一种高频淬火汽车涡轮轴用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼与轧制的技术领域，具体涉及一种高频淬火汽车涡轮轴用钢及其制造方法。

背景技术

汽车涡轮轴在汽车发动机内部肩负着传递发动机动力的作用，汽车涡轮轴运行过程的转速最高可达160000rpm以上，涡轮轴在高速运旋转过程中表面承受着较大的摩擦力，涡轮轴的中心位置在高速旋转过程中则承受着较大的压力，传统的汽车涡轮轴用钢表面硬度均匀性一般，钢材表面存在一些软点；钢材中心位置组织不致密，中心位置实际晶粒均匀性差，并且实际晶粒较为粗大。因此传统的涡轮轴经过长时间的运行后，其表面与中心位置的耐久性均较差，涡轮轴的表面与中心首先出现疲劳失效现象，涡轮轴运行的稳定性将出现断崖式下降，从而导致涡轮轴传动过程出现抖动现象，最终涡轮轴将发生疲劳断裂。

发明内容

本发明从化学成分与制造方法角度开发一种汽车涡轮轴用钢，获得一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，钢材表面硬度均匀性好，表面无任何软点；钢材中心位置组织致密，中心位置处的实际晶粒细小并且均匀，能够大幅度提升汽车涡轮轴耐久性、稳定性与疲劳寿命。

本申请获得的圆钢中心疏松≤0.5级；圆钢中心位置的实际晶粒度为7.0-8.0级；圆钢表面无脱碳；距圆钢表面2mm位置内的硬度为57-62HRC，圆钢表面无任何软点，圆钢中心位置处的硬度为23-26HRC。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，钢的化学成分重量百分比为C:0.43～0.47％，Si:0.10～0.25％，Mn:0.45～0.65％，Cr:1.80～2.00％，P:≤0.020％，S:0.018～0.028％，Al:0.015～0.035％，Cu:0.05～0.06％，Ni:0.05～0.06％，Mo:0.05～0.06％，Ca≤0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：

C:钢中碳元素是影响钢材高频淬火后表面硬度的最重要的元素，随着钢中碳含量的增加，高频淬火后钢材表面的硬度也随之增加，钢材表面的耐磨性得到有效地提升。同时本发明钢的碳元素也影响着圆钢的中心硬度，随着碳含量的增加圆钢轧制冷却后中心位置处的硬度也随之提升，但是汽车涡轮轴中心位置需要拥有足够的韧性，碳含量过高对圆钢中心位置的韧性不利。碳含量的波动范围对高频淬火后钢材表面硬度范围影响较大。因此，碳含量的波动应控制在较窄的范围以内。本发明钢的碳含量选择范围为C:0.45～0.47％。

Si:在精炼前期加入少量的硅铁，可以起到预脱氧的作用。因此，本发明的硅含量选择范围为Si:0.10～0.25％。

Mn:在精炼过程中加入适量的锰元素与硫元素，连铸凝固过程中析出的硫化锰可以显著改善钢材切削性能，此外在钢中加入适量的锰元素还可以增加钢材表面的耐磨性。因此，本发明锰含量选择范围为Mn:0.45～0.65％。

Cr:在本发明钢中加入足量的铬合金元素，铬合金元素的加入可以有效提高钢材的淬硬性，从而提升圆钢氮气风冷后中心位置处的硬度。因此，本发明铬含量选择范围为Cr:1.80～2.00％。

P:磷在本发明钢中属于有害元素，磷元素的存在增加了钢的冷脆性能，因此，本发明钢磷元素控制P:≤0.020％。

S:在精炼过程中加入适量的锰元素与硫元素，连铸凝固过程中析出的硫化锰可以显著改善钢材切削性能。因此，硫含量选择范围为S:0.018～0.028％。

Al:精炼过程首先向钢水中喂入硫磺线，喂入硫磺线后钢水中的钙与硫结合形成高熔点的非金属夹杂物CaS，此时再向钢水中喂入铝线进行沉淀脱氧，脱氧过程钢液中形成大量的非金属夹杂物Al

Cu、Ni、Mo：废钢中残余的铜、镍、钼对圆钢氮气风冷后中心位置处硬度的稳定性存在一定影响，为减少圆钢氮气风冷后中心位置处硬度的波动，同时提升圆钢氮气风冷后中心位置的硬度。本发明选择在精炼末期往钢中加入少量的铜板、镍板、钼铁微调钢液化学成分，以确保圆钢氮气风冷后中心位置的拥有足够高的硬度，并且中心位置的硬度能够稳定控制在较窄的范围以内，圆钢氮气风冷后中心位置为23-26HRC。考虑到铜、镍、钼均为贵金属元素，为降低钢材生产成本，在本发明钢中加入了少量的铜、镍、钼元素，确保了本发明钢中的铜、镍、钼能够稳定地控制在较窄的范围以内。因此，本发明铜、镍、钼元素的选择范围为Cu:0.05-0.06％，Ni:0.05-0.06％，Mo:0.05-0.06％。

Ca:本发明钢属于含硫钢，钢中残余的钙会与硫元素相结合，形成非金属夹杂物硫化钙，降低钢水的纯净度，影响高频淬火汽车涡轮轴用钢的疲劳寿命。因此，为提升高频淬火汽车涡轮轴的疲劳寿命，本发明钢种Ca含量必须控制≤0.0005％。

上述高频淬火汽车涡轮轴用钢的制造方法包含如下工艺步骤：

步骤一、钢水冶炼和浇铸：采用转炉初炼和精炼，转炉初炼选用优质铁水与优质废钢进行初炼，优质废钢中的Cu、Ni、Mo含量均≤0.05％，精炼过程依次加入硅铁、铬铁、锰铁合金调整钢中的化学成分，然后向钢水中喂入硫磺线，喂入硫磺线后钢水中的钙与硫结合形成CaS，在形成CaS的同时再向钢水中喂入铝线进行沉淀脱氧，脱氧过程钢液中形成大量的非金属夹杂物Al

步骤二、轧制：铸坯入炉加热，待铸坯中心位置温度达到1150-1200℃时，在此温度下保温2-3小时，连铸坯轧制采用粗轧、中轧、精轧，粗轧采用大压下轧制，粗轧累计减面率控制在60-65％，粗轧在塑性温度区间1110-1140℃内进行，粗轧后经中轧和精轧轧至为φ20-30mm的圆钢，终轧温度不低于900℃。

本申请粗轧温度应选择本发明钢最佳塑性温度区间进行轧制，最佳粗轧塑性温度区间确定方法为粗轧过程采用相同的轧制压力、相同炉号的坯料对不同温度区间的坯料分别进行轧制，坯料的温度区间分别为900-930℃、930-960℃、960-990℃、990-1020℃、1050-1080℃、1080-1110℃、1110-1140℃、1140-1170℃、1170-1200℃，粗轧后检测不同温度区间坯料的延伸率，延伸率最高的温度区间即为本发明钢最佳的粗轧塑性温度区间为1110-1140℃。粗轧采用大压下，并在高塑性温度区域进行轧制，粗轧后的材料中心位置奥氏体组织均匀细小。

步骤三、轧后冷却：轧后高温圆钢采用水冷方式在5s内急速冷却至720-740℃，通过急速水冷使粗轧后中心位置形成的细小奥氏体组织得到保留，为后续相变提供合适的金相组织和温度条件，同时避免了钢材在高温环境下长时间停留，抑制了钢材氧化铁皮的产生。

水冷后的圆钢采用运输线传输，钢材传输速度0.2m/s以上，运输线底部向上吹氮气冷却圆钢，设置吹氮气的风压1.0-1.2kpa，风量5-6m

步骤四、表面扒皮后的圆钢使用高频感应加热进行表面淬火，利用高频感应加热将圆钢表面2mm以内的温度加热到880-890℃，而圆钢中心位置温度≤230℃，然后立即使用高压水环对圆钢进行喷水淬火冷却，高压水环与高频感应淬火装置之间设置一道圆环形挡板，防止高压水环喷射过程水花飞溅至正在高频感应加热的钢材表面，从而防止钢材表面软点的产生；高频感应淬火后的圆钢立即入保温炉保温实现低温回火；保温炉内采用惰性气氛。

作为一种实施方式，步骤二中，粗轧设置3道次，3道次的累计压缩比为60-65％。

作为一种实施方式，步骤三中，轧制与轧后冷却过程圆钢表面脱碳层深度≤0.12mm，对圆钢表面扒皮时，扒皮的深度为0.12mm。

作为一种实施方式，步骤四中，对扒皮后的圆钢高频感应加热时，设置高频感应加热的电流频率为60KHz，高频感应加热时间为8-10s。

作为一种实施方式，步骤四中，高频感应淬火后的圆钢立即入温度为230℃带有氮气保护气氛的保温炉低温回火2小时以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明针对高频淬火汽车涡轮轴用钢，成分上采用中碳、低钙、并且向钢中添加少量的铜、镍、钼，促使残余元素铜、镍、钼元素保持稳定。采用合理的炼钢工艺，有效地降低了钢水中的有害元素钙，控制轧钢粗轧过程3道次总的减面率，整个粗轧过程在最佳的粗轧塑性温度区间进行轧制，通过粗轧来细化材料中心位置的奥氏体组织，使材料中心位置的奥氏体组织均匀并且细小。轧后高温圆钢急速水冷是为了让粗轧后中心位置的细小奥氏体组织得到保留，同时也抑制了钢材表面氧化铁皮的产生，水冷后的圆钢通过高压氮气风冷的方式促使钢材中心位置冷却至200-230℃，让中心位置细小的奥氏体组织再氮气风冷过程中转变成细小均匀的铁素体与珠光体组织，通过轧制过程控制圆钢表面脱碳，圆钢表面脱碳层深度可以稳定控制≤0.12mm，就扒皮而言，本申请的脱碳层更浅，然后使用扒皮机对圆钢表面进行一道扒皮，完全去除圆钢表面脱碳。

表面扒皮后的圆钢使用高频感应加热进行表面淬火，通过控制高频淬火冷却过程，并且在高频感应淬火装置与高压水环之间设置一道圆形挡板，防止水花飞溅至正在高频钢液加热的圆钢表面，从而防止钢材表面软点的产生。高频感应淬火后的圆钢进入带有氮气保护气氛的保温炉进行低温回火，以防止圆钢表面再次形成脱碳层。

基于以上技术手段，本申请最终获得了一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，其特征在于：圆钢中心疏松≤0.5级；圆钢中心位置的实际晶粒度为7.0-8.0级；圆钢表面无脱碳；距圆钢表面2mm位置内硬度为57-62HRC，圆钢表面无任何软点，圆钢中心位置处的硬度为23-26HRC。所述涡轮轴具有表面高硬度、中心低硬度高韧性的特点，是一款理想的不易断耐久型轴类钢材，涡轮轴的优质用钢。

附图说明

图1为本发明实施例1的圆钢中心位置的晶粒度图，╳100倍；

图2为本发明实施例2的圆钢中心位置的晶粒度图，╳100倍。

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，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1与实施例2：

三个实施例所涉及的一种高频淬火汽车涡轮轴用钢的制造方法：转炉初炼→精炼→连铸方坯(240mm*240mm)→连铸方坯入加热炉加热→粗轧→中轧→精轧成圆钢→轧后水冷→高压氮气风冷→圆钢表面扒皮→高频感应淬火→氮气炉低温回火。制造了两个批次的高频淬火汽车涡轮轴用钢。

采用转炉冶炼，转炉选用优质铁水与优质废钢进行初炼，优质废钢的Cu、Ni、Mo含量分别为0.04％、0.04％、0.05％(实施例1)，0.05％、0.05％、0.04％(实施例2)；精炼过程依次加入硅铁、铬铁、锰铁合金调整钢中的化学成分，然后向钢水中喂入硫磺线，喂入硫磺线后钢水中的钙与硫结合形成CaS，此时再向钢水中喂入铝线进行沉淀脱氧，脱氧过程钢液中形成大量的非金属夹杂物Al

连铸方坯入加热炉加热，连铸方坯中心位置温度加热至1158℃(实施例1)、1195℃(实施例2)，连铸方坯中心位置在此温度下保温2小时(实施例1)、3小时(实施例2)，连铸坯轧制采用粗轧、中轧、精轧，粗轧采用大压下轧制，粗轧3道次总的减面率控制在61％(实施例1)、65％(实施例2)，粗轧温度应选择本发明钢最佳塑性温度区间进行轧制，最佳粗轧塑性温度区间确定方法为粗轧过程采用相同的轧制压力、相同炉号的坯料对不同温度区间的坯料分别进行轧制，坯料的温度区间分别为900-930℃、930-960℃、960-990℃、990-1020℃、1050-1080℃、1080-1110℃、1110-1140℃、1140-1170℃、1170-1200℃，粗轧后检测不同温度区间坯料的延伸率，延伸率最高的温度区间即为本发明钢最佳的粗轧塑性温度区间为1110-1140℃。粗轧采用大压下，并在高塑性温度区域进行轧制，粗轧后的材料中心位置奥氏体组织均匀细小。粗轧后的材料再经中轧、精轧最终轧制成圆钢规格为φ21mm(实施例1)、φ29mm(实施例1)。

轧后高温圆钢(≥900℃)采用水冷方式在5s内急速冷却至728℃(实施例1)、737℃(实施例2)，通过急速水冷使粗轧后中心位置形成的细小奥氏体组织得到保留，为后续相变提供合适的金相组织和温度条件，同时避免了钢材在高温环境下长时间停留，抑制了钢材氧化铁皮的产生。水冷后的圆钢采用运输线传输，钢材传输速度0.2m/s，运输线底部设置风扇向上方的圆钢吹氮气，风压1.0kpa(实施例1)、1.2kpa(实施例2)，风量5.1m

(实施例2)，钢材冷却速度10℃/s(实施例1)、12℃/s(实施例2)，经过高压氮气风冷圆钢中心位置冷却至229℃(实施例1)、203℃(实施例2)，圆钢中心位置细小奥氏体组织转变为均匀细小的珠光体与铁素体组织，实际晶粒度为7.0级(实施例1)、8.0级(实施例2)。轧制与冷却过程控制圆钢表面脱碳层深度为0.09mm(实施例1)、0.12mm(实施例2)，然后使用扒皮机对圆钢表面进行一道扒皮，扒皮的深度为

表面扒皮后的圆钢使用高频感应加热进行淬火，高频感应加热的电流频率为60KHz，高频感应加热时间为8s(实施例1)、10s(实施例2)，高频感应加热后圆钢表面2mm以内的温度为881℃(实施例1)、889℃(实施例2)，圆钢中心位置温度≤230℃，然后立即使用高压水环喷水淬火冷却，高压水环与高频感应淬火装置之间设置一道圆环形挡板，以防止高压水环喷射过程水花飞溅至正在高频感应加热的钢材表面，从而防止钢材表面软点的产生。高频感应淬火后的圆钢立即入温度为230℃带有氮气保护气氛的保温炉低温回火2小时。

实施例1与实施例2制得的钢材熔炼成分见表1。

表1熔炼成分(wt％)

实施例1与实施例2制得的圆钢中心疏松、中心位置的实际晶粒度、表面层脱碳层深度见表2。

表2

实施例1与实施例2制得的圆钢距表面2mm位置内的硬度，圆钢中心位置硬度见

表3。

本发明针对一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，成分上采用中碳、低钙、并且向钢中添加少量的铜、镍、钼，促使残余元素铜、镍、钼元素保持稳定。采用合理的炼钢工艺，有效地降低了钢水中的有害元素钙，控制轧钢粗轧过程3道次总的减面率，整个粗轧过程在最佳的粗轧塑性温度区间进行轧制，通过粗轧来细化材料中心位置的奥氏体组织，使材料中心位置的奥氏体组织均匀并且细小。轧后高温圆钢急速水冷促使粗轧后中心位置的细小奥氏体组织得到保留，同时也抑制了钢材氧化铁皮的产生，水冷后的圆钢通过高压氮气风冷的方式促使钢材中心位置冷却至200-230℃，中心位置细小的奥氏体组织转变成细小均匀的铁素体与珠光体组织，通过轧制过程控制圆钢表面脱碳，圆钢表面脱碳层深度可以稳定控制≤0.12mm，然后使用扒皮机对圆钢表面进行一道扒皮，完全去除圆钢表面脱碳。

表面扒皮后的圆钢使用高频感应加热进行淬火，通过控制高频淬火冷却过程，并且在高频感应淬火装置与高压水环之间设置一道圆形挡板，防止水花飞溅至正在高频钢液加热的圆钢表面，从而防止钢材表面软点的产生。高频感应淬火后的圆钢入带有氮气保护气氛的炉子低温回火，以防止圆钢表面再次形成脱碳层。最终发明了一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，其特征在于：圆钢中心疏松≤0.5级；圆钢中心位置的实际晶粒度为7.0-8.0级；圆钢表面无脱碳；距圆钢表面2mm位置内硬度为57-62HRC，圆钢表面无任何软点，圆钢中心位置处的硬度为23-26HRC。

本发明制造了一种高频淬火汽车涡轮轴用钢，填补了国内涡轮优质用钢的空白。