一种低中碳钢材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种低中碳钢材料及其制备方法和应用，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。本发明专利技术对上述化学组成的坯材进行严格的热处理，保证AlN的析出数量足够且晶粒细致，从而形成金相组织均匀的低中碳钢材料。本发明专利技术成本低，制备的低中碳钢材料频率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，可用于制备可变压缩比发动机燃烧齿板。板。板。

【技术实现步骤摘要】
一种低中碳钢材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及冶炼
，特别涉及一种低中碳钢材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[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。

技术实现思路

[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，本专利技术提供一种低中碳钢材料及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术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]本专利技术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]本专利技术的专利技术原理如下：
[0016]本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的技术方案不添加Ti元素。
[0017]本专利技术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，故本专利技术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]本专利技术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，本专利技术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]本专利技术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，本专利技术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]本专利技术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]本专利技术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，本专利技术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]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低中碳钢材料，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的低中碳钢材料，其特征在于：所述低中碳钢材料中，H＜2ppm。3.根据权利要求1所述的低中碳钢材料，其特征在于：所述低中碳钢材料中，Al/N比值为2.0～2.5。4.一种制备权利要求1～3任一项所述的低中碳钢材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1所示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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘傲帆，李勇，李万江，王涛，张月，
申请(专利权)人：东风汽车集团有限公司，
类型：发明
国别省市：