CN111057964A - 一种新能源汽车高强度转向节用钢材及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车高强度转向节用钢材及其制备方法与应用，钢材包括C：0.40‑0.44％、Si：0.31‑0.37％、Mn：0.50‑0.59％、P：≤0.015％、S：0.031‑0.037％、Cr：0.90‑0.99％、Ni：≤0.25％、Cu：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Al：0.017‑0.033％、Ti：0.003‑0.02％、N：0.008‑0.014％，其中Al％≥27N％/14‑9Ti％/16；制备方法包括将炉料依次经过电弧炉初炼、钢包精炼、真空脱气、连铸浇注、热加工轧制，即得到成品钢材。与现有技术相比，本发明具有钢材组分来源广泛、成本低廉、工艺控制稳定可靠等优点。

Description

一种新能源汽车高强度转向节用钢材及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，涉及一种新能源汽车高强度转向节用钢材及其制备方法与应用。

背景技术

转向节是汽车和转向系统中重要零件之一，既要承受汽车在行驶中上下摆动的弯曲力，地面的反作用力，转向时的扭转力，还要承受汽车刹车(特别是急刹)时的冲击力，所以要求其具有一定的抗拉强度和屈服强度，还要有较高的塑性和韧性。现有技术中一般采用铸铁、铝合金或钢铁材料，铸铁件强度偏低，适用范围有限，铝合金转向节轻量化效果明显但成本较高、强度偏低，钢铁材料目前有两大类，一类为CrMo系列的调质钢，另一类为微合金化的非调质钢，两者均需通过添加一定的合金元素提高转向节的强韧性，增加了合金成本。

中国专利CN102886642A公开了一种汽车用转向节的制造方法，制备的钢锭包括C：0.37-0.44％、Si：0.15-0.35％、Mn：0.70-0.90％、P：0.15-0.25％、S：0.015-0.025％、Cr：0.70-0.95％、Mo：0.30-0.40％、Ni：1.6-2％、Cu：0.10-0.20％，成品的抗拉强度Rm≥830MPa、屈服强度Rp0.2≥690MPa、延伸率A≥14％、断面收缩Z≥30％，该专利采用模铸钢锭法生产，导致成材率低，并且原料中添加了Ni元素，使得钢锭的加工成本较高，同时添加了P元素，增强了材料的冷脆开裂倾向。

中国专利CN110129656A公开了一种汽车转向节用钢的生产方法，制备的钢材包括C：0.37-0.39％、Si：0.20-0.30％、Mn：0.75-0.80％、P：≤0.020％、S：≤0.015％、Cr：1.05-1.10％、Ni：≤0.3％、Al：0.0015-0.0040％、Cu+Ni+V+Sn：≤0.80％、H：≤0.0002％、O：≤0.0020％，其余为Fe和不可避免杂质。成品零件调质硬度为30-36HRC，晶粒度5-8级，疲劳寿命50万次无损坏，该专利所制备的钢材为本质粗晶粒钢，晶粒均匀性差，性能不稳定。

中国专利CN104087819B公开了一种轿车转向节用铸态低温强韧铁素体球铁材料及其制备方法，制备的铁素体球铁材料包括C：3.1-3.4％、Si：3.1-3.3％、Mn：0.2-0.30％、P：<0.040％、S：<0.015％、Cu：<0.1％、Sn：<0.01％、Cr：<0.1％、Mo：<0.1％、Ni：<0.1％、Mg：0.03-0.05％，其余为Fe和不可避免杂质，抗拉强度Rm≥480MPa、屈服强度Rp0.2≥360MPa、延伸率A≥18％、硬度为HBW165-200，该专利制备的铁素体球铁材料强度偏低，不适合大承载力的新能源汽车前转向节，而且添加的低熔点元素增加了材料制备的难度。

中国专利CN 109097644A公开了一种用于汽车转向节的高强度铝合金及其制备汽车转向节的方法，制备的铝合金包括Si：0.45-0.75％、Cu：0.15-0.35％、Mn：≤0.05％、Mg：0.90-1.10％、Zn：≤0.20％、Ti：≤0.10％、Cr：0.04-0.35％，其余为Al。抗拉强度Rm≥400MPa、屈服强度Rp0.2≥358MPa、延伸率A≥13％、硬度HBW≥115，强度偏低。

综上所述，现有技术中钢铁材料合金元素含量高，晶粒粗大，成本增加的同时性能不稳定；球铁和铝合金的力学性能偏低，冶炼难度或成本控制不理想，也不能满足新能源汽车对前转向节的性能要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新能源汽车高强度转向节用钢材及其制备方法与应用，用于解决转向节用钢材冶炼工艺难度大、成本较高、成品性能不稳定的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新能源汽车高强度转向节用钢材，包括以下组分及重量百分含量：

C：0.40-0.44％、Si：0.31-0.37％、Mn：0.50-0.59％、P：≤0.015％、S：0.031-0.037％、Cr：0.90-0.99％、Ni：≤0.25％、Cu：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Al：0.017-0.033％、Ti：0.003-0.020％、N：0.0080-0.0140％，其余部分为Fe以及不可避免的杂质。

C是保证转向节使用强度所必需的元素，同时也是影响淬透性的主要元素之一，C含量太低使得转向节强度较差，且不能保证良好的淬透性要求，此外转向节需要高强度的同时也需要足够的冲击韧性，C含量太高则易导致转向节冲击韧性的降低，使其不能满足性能需求，因此本发明中C含量控制在0.40-0.44％。

Si能较好地消除氧化铁对钢材的不良影响，同时也能溶入铁素体，并使铁素体强化，提高转向节的强度、硬度、弹性、弹性极限及耐磨性；此外Si还能提高钢材的Ac3温度，对转向节的回火稳定性与抗氧化性有较大的积极影响，但Si的导热性较差，易导致钢材开裂，并且脱碳倾向比较严重。因此本发明中Si含量控制在0.31-0.37％。

Mn是脱氧和脱硫的有效元素，同时也是影响淬透性的主要元素之一，在冶炼时加入可以起到脱氧和脱硫的作用，此外，Mn还能溶于铁素体，起到固溶强化作用；Mn含量小于0.50％时脱氧和脱硫的作用较小，大于0.59％以后转向节淬透性和偏析不好控制，同时热塑性变差，影响生产，因此本发明中Mn含量控制在0.50-0.59％。

P为有害元素，过量的P会增加钢的冷脆性，因此本发明中P含量不大于0.015％。

S作为钢中的杂质元素，会显著降低钢的塑性和韧性，但适量的硫能有效改善钢材的切削性能，因此本发明中S含量控制在0.031-0.037％。

Cr可以显著提高钢材的淬透性、强度以及耐磨性等性能，并且Cr还有利于降低C的活度，可以防止转向节锻件加热、轧制及热处理过程中出现脱碳现象，但是过高的Cr含量会显著降低转向节淬火及回火后的韧性，因此本发明中Cr含量控制在0.90-0.99％。

Ni和Mo具有提高材料疲劳强度的效果，但含量过高会降低热加工后的切削性，同时增加合金成本；Cu能够提高材料的强度和韧性，但过高含量的Cu会在高温时增强材料的热脆性，从而降低转向节的疲劳性能，故而本发明中Ni含量不大于0.25％，Mo含量不大于0.10％，Cu含量不大于0.15％。

进一步地，该钢材中Al的重量百分含量Al％、N的重量百分含量N％以及Ti的重量百分含量Ti％，满足关系式：Al％≥27N％/14-9Ti％/16。

Al、Ti、N在本发明中是主要的细化晶粒元素，在本发明的技术方案中，通过控制钢中的Al、Ti及N的质量百分比以及Al、Ti、N的质量关系，形成(Al、Ti)的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种或几种析出相粒子，从而起到钉扎晶界、细化晶粒的积极效果。为此，首先必须确保钢中有合适的Al、Ti及N含量，同时保证钢中Al/N及Ti/N，避免某种元素的含量过多或过少影响钢的性能。在冶炼初期，Al主要作为脱氧剂加入并形成Al₂O₃夹杂物上浮，进入到渣，VD真空处理之后喂Al丝，在低氧条件下，此时的Al主要作为合金元素起微合金化的作用。Al与钢中的N结合形成AlN相，在奥氏体晶界处起到钉扎晶界抑制奥氏体晶粒长大的作用，但是Al过量或者Al/N的原子数量比配合不合理，容易在钢材中形成Al₂O₃夹杂难以去除，同时Al₂O₃和CaS容易吸附在中间包水口“结瘤”，造成钢水可浇性差。AlN的另一形成元素N以合金形式添加，但过量的N会造成气体含量高，易形成皮下气泡，影响钢材质量。此外，AlN粒子在高温下不稳定，容易长大或溶解，对晶界的钉扎作用减弱，因此，本发明通过复合添加微量的Ti，与N元素优先形成在高温下更稳定的TiN析出相，从而在高温阶段抑制奥氏体晶粒长大，但是如果Ti含量过高，钢中容易形成粗大的TiN夹杂物，影响转向节的疲劳强度等性能。

综上所述，在综合考虑晶粒细化的效果以及析出相的形成规律，在本发明中，对Al的重量百分含量控制在0.017-0.033％，Ti的重量百分含量控制在0.003-0.020％，N的重量百分含量控制在0.008-0.014％，并同时满足Al％≥27N％/14-9Ti％/16。

进一步地，所述的钢材中，硫化物类非金属夹杂物级别≤2.5级。

如上所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，包括以下步骤：

1)依照所述的钢材的组分及重量百分含量配制炉料，并将炉料依次经过电弧炉初炼、钢包精炼、真空脱气、连铸浇注后，得到连铸坯；

2)采用轧钢机热加工轧制方法，将步骤1)中的连铸坯依次经过加热、轧制过程后，得到成品钢材。

进一步地，步骤1)中，电弧炉初炼过程中，在氧化期勤流渣去P，出渣条件包括：出渣温度为1630-1660℃，P重量百分含量不大于0.013％；出钢条件包括：出钢温度为1630-1650℃，P重量百分含量不大于0.010％，C重量百分含量不小于0.03％；

钢包精炼过程中加入铝，使钢液中Al的重量百分含量达到0.038-0.042％，补加其他金属合金并搅拌5-10min，调整化学成分进内控；

当钢包精炼过程中的钢液温度达到1650-1670℃时，进入真空脱气过程；

真空脱气过程中，真空度为60-70Pa(优选为66.7Pa)，真空脱气时间不低于15min；

真空脱气过程后，向钢液中加入钛合金至Ti的重量百分含量达到0.003-0.020％，以保证收得率，之后待钢液温度达到1550-1570℃(吊包温度)并且各组分的重量百分含量符合相应要求时，通过吊包使钢液进入连铸浇注过程。

其中，所述的炉料包括低P、S废钢、切头、优质生铁、金属合金、还原剂，所用金属合金包括铬铁、低磷锰铁，以及其他炼钢工艺中常用的并能满足本发明中钢材金属元素种类的含金属元素材料硅铁、钛合金；所用还原剂包括电石、碳粉、铝粉，所用电弧炉优选为30-150吨电弧炉；

此外，钢包精炼过程在与电弧炉的容量相适配的钢包精炼炉中进行，包括：钢液精炼、钢包入座、测温分析并根据情况调整氩气压力，通过钢包精炼过程去除钢液中的有害气体及夹杂物。

进一步地，步骤1)中，连铸浇注过程中，高温钢液通过保护套管，浇进中间包，再经连铸结晶器，配合电磁搅拌及轻压下技术，浇注出连铸坯；

其中，所用中间包内表面为耐火涂层，使用前完全清洁并检查内表面不得有裂缝，中间包的过热度为20-40℃；

连铸坯的浇注速度为0.6-2.1m/min，连铸坯的优选断面尺寸为140mm×140mm-320mm×425mm，并根据断面尺寸调整连铸坯的浇注速度；

所得连铸坯置于缓冷坑中经缓冷过程后再执行步骤2)，所述的缓冷过程的缓冷时间不少于24h。

进一步地，步骤2)中，所述的加热过程在连续炉中进行，依次包括：预热段、第一加热段、第二加热段以及均热段；

所述的预热段温度不高于700℃；

所述的第一加热段的加热温度为700-980℃；

所述的第二加热段的加热温度为950-1200℃；

所述的均热段的加热温度为1100-1200℃；

所述的连铸坯在连续炉中的总加热时间不低于195min。

本技术方案同现有技术相比均热温度提高20℃，以实施钢坯加热的扩散过程，有利于提高连铸坯的成分和组织均匀性。同时在此温度下，析出相粒子有着最快的固溶速度，因此，加热温度高将使钢中原始未溶的Al、N、Ti的化合物有更多的溶解，使基体中Al、N、Ti浓度增加，在以后冷却时析出更多更弥散的粒子，此外只有将加热炉温度向上提以后，才能使终轧温度提高，使轧后奥氏体回复再结晶更充分，析出相粒子分布更均匀。

作为优选的技术方案，均热段后所得钢坯料的阴阳面温差不超过30℃时，才可出炉进入轧制过程。

作为优选的技术方案，所述的连铸坯进行加热过程前，先进行表面清洗；加热过程后所得钢坯料经高压水除磷去氧化皮后，再进入轧制过程。

进一步地，所述的轧制过程中，开轧温度为1100-1200℃，终轧温度不低于900℃。

在上述工艺下有利于N从γ固溶体中脱溶并与钢中的Ti、Al结合成(Ti、Al)碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种或几种析出相粒子。如果终轧温度低，由于析出相粒子的峰值析出，会造成析出相粒子分布不均匀，以及回复再结晶不充分而产生组织上的各向异性，所以终轧温度不低于900℃。另外提高终轧温度，会得到较细的晶粒，晶粒细小增大了过冷奥氏体转变后的铁素体平均晶粒直径d和富锰带间距s之间的差别，减轻了富Mn带形成珠光体的趋势，从而减轻了组织偏析。

上述钢材可用于制备新能源汽车转向节。

进一步地，所述的转向节的抗拉强度Rm≥870MPa，屈服强度Rp0.2≥730MPa，延伸率A≥14％；

所述的转向节的金相组织为回火索氏体，奥氏体晶粒度为7.5-8.0级。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明所提供的钢材及基于该钢材所制备的转向节兼具成本低廉、综合力学性能良好的优点，能够满足转向节对制动力耐久、侧向力耐久、转向力冲击及耐久等各项技术要求，同时还具有组分元素来源广泛、工艺控制稳定可靠等优点；

2)本发明通过调整钢材中Al、Ti、N的绝对重量百分含量及相对重量百分含量，以形成(Al、Ti)的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种或几种析出相粒子，从而起到钉扎晶界、细化晶粒的积极效果，使成品钢材的抗拉强度、屈服强度及延伸性得到显著提升；

3)本发明采用热加工轧制方法制备成品钢材，通过提高加热工艺中均热段的温度，以促进钢材组分分布及组织均匀性，并提高轧制工艺过程中的终轧温度，使轧后奥氏体回复再结晶更充分，析出相粒子分布更均匀；

4)本发明通过降低吊包温度(低于常规吊包温度20℃)，延长镇静时间，促进夹杂物上浮，以提高钢中杂质的去除率，进一步提高成品钢材的强度及韧性。

附图说明

图1、图2、图3及图4为实施例3中不同放大倍数的金相组织示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种钢材的制备方法：

1)依照设计钢材的组分及重量百分含量配制炉料，并将炉料依次经过150t电弧炉初炼、钢包精炼、真空脱气、连铸浇注后，得到连铸坯；

2)采用轧钢机热加工轧制方法，将步骤1)中的连铸坯依次经过表面清洗、加热、高压水除磷去氧化皮、轧制过程后，得到成品钢材。

其中，步骤1)中，电弧炉初炼过程中，在氧化期勤流渣去P，出渣条件包括：出渣温度为1630-1660℃，P重量百分含量不大于0.013％；出钢条件包括：出钢温度为1630-1650℃，P重量百分含量不大于0.010％，C重量百分含量不小于0.03％；

钢包精炼过程中，加入铝合金使钢液中Al的重量百分含量达到0.038-0.042％，补加其他金属合金并搅拌5-10min，调整化学成分进内控；

当钢包精炼过程中的钢液温度达到1650-1670℃时，进入真空脱气过程；

真空脱气过程中，真空度为66.7Pa，真空脱气时间不低于15min；

真空脱气过程后，向钢液中加入钛合金至Ti的重量百分含量达到0.003-0.020％，以保证收得率，之后待钢液温度达到1550-1570℃并且各组分的重量百分含量符合相应要求时，通过吊包使钢液进入连铸浇注过程；

连铸浇注过程中，高温钢液通过保护套管，浇进中间包，再经连铸结晶器，配合电磁搅拌及轻压下技术，浇注出连铸坯，

所用中间包内表面为耐火涂层，使用前完全清洁并检查内表面不得有裂缝，中间包的过热度为20-40℃；

连铸坯的浇注速度为0.6-2.1m/min，连铸坯的优选断面尺寸为140mm×140mm-320mm×425mm，并根据断面尺寸调整连铸坯的浇注速度；

所得连铸坯置于缓冷坑中经缓冷过程后再执行步骤2)，缓冷过程的缓冷时间不少于24h。

其中，炉料包括低P、S废钢、切头、优质生铁、金属合金、还原剂，所用金属合金包括铬铁、低磷锰铁，以及其他炼钢工艺中常用的并能满足钢材金属元素种类的含金属元素材料硅铁、钛合金；所用还原剂包括电石、碳粉、铝粉，所用电弧炉优选为30-150吨电弧炉；

此外，钢包精炼过程在与电弧炉的容量相适配的钢包精炼炉中进行，包括：钢液精炼、钢包入座、测温分析并根据情况调整氩气压力，通过钢包精炼过程去除钢液中的有害气体及夹杂物。

步骤2)中，加热过程在连续炉中进行，依次包括：预热段、第一加热段、第二加热段以及均热段；

其中，预热段温度不高于700℃；

第一加热段的加热温度为700-980℃；

第二加热段的加热温度为950-1200℃；

均热段的加热温度为1100-1200℃；

连铸坯在连续炉中的总加热时间不低于195min，并在均热段后所得钢坯料的阴阳面温差不超过30℃时，出炉进入轧制过程；

轧制过程中，开轧温度为1100-1200℃，终轧温度不低于900℃。

实施例1：

本实施例分别通过上述步骤并结合相应的技术参数，制备5种Φ80mm圆棒，其中制备5种圆棒的技术参数如表1所示。

表1制备5种圆棒的技术参数

实施例2：

本实施例将实施例1中的5种圆棒依次经过加热、预锻、终锻、切边、淬火、回火后制成转向节零件，在转向拉杆取样后测试其化学成分及力学性能并和现有技术(1：CN104087819B；2：CN109097644A)中的转向节零件进行对比，结果分别如表2及表3所示。

表2本实施例中转向节零件与现有技术中转向节零件的化学组分含量对比(wt％)

表3本实施例中转向节零件与现有技术中转向节零件的力学性能对比

实施例3：

本实施例将实施例2中制备的转向节零件进行金相实验，结果如图1、图2、图3及图4所示，从图中可以看出，经热处理后的金相组织为回火索氏体(如图1所示)；基体中均匀分布着大量AlN、TiN等析出相粒子(如图2所示)，有效钉扎了奥氏体晶界，从而使得转向节晶粒细小均匀，晶粒度为7.5-8级(如图3所示)，性能稳定，并且参照GB/T 10561-2005，硫化物粗系、细系级别均不高于2.5级(如图4所示)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新能源汽车高强度转向节用钢材，其特征在于，该钢材包括以下组分及重量百分含量：

C：0.40-0.44％、Si：0.31-0.37％、Mn：0.50-0.59％、P：≤0.015％、S：0.031-0.037％、Cr：0.90-0.99％、Ni：≤0.25％、Cu：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Al：0.017-0.033％、Ti：0.003-0.020％、N：0.008-0.014％，其余部分为Fe以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材，其特征在于，该钢材中Al的重量百分含量Al％、N的重量百分含量N％以及Ti的重量百分含量Ti％，满足关系式：Al％≥27N％/14-9Ti％/16。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材，其特征在于，所述的钢材中，硫化物类非金属夹杂物级别≤2.5级。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)依照所述的钢材的组分及重量百分含量配制炉料，并将炉料依次经过电弧炉初炼、钢包精炼、真空脱气、连铸浇注后，得到连铸坯；

2)将步骤1)中的连铸坯依次经过加热、轧制过程后，得到成品钢材。

5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，其特征在于，步骤1)中，电弧炉初炼过程中，出渣条件包括：出渣温度为1630-1660℃，P重量百分含量不大于0.013％；出钢条件包括：出钢温度为1630-1650℃，P重量百分含量不大于0.010％，C重量百分含量不小于0.03％；

钢包精炼过程中加入铝，使钢液中Al的重量百分含量达到0.038-0.042％，当钢包精炼过程中的钢液温度达到1650-1670℃时，进入真空脱气过程；

真空脱气过程中，真空脱气时间不低于15min；

真空脱气过程后，向钢液中加入钛合金至钢液中Ti的重量百分含量达到0.003-0.020％，并当钢液温度达到1550-1570℃时，通过吊包使钢液进入连铸浇注过程。

6.根据权利要求4所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，其特征在于，步骤1)中，连铸浇注过程中，所用中间包的过热度为20-40℃，浇注速度为0.6-2.1m/min；

所得连铸坯经缓冷过程后再执行步骤2)，所述的缓冷过程的缓冷时间不少于24h。

7.根据权利要求4所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的加热过程在连续炉中进行，依次包括：预热段、第一加热段、第二加热段以及均热段；

所述的预热段温度不高于700℃；

所述的第一加热段的加热温度为700-980℃；

所述的第二加热段的加热温度为950-1200℃；

所述的均热段的加热温度为1100-1200℃；

所述的连铸坯在连续炉中的总加热时间不低于195min。

8.根据权利要求4所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的制备方法，其特征在于，所述的轧制过程中，开轧温度为1100-1200℃，终轧温度不低于900℃。

9.一种基于权利要求1至3任一项所述的新能源汽车高强度转向节用钢材的应用，其特征在于，所述的钢材用于制备新能源汽车转向节。

10.根据权利要求9所述的一种新能源汽车高强度转向节用钢材的应用，其特征在于，所述的转向节的抗拉强度Rm≥870MPa，屈服强度Rp0.2≥730MPa，延伸率A≥14％；

所述的转向节的金相组织为回火索氏体，奥氏体晶粒度为7.5-8.0级。

Images