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CN116516266A - 一种高强度40CrB钢及其生产方法和应用 - Google Patents

一种高强度40CrB钢及其生产方法和应用 Download PDF

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CN116516266A
CN116516266A CN202310515264.XA CN202310515264A CN116516266A CN 116516266 A CN116516266 A CN 116516266A CN 202310515264 A CN202310515264 A CN 202310515264A CN 116516266 A CN116516266 A CN 116516266A
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皮鹏飞
白澈力格尔
许明杰
李俊峰
常建栋
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Rockcheck Steel Group Co ltd
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Abstract

本申请涉及一种高强度40CrB钢及其生产方法和应用，涉及炼钢技术领域。按重量百分比计，所述高强度40CrB钢包括以下成分：C：0.36‑0.40%，Si：0.15‑0.25%，Mn：0.80‑0.90%，Cr：1.05‑1.10%，Ti：0.005‑0.015%，B：0.0005‑0.0020%，N：0.0030‑0.0070%，Al：0.020‑0.030%，P：≤0.020%，S：0.015‑0.025%，Cu：≤0.10%，Ni：≤0.10%，Mo：≤0.05%，其余为Fe。本申请在技术方面克服了很大难度，对钢材的成分及用量进行控制和调整，从而在增强钢材机械性能的同时，大大降低了钢材的生产成本。

Description

一种高强度40CrB钢及其生产方法和应用
技术领域
本申请涉及炼钢技术领域，尤其是涉及一种高强度40CrB钢及其生产方法和应用。
背景技术
随着汽车行业的发展，客户对半轴用钢的需求量日益增加，且对其质量、安全、长寿命的要求也越来越高，因此通过对钢材成分及生产工艺进行优化，冶炼出具有较高的强度、稳定的淬透性等质量性能优异的半轴用钢，成为引领行业技术发展方向。
40Cr是我国GB/T 3077-2015合金结构钢标准中的钢号，是机械制造业使用最广泛的钢之一，主要应用于制造汽车、工程机械及机械制造业的齿轮、半轴等传动部件。40Cr钢经过调质处理后能够具有良好的综合力学性能、良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，且淬透性良好。
目前，为了提高40Cr钢的强韧性能，部分工厂会使用V、Y、Ta、Nb等元素将半轴用钢合金化，但V、Y、Ta、Nb都属于贵重合金，导致工厂的生产成本较高。因此，研发一种低成本、高机械强度、稳定淬透性的半轴用钢，显得意义重大。
发明内容
为了解决现有技术中提高40Cr钢强韧性能的成本较高的问题，本申请提供一种高强度40CrB钢，该40CrB钢的生产成本低、机械强度高、淬透性稳定，将其用于汽车半轴的加工中能够提升半轴质量，延长半轴的使用寿命，降低半轴的生产成本，具有广阔的市场前景。
第一方面，本申请提供一种高强度40CrB钢，采用如下技术方案：
一种高强度40CrB钢，按重量百分比计，所述高强度40CrB钢包括以下成分：C：0.36-0.40％，Si：0.15-0.25％，Mn：0.80-0.90％，Cr：1.05-1.10％，Ti：0.005-0.015％，B：0.0005-0.0020％，N：0.0030-0.0070％，Al：0.020-0.030％，P：≤0.020％，S：0.015-0.025％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.10％，Mo：≤0.05％，其余为Fe。
通过采用上述技术方案，硼可以作为碳化物形成剂，促进碳化物的析出，从而提高钢材的硬度、屈服强度和耐磨性，并且能够改善其热处理性能和可焊性，提高淬透性，降低焊接后的脆性风险。通过控制钢材的氮含量可以有效地改善其机械性能和耐磨性能，但是过高的氮含量会降低钢材的韧性和冲击韧性，过低的氮含量则会导致钢材的硬度和强度下降。锰的适量加入能够提高钢材的硬度和强度，但是过低的锰含量会影响钢材的热锻造性能，过高的锰含量会使钢材变脆，影响其焊接性能。铬、钼、硅等合金元素的加入能够明显提高钢材的硬度和耐磨性等。具体地，铬是40CrB钢中最主要的合金元素，能够提高钢的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和高温性能；钼的加入可以提高40CrB钢的强度、韧性和耐蚀性；硅的加入可以提高40Cr钢的硬度和耐磨性。
而在炼钢过程中，由于原材料的不确定性、工艺参数的复杂性、设备技术的限制和环境保护要求的提高，因此控制钢材各成分及其用量的难度很大，如果钢材中某一种成分超过限定的用量范围，可能会对钢材性能造成不利影响，如机械性能下降、加工性能下降、使用寿命缩短、增加维修成本等。本申请克服了上述难度，对钢材的成分及用量进行了控制和调整，增强钢材机械性能的同时，大大降低了钢材的生产成本。
在一些优选的实施方式中，所述高强度40CrB钢包括以下成分：C：0.37-0.39％，Si：0.18-0.22％，Mn：0.85-0.90％，Cr：1.05-1.10％，Ti：0.01-0.015％，B：0.001-0.0015％，N：0.0040-0.0060％，Al：0.020-0.030％，P：0.010-0.020％，S：0.015-0.020％，Cu：0.02-0.10％，Ni：0.03-0.10％，Mo：0.01-0.05％，其余为Fe。
第二方面，本申请提供一种高强度40CrB钢的生产方法，采用如下技术方案：
一种高强度40CrB钢的生产方法，所述生产方法包括如下步骤：
S1、将铁水进行冶炼、LF精炼、VD真空处理和连铸，制得钢坯；
S2、对钢坯进行加热并轧制，制得高强度40CrB钢。
作为优选：所述冶炼的过程中加入脱氧剂和合金。
通过采用上述技术方案，在钢铁冶炼过程中，铁水中会存在一定量的氧化物，而这些氧化物会降低钢铁的质量，加入脱氧剂有助于去除这些氧化物，减少钢材中的杂质，改善钢的成分，保证钢材的质量，同时还能改善钢的晶体结构和内部组织，使钢的机械性能得到提高；另外，加入的合金中含有的元素能够提高钢材的硬度、强度、耐磨性和抗氧化性，还能调节钢液的成分，从而保证钢的质量和性能。
本申请中，所述冶炼的方式可以为转炉冶炼或者电炉冶炼。
作为优选：所述脱氧剂为铝，钢水离站Al含量为0.040-0.050％；所述合金包括硅铁合金和硅锰合金。
通过采用上述技术方案，铝具有较高的脱氧效率，能够改善钢水流动性，减少钢水中夹杂的空气，同时，铝还能够细化晶粒，提高钢材的韧性。合金中的硅铁合金能够降低含碳量、增加硬度，改善耐蚀性、促进晶粒细化；硅锰合金第一方面能够作为脱氧剂，硅锰合金中的硅和锰都具有良好的脱氧作用，在钢铁冶炼过程中，加入硅锰合金可以有效地去除钢液中的氧气和其他杂质，使钢液质量得到提高；第二方面硅锰合金中的硅和锰还可以作为钢铁中的合金元素，其中硅可以提高钢的硬度、强度和耐磨性，同时也可以改善钢的耐蚀性和抗氧化性；锰则可以提高钢的硬度和强度，同时还可以提高钢的韧性和抗疲劳性；第三方面硅锰合金还可以调节钢液的成分，使钢液中的碳、硫、磷等元素含量得到控制，从而保证钢的质量和性能。
作为优选：所述LF精炼采用CaO-Al2O3-SiO2渣系，二元碱度CaO/SiO2控制在3-5，白渣时间≥15min，精炼周期≥45min。
通过采用上述技术方案，由于炼钢原料中含有一定量的硫，而硫对于大多数钢种来说是有害元素，硫含量过高会导致钢具有热脆性，因此使用高碱度的CaO-Al2O3-SiO2渣系对钢水进行脱硫，提高钢水的洁净度，进一步保证钢材的质量。但是，如果碱度过高会导致炉渣流动性减弱，影响脱硫效果，经申请人多次试验检测，将碱度控制在上述范围内的脱硫效果更好。另外，白渣时间和精炼周期越长，钢材的精炼效果越好。
在一些具体的实施例中，CaO-Al2O3-SiO2渣系的二元碱度CaO/SiO2控制在3-4，白渣时间为20-60min，精炼周期为60-90min。
作为优选：所述VD真空处理的过程中加入钛线、硼铁、硅钙线和硫线。
通过采用上述技术方案，钛能够提高钢材的强度、韧性和塑性，还能够增强钢材的抗断裂性和耐腐蚀性；而硼能够提高钢材的硬度和屈服强度；硅钙线的使用有利于调整和控制易氧化元素和微量元素的含量，能提高合金收得率，降低冶炼成本，缩短冶炼时间，精确控制成分，提高钢水质量；另外，在钢水中加入适当的硫可以提高钢材的切削性、加工性和冷加工性等性能，同时还能降低钢材的裂纹敏感性和变形抗力，从而改善钢材的整体性能。
作为优选：所述加热包括预热段、加热段和均热段，其中，所述预热段温度≤850℃，所述预热段保持时间≥60min；所述加热段温度为1200-1280℃，所述加热段保持时间≥70min；所述均热段温度为1220-1260℃，所述均热段保持时间≥80min，总加热时间≥300min。
通过采用上述技术方案，对钢坯轧制之前，为了提高钢坯的塑性，降低其变形抗力，需要对其进行加热使其内外温度均匀，有利于后续的加工操作。
在一些具体的实施例中，预热段温度为650-800℃，预热段保持时间为80-120min；加热段温度为1220-1260℃，加热段保持时间为100-150min；均热段温度为1230-1250℃，均热段保持时间为120-160min，总加热时间为300-430min。
作为优选：所述轧制为多道次往复轧制，所述往复轧制的次数为8-10次，总压下量为70-90mm；所述轧制的温度为1140-1190℃。
通过采用上述技术方案，本申请中钢坯的压下量较大，增加了其压缩比，不仅能够细化组织晶粒度，提高晶粒度破碎能力，还使钢材的淬透性稳定，同时也提高了钢材的抗脆断能力和机械强度，从而减小钢材出现裂纹的可能性，提高钢材的质量。
在一些优选的实施方式中，往复轧制的次数为9次，总压下量为80-90mm。
第三方面，本申请提供一种如上所述的高强度40CrB钢，或者根据上述方法生产的高强度40CrB钢在汽车半轴生产中的应用。
本申请所述的高强度40CrB钢具有较高的硬度、屈服强度和稳定的淬透性，且纯净度较高，韧性和热处理性能较好，同时，由于未添加贵重合金，其生产成本较低，因此，将其应用于汽车半轴的生产中，能够增强汽车半轴的机械强度，延长其使用寿命，并且大大降低了生产成本，市场前景良好。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、在炼钢过程中，控制钢材成分以及用量的难度很大，需要对每个元素成分进行精确控制才能够获得性能优良的钢材，很多因素都能够导致钢材的最终性能受到影响，例如原材料的不确定性、工艺参数的复杂性、设备技术的限制和环境保护要求的提高。钢材中某一成分添加量的不足或过量都会对钢材的性能产生不利影响，使得钢材机械性能和加工性能下降，从而缩短其使用寿命，增加了维修成本。本申请通过对钢材的各成分及用量进行精确控制和调整，克服了上述技术难度，制得的钢材性能与现有技术相比有明显提升，同时还大大降低了钢材的生产成本；
2、在炼钢过程中，先采用高碱度的CaO-Al2O3-SiO2渣系将原材料中的硫去除，然后再喂入适量硫线，高碱度的CaO-Al2O3-SiO2渣系脱硫和喂硫线的组合能够降低钢材的裂纹敏感性和变形抗力，从而改善钢材的整体性能。
具体实施方式
为使本申请更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本申请，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本申请的应用范围。本申请中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
实施例1：高强度40CrB钢的生产
高强度40CrB钢的成分如表1所示，其生产过程如下：
冶炼：将铁水放入转炉中冶炼，高拉补吹使C≥0.15％，P≤0.015％，出钢温度≥1620℃。在出钢过程中加入脱氧剂铝条、硅铁合金和硅锰合金，并在放钢后期加入石灰渣洗，石灰加入量为2kg/吨钢。需要补充的是，钢包使用周转包，底吹氩气畅通，无渣出钢，另外，离站Al含量为0.045％。
LF精炼：采用CaO-Al2O3-SiO2渣系对钢水进行LF精炼，二元碱度CaO/SiO2为4，白渣时间为40min，精炼周期为75min，采用窄成分控制技术对碳、锰和铬的含量进行严格控制，碳控制在±0.01％，锰、铬控制在±0.02％，以提高钢材性能的稳定性。
VD真空：对钢水进行VD真空处理，需要具体说明的是，深真空度为60Pa，深真空时间为30min。破空后进行软吹，软吹时间为25min，并在软吹前喂入钛线0.5kg/吨钢、硼铁0.3kg/吨钢和硅钙线1.15kg/吨钢。在上钢浇注前5min时喂入硫线，以提高钢材的切削性、加工性和冷加工性。
大方坯连铸：采用氩封长水口和整体浸入式水口分别连接钢包和中间包，以减小钢水二次氧化，提高钢材的洁净度。采用自动加渣装置向钢水中加入方坯中碳钢大断面保护渣，同时使用等离子加热装置对中间包钢水温度进行温度补偿，在低过热度下15℃执行恒温恒速浇注，二冷采用弱冷工艺，保证钢坯质量。
铸坯加热：采用高温扩散工艺加热钢坯，加热包括预热段、加热段和均热段，其中，预热段温度为780℃，预热段保持时间为80min；加热段温度为1240℃，所述加热段保持时间为100min；均热段温度为1250℃，均热段保持时间为150min，总加热时间为330min，需要补充的是，开轧温度为1160℃。
开坯轧制：使用1100开坯机对钢坯进行9道次往复轧制，总压下量为90mm，制得高强度40CrB钢。
联合探伤：采用漏磁和超声联合探伤的方式，保证制得的高强度40CrB钢材表面及内部的质量。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于高强度40CrB钢的成分不同，具体详见表1所示，其中，钛线、硼铁、硅钙线和硫线的添加量根据高强度40CrB钢的成分含量调整，其余同实施例1。
表1实施例1-2和对比例1-5高强度40CrB钢的成分(％)
其余为Fe。
实施例3-4：高强度40CrB钢的生产
实施例3-4与实施例1的区别在于LF精炼中，CaO-Al2O3-SiO2渣系的二元碱度CaO/SiO2分别为3和6，其余同实施例1。
实施例5-7：高强度40CrB钢的生产
实施例5-7与实施例1的区别在于开坯轧制时，对钢坯进行9道次往复轧制，总压下量分别为40mm、60mm和75mm，其余同实施例1。
对比例1-5：高强度40CrB钢的生产
对比例1-5与实施例1的区别在于高强度40CrB钢的成分不同，具体详见表1所示，生产方法与实施例1基本相同，其中，钛线、硼铁、硅钙线和硫线的添加量根据高强度40CrB钢的成分含量调整。
测试例
对实施例1-7和对比例1-5生产的高强度40CrB钢的抗拉强度和屈服强度进行检测，按照GB/T 3077-2015《合金结构钢》标准进行检测。结果如表2所示。
表2
由表2的检测结果可知，本申请实施例1-7和对比例1-5所生产的高强度40CrB钢的抗拉强度为1020-1081MPa，屈服强度为805-865MPa。从实施例1-2和对比例1-5的检测结果可知，当高强度40CrB钢的成分为C：0.38％，Si：0.2％，Mn：0.85％，Cr：1.08％，Ti：0.01％，B：0.0012％，N：0.005％，Al：0.025％，P：0.015％，S：0.019％，Cu：0.07％，Ni：0.06％，Mo：0.03％，其余为Fe时，高强度40CrB钢的抗拉强度最好。
从实施例1、3和4的检测结果可知，当LF精炼中CaO-Al2O3-SiO2渣系的二元碱度CaO/SiO2为4时，所生产的高强度40CrB钢具有更高的抗拉强度和屈服强度。从实施例1、5-7的检测结果可知，在开坯轧制的过程中，对钢坯进行9道次往复轧制，总压下量为90mm时，所生产的高强度40CrB钢的抗拉强度和屈服强度更优。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本申请，并不构成对本申请的任何限制。通过参照典型实施例对本申请进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本申请权利要求的范围内对本申请作出修改，以及在不背离本申请的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本申请涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本申请限于其中公开的特定例，相反，本申请可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (9)

1.一种高强度40CrB钢，其特征在于：按重量百分比计，所述高强度40CrB钢包括以下成分：
C：0.36-0.40%，Si：0.15-0.25%，Mn：0.80-0.90%，Cr：1.05-1.10%，Ti：0.005-0.015%，B：0.0005-0.0020%，N：0.0030-0.0070%，Al：0.020-0.030%，P：≤0.020%，S：0.015-0.025%，Cu：≤0.10%，Ni：≤0.10%，Mo：≤0.05%，其余为Fe。
2.一种如权利要求1所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述生产方法包括如下步骤：
S1、将铁水进行冶炼、LF精炼、VD真空处理和连铸，制得钢坯；
S2、对钢坯进行加热并轧制，制得高强度40CrB钢。
3.根据权利要求2所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述冶炼的过程中加入脱氧剂和合金。
4.根据权利要求3所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述脱氧剂为铝，钢水离站Al含量为0.040-0.050%；所述合金包括硅铁合金和硅锰合金。
5.根据权利要求2所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述LF精炼采用CaO-Al2O3-SiO2渣系，二元碱度CaO/SiO2控制在3-5，白渣时间≥15min，精炼周期≥45min。
6.根据权利要求2所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述VD真空处理的过程中加入钛线、硼铁、硅钙线和硫线。
7.根据权利要求2所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述加热包括预热段、加热段和均热段，其中，所述预热段温度≤850℃，所述预热段保持时间≥60min；所述加热段温度为1200-1280℃，所述加热段保持时间≥70min；所述均热段温度为1220-1260℃，所述均热段保持时间≥60min，总加热时间≥300min。
8.根据权利要求2所述的高强度40CrB钢的生产方法，其特征在于：所述轧制为多道次往复轧制，所述往复轧制的次数为8-10次，总压下量为70-90mm；所述轧制的温度为1140-1190℃。
9.一种如权利要求1所述的高强度40CrB钢或者如权利要求2-8所述方法制备的高强度40CrB钢在汽车半轴生产中的应用。
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