与实施例3的连铸工序有区别，产品出现心部混晶，如图6所示，导致产品的屈服强度、抗拉强度、硬度降低并未达到要求。
[0074]
以上皆为本发明优选的具体实施例而已，但本发明并不局限于上述具体实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢，其特征在于，该免调质细晶钢按重量百分比其成分为：c0.42～0.50％，si0.10～0.40％，mn0.50～0.80％，p≤0.020％，s0.020～0.035％，cr0.15～0.30％，al0.015～0.040％，v0.01～0.05％，ti0.010～0.030％，nb0.020～0.040％，n0.0120～0.0180％，ni0.05～0.15％和cu0.05～0.20％，其余为fe及杂质元素。2.一种如权利要求1所述的汽车转向拉杆用免调质细晶钢的生产方法，其特征在于，该生产方法包括连铸均匀浇铸，铸坯固溶化加热和在线组织调控工序，其生产流程具体为：(1)连铸均匀浇铸：“m-ems+二冷中冷”采用合适参数配合使用，细化枝晶间距；选择“拉速+f-ems”合适参数，抑制中心偏析；(2)铸坯固溶化加热：根据铸坯成分含量，采用thermo-calc模拟计算出微合金相mcn的固溶温度，根据固溶温度设定均热段温度1210～1250℃，总加热时间120～300min；(3)在线组织调控：采用水箱、轧速控制进kocks机的终轧温度以及轧后上冷床的温度。3.根据权利要求2所述的汽车转向拉杆用免调质细晶钢的生产方法，其特征在于，步骤(1)中“m-ems+二冷中冷”的具体参数为：结晶器电磁搅拌电流300a
±
10a，频率2.5
±
0.2hz；二冷中冷的比水量为0.30～0.35l/kg；“拉速+f-ems”的具体参数为：拉速0.80
±
0.02m/min；末端电磁搅拌电流300a
±
10a，频率6.0
±
0.2hz。4.根据权利要求2所述的汽车转向拉杆用免调质细晶钢的生产方法，其特征在于，步骤(3)中进kocks机组前水箱使用1～4号水箱，轧后使用6号水箱，终轧温度750～800℃，上冷床温度730～790℃，轧速4～10m/s。

技术总结
本发明属于非调质钢和细晶钢领域，具体涉及一种汽车转向拉杆用免调质细晶钢及其生产方法。该钢种的组成元素包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Al、V、Ti、Nb、N、Ni和Cu。生产方法包括连铸均匀浇铸-铸坯固溶化加热-在线组织调控工序。本发明通过成分的合理设计，结合连铸、铸坯加热和轧制等工艺参数的优化，生产的免调质细晶钢为奥氏体晶粒度9.5级以上的P+F均匀组织，使用本发明得到的免调质钢生产的转向拉杆的力学性能达到调质钢水平，降低了原材料与加工成本，实现了节能减排。实现了节能减排。


技术研发人员：李仕超 左锦中 林俊 庞卓纯 邓向阳 李大明 管挺 吴炜
受保护的技术使用者：常州中天特钢有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/14