CN105568134A

CN105568134A - 一种微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢及其制造方法

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Publication number: CN105568134A
Application number: CN201610001624.4A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 李峰; 尹青; 翟蛟龙; 耿克; 张剑锋; 黄镇; 鲍俭; 阮小江
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-05-11
Also published as: EP3296417A4; EP3296417A1; US20180100211A1; JP2018525520A; WO2017117883A1; KR20180008798A; WO2017117884A1

Abstract

本发明涉及微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢，化学成分为C0.45～0.70%，Si0.10～0.50%，Mn0.30～0.70%，Cr0.20～0.60%，P≤0.025%，S0.003～0.030%，Mo≤0.1%，Ni≤0.2%，Al≤0.04%，Cu≤0.3%，Ca≤0.001%，Ti≤0.003%，O≤0.001%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。制造流程为电炉或转炉—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连轧—锯切—堆冷—精整—表面及内部探伤—包装。本发明轮毂轴承钢的机械性能和元素偏析及组织均匀性得到了改善，属于一种全新的轮毂轴承钢种。

Description

一种微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及桥车碳素轮毂轴承用钢及相应的制造方法。

背景技术

轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向载荷又承受径向载荷，是一个非常重要的零部件。因此对制作轮毂轴承的原材料轮毂轴承用钢性能的要求也越来越高，特别是对材料的耐磨性、淬透性、纯净度及组织均匀性等性能都有着严格的要求。目前国内外的碳素轮毂轴承用钢G55、C56E2等产品，由于产品质量的局限，不能完全满足高端汽车用户对轮毂轴承用钢的需求，因此，产品性能更优的轮毂轴承用钢的开发迫在眉睫。

根据轮毂轴承的使用条件，轮毂轴承用钢必须具备下列性能：高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性，高的耐磨性能，高且均匀的硬度，一定的抗腐蚀能力。此外，用户在对材料加工时，由于需要对轮毂轴承套圈沟道处进行表面淬火，对钢材的淬透性能也提出了要求。

钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据轴承的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，如沿轧制方向排列成串状或点链状的Al₂O₃夹杂（B类），不变形的点状或球状夹杂（D类）以及大颗粒点状或球状夹杂（Ds类），由于其不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。为提高最终产品轮毂轴承的使用寿命，钢材的纯净度非常重要，必须尽可能降低钢中非金属夹杂物，特别是不变形的硬脆性夹杂物尺寸和数量。

高端轮毂轴承钢对组织均匀性、成份偏析是十分敏感的，特别是中心碳的偏析，它会导致轴承组织的不均匀，严重影响产品的性能，降低轴承的使用寿命。因此需要保证钢材的组织均匀性，降低钢材的中心碳偏析。

发明内容

本发明为满足轮毂轴承用钢材的强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性要求，本发明通过对钢材化学成分进行合理设计，发明了一种新的微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢C56E2XS。

本发明C56E2XS钢种要求的非金属夹杂物要求见下表1：

表1

非金属夹杂物根据GB/T10561A法检验，各类夹杂物最大值不超过表1要求。

本发明C56E2XS要求的钢材检验中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10%，远远低于现有中心碳偏析量。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢，化学成分按质量百分比计为C：0.45～0.70%，Si：0.10～0.50%，Mn：0.30～0.70%，Cr：0.20～0.60%，P≤0.025%，S：0.003～0.030%，Mo≤0.1%，Ni≤0.2%，Al≤0.04%，Cu≤0.3%，Ca≤0.001%，Ti≤0.003%，O≤0.001%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明轮毂轴承钢的化学成分设计依据入如下：

1）C含量的确定

C是钢中最经济、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过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本发明C含量的范围确定为0.45～0.70%，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；

2）Si含量的确定

钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明Si含量的范围确定为0.10-0.50%。

3）Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，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的生产，因此钢中含有少量锰（Mn含量在0.10-0.70%），能提高钢的纯净度和性能。但钢中Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，而且Mn有促进晶粒长大的作用，因此会导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，且尺寸稳定性降低，对客户使用产生不利影响。此外，Mn含量高，还会降低钢材抗腐蚀能力，影响最终成品轴承的使用性能。目前国内外中碳碳素轮毂轴承钢（如G55、C56E2等），其Mn含量一般要求在0.70-0.90%，实际控制在0.80%左右，由于Mn含量偏高，钢材表面裂纹多，客户在加热锻造时易产生开裂，既影响了客户使用，也降低了成品轴承的使用寿命。为弥补上述产品的不足，钢中既要添加一定量的Mn元素，从而保留其提高钢材淬透性和纯净度等有利因素，同时Mn含量又不宜过高，尽可能降低其不利影响，本发明Mn含量的范围确定为0.30-0.70%。

4）Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。但Cr含量过高，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韧性降低，轴承寿命下降，而且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用（客户一般要求碳素轮毂轴承用钢的硬度≤255HBW）。目前国内外的碳素轮毂轴承钢，Cr都作为钢中的残余元素，一般要求≤0.2%，不会特意添加。但本发明考虑到钢中添加Cr元素能提高钢材的强度、硬度、耐腐蚀性和耐磨性等性能，从而提升成品轴承的使用寿命，而且还可以弥补因Mn含量偏低导致钢材淬透性降低的不利影响。但添加的Cr元素过高，会导致钢材硬度过大，不利于客户加工以及易形成难溶碳化物。综上考虑，本发明根据Mn的设计含量将Cr含量的范围确定为0.20-0.60%。

5）Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al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。本发明Al含量的范围确定为≤0.04%。

6）Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中大尺寸点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001%。

7）Ti含量的确定

Ti对轴承危害方式是以氮化钛，碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在纯洁度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。含Ti夹杂物不仅降低轴承的疲劳寿命，而且影响轴承的粗糙度。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003%。

8）O含量的确定

大量试验表明，氧含量的降低对提高轴承疲劳寿命显著有利。本发明O含量的范围确定为≤0.001%。

9）P、S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≤0.025%。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，但在钢中加入适量S，可以改善切削加工性，本发明S含量的范围确定为0.003-0.030%。

9）As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在轴承钢中的存在，引起轴承零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%。

上述微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢的制造流程为电炉或转炉——炉外精炼——VD或RH真空脱气——连铸——连轧——锯切——堆冷——精整——表面及内部探伤——包装。

主要生产工艺特点如下：

1、采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。

2、加强精炼过程的脱氧，保证钢中残铝量,利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和VD真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量。

3、控制钢中夹杂物含量及尺寸和组成形态，采用电炉控制下渣技术、精炼渣组成及控制、脱氧剂的选择和加入工艺优化、真空处理工艺优化、中间包冶金，大包下渣检测等技术，连铸全程防氧化保护来减少钢中的夹杂物数量，另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制，从而控制夹杂物形态和组成。

4、连铸过程中浇注过热度不超过35℃，并配备合适的拉速及二冷段冷却强度，保障连铸坯的组织生长。

5、连铸过程采用M-EMS和F-EMS双联，有效改善和降低连铸坯的成分偏析，尤其地，在增加凝固末端电磁搅拌后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高,晶粒得到细化,从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。

6、连轧前，对连铸坯进行高温扩散，加热温度为1150～1250℃，加热时间≥3h。改善钢材的偏析。

7、对钢材进行表面及内部探伤，保证出厂钢材的质量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：实现了1）合理设计化学成分，满足钢材强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性等要求；2）降低钢材非金属夹杂物尺寸和数量，保证钢材的纯净度要求；3）降低钢材的中心碳偏析，保证钢材的组织均匀性要求。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例中碳素轮毂轴承用钢和（作为对比的）目前市场上所用的G55以及国外C56E2轮毂轴承钢的化学成分（wt%）见表2、表3，

表2

	实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Al
											本发明	1	0.56	0.30	0.58	0.013	0.004	0.35	0.01	0.03	0.015
本发明	2	0.57	0.28	0.59	0.011	0.004	0.35	0.02	0.04	0.017
											本发明	3	0.57	0.28	0.58	0.013	0.004	0.36	0.01	0.03	0.018
国内G55	4	0.55	0.27	0.80	0.012	0.001	0.08	0.01	0.03	0.022
											国外C56E2	5	0.56	0.28	0.79	0.010	0.002	0.10	0.01	0.03	0.018

表3

	实施例	Cu	As	Sn	Sb	Pb	Ca	Ti	O
										本发明	1	0.06	0.0046	0.0067	0.0011	0.001	0.0001	0.0007	0.00058
本发明	2	0.07	0.0045	0.0067	0.0012	0.001	0.0002	0.0008	0.00059
										本发明	3	0.06	0.0043	0.0067	0.0010	0.001	0.0001	0.0008	0.00058
国内G55	4	0.05	0.0046	0.0050	0.0013	0.001	0.0004	0.0006	0.00057
										国外C56E2	5	0.06	0.0049	0.0044	0.0013	0.001	0.0003	0.0009	0.00062

各实施例的碳素轮毂轴承钢的制造流程为电炉或转炉---炉外精炼---真空脱气（VD或RH）---连铸---连轧---锯切---堆冷---精整---表面及内部探伤---包装。

按照化学成分配比，选用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量；加强精炼过程的脱氧，保证钢中残铝量,利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和VD真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量；控制钢中夹杂物含量和尺寸和组成形态，采用电炉控制下渣技术、精炼渣组成及控制、脱氧剂的选择和加入工艺优化、真空处理工艺优化、中间包冶金，大包下渣检测等技术，连铸全程防氧化保护，来减少钢中的夹杂物数量，另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制，从而控制夹杂物形态和组成。

连铸过程采用低过热度浇注，浇注过热度不超过35℃，并配备合适的拉速及二冷段冷却强度，同时连铸采用先进的M-EMS和F-EMS双联措施，有效地改善和降低连铸坯的成分偏析。轧钢通过高温扩散，加热温度1150～1250℃，加热时间≥3h，改善钢材的偏析。

各实施例钢材的机械性能对比见表4

表4

由表3可知，本发明以上各实施例中的碳素轮毂钢与现有轮毂钢相比，强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性等要求相当，并略优于现有轮毂钢。

另外，经检测，本发明各实施例中的C56E2XS钢材检验中心碳偏析区域的碳含量不超过正常熔炼碳含量的10%，中心碳偏析得到了显著限制，从而保证了钢材的组织均匀性。

实施例中的各C56E2XS钢材的非金属夹杂物满足表1的严格要求。

Claims

1.一种微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.45～0.70%，Si：0.10～0.50%，Mn：0.30～0.70%，Cr：0.20～0.60%，P≤0.025%，S：0.003～0.030%，Mo≤0.1%，Ni≤0.2%，Al≤0.04%，Cu≤0.3%，Ca≤0.001%，Ti≤0.003%，O≤0.001%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种制造权利要求1所述微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢的方法，其特征在于：流程为电炉或转炉——炉外精炼——VD或RH真空脱气——连铸——连轧——锯切——堆冷——精整——表面及内部探伤——包装。

3.根据权利要求2所述的微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢的制造方法，其特征在于：连铸过程中浇注过热度不超过35℃。

4.根据权利要求2所述的微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢的制造方法，其特征在于：连铸过程采用M-EMS和F-EMS双联。

5.根据权利要求2所述的微合金化轿车碳素轮毂轴承用钢的制造方法，其特征在于：连轧前，对连铸坯进行高温扩散，加热温度为1150～1250℃，加热时间≥3h。