一種汽車用非調質鋼及其加工方法
1.本發明屬于鋼鐵冶金技術領域，具體涉及一種汽車用非調質鋼及其加工方法。
背景技術：
2.非調質鋼是在普通碳錳鋼的基礎上添加微量合金元素(v、nb和ti等)，通過控軋(鍛)控冷工藝，不經調質處理即可達到或超過調質鋼力學性能的一類優質結構鋼。因其綜合性能優良、高效節能和成本低等突出優點被應用于汽車曲軸、連桿、轉向節、半軸和等零部件。全球非調質鋼市場產業集中度很高，主要廠商有新日鐵住金、蒂森克虜伯、神戶制鋼和大同特殊鋼等公司，這四家公司占據了全球52.38％的市場份額。然而，我國高品質非調質鋼主要依賴進口。當前，中國汽車工業飛速發展，采用高品質非調質鋼代替高能耗、工序較為復雜的調質鋼(淬火+高溫回火)制造汽車零部件已成為汽車工業輕量化發展的一個重要趨勢，也符合我國節能減排發展戰略。
3.由于汽車在行駛過程中零件承受著多變的沖擊載荷和疲勞磨損，因此，汽車用非調質鋼不僅要求具有良好的強度、塑性和韌性，還要求具有優良的沖擊性能、抗疲勞性能和切削性能，這對鋼材潔凈度，特別是非金屬夾雜物的控制提出了更高的要求。汽車用非調質鋼中需引入適當s元素以保證切削性能，導致鋼中夾雜物主要為塑性夾雜mns，主要在鋼液凝固過程和降溫過程中析出，由于mn、s元素容易偏析，mns易偏聚晶界或聚集，分布不均勻且尺寸較大，并且在軋制過程中易沿軋制方向發生變形，導致鋼材性能嚴重的各向異性。尺寸合適、分布均勻的mns夾雜物使產品在切削加工過程中易斷屑，改善鋼材切削性能；同時可潤滑刀具、減少刀具磨損和延長刀具使用壽命；還能起到高溫釘扎晶界、低溫細化鐵素體組織等作用。然而，尺寸過大或嚴重聚集分布的mns夾雜物不僅不能充分發揮上述效果，還會導致鋼材切削性能惡化和強韌性不足等問題。
4.硫化物形貌和分布的控制貫穿整個生產工藝流程，涉及到鋼種成分設計、鋼液精煉、凝固過程和控鍛控冷等，是鋼鐵生產廠家和下游用戶普遍關注的問題，也是高品質非調質鋼生產普遍存在的技術難點。目前普遍認為，非調質鋼中硫化物最終控制目標是細小彌散分布的球形或紡錘狀硫化物。
5.公開號為cn 101255535 a易切削非調質鋼及其制造方法，向鋼液中添加ca-si合金，控制ca含量為0.001％～0.010％，可有效改善非調質鋼的硫化物夾雜。然而實際生產中由于ca合金的收得率難以保證，操作困難，改質效果有待商榷。
6.公開號為cn 110129689 a一種采用碲調控硫化物夾雜形態的非調制鋼及其制造方法，通過向鋼液中添加碲元素使mns夾雜球化，降低成品鋼中長條形硫化物比例。但碲元素價格很高，具有毒性，軋制時會引起熱脆。
7.現急需一種控制汽車用非調質鋼中硫化物形貌和分布的方法，并使硫化物在軋制過程中不易變形，以提高非調質鋼綜合性能。
技術實現要素：
8.為解決現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種汽車用非調質鋼及其加工方法，本發明能夠控制汽車用非調質鋼中硫化物形貌和分布，使硫化物在軋制過程中不易變形，因此能夠提高非調質鋼綜合性能。
9.本發明采用的技術方案如下：
10.一種汽車用非調質鋼，其化學元素包括：c：0.38％～0.45％，si：0.25％～0.45％，mn：1.2％～1.5％，s：0.042％～0.065％，v：0.10％～0.16％，al：0.02％～0.08％，y：0.015％～0.055％，b：0.08％～0.12％，p：≤0.03％，o：(1.3
×
10-3
)％～(2.5
×
10-3
)％，n：(1.0
×
10-2
)％～(1.5
×
10-2
)％，余量為fe及不可避免的雜質；
11.其中，v與n的質量比為8～14。
12.優選的，所述汽車用非調質鋼中的硫化物為雙層結構，硫化物的內層為硬質y基形核劑y2o3或釔鋁石榴石y3al5o
12
，硫化物的外層為mns，mns包覆于內層的外部。
13.優選的，所述汽車用非調質鋼中硫化物的等效直徑≤10μm，單位面積數量為1
×
103～5
×
103個/mm2，寬徑比≤12的占總硫化物數量的比例在80％以上，含y復合氧硫化物占總硫化物數量的比例不小于90％。
14.本發明如上所述的汽車用非調質鋼的加工方法，包括如下過程：
15.對高爐鐵水依次進行轉爐粗煉和lf精煉；lf精煉過程中，先對粗煉鋼水調溫后再加促凈劑，然后喂入y-al合金脫氧合金化，并吹ar氣和n2的混合氣體，混合氣體中n2的體積比為30％～40％，吹氣時間為10～15min，吹氣流為50～80nl/min，吹氣結束后向鋼液中加硼鐵，最后喂入純硫線至非調質鋼目標成分，得到精煉鋼水；
16.當精煉鋼水達到澆鑄溫度時進行保護澆鑄，得到鑄坯；
17.將鑄坯奧氏體化后進行軋制，軋后緩慢冷卻，得到最終鋼板，加工完成。
18.優選的，對粗煉鋼水調溫的溫度為1585～1630℃，所述促凈劑采用硅鈣鋇合金，促凈劑加入量為2～3kg/t鋼。
19.優選的，所述y-al合金中的y與al的質量比為0.60～0.65，y-al合金的加入量為0.5～0.8kg/t鋼；
20.所述y-al合金分三批加入，第一批喂入的量為y-al合金總質量的40％～50％，隔4～6min后喂入第二批，第二批喂入的量為y-al合金總質量的20％～30％，隔4～6min后喂入第三批，第三批將剩余y-al合金全部喂入。
21.優選的，保護澆鑄過程中，澆鑄溫度為1520～1530℃，精煉鋼水過熱度為25℃～50℃。
22.優選的，將鑄坯奧氏體化時，加熱升溫速率為2～8k/s，保溫溫度為1120～1150℃，保溫時間為1.5～2.5h。
23.優選的，軋制包括粗軋和精軋，粗軋溫度為1050～1200℃，變形量為70％～75％；精軋溫度為900～1050℃，變形量為80％～85％。
24.優選的，軋后緩慢冷卻速度為100～200℃/min。
25.本發明具有如下有益效果：
26.本發明汽車用非調質鋼室溫屈服強度為730～820mpa，抗拉強度為1030～1175mpa，斷后延伸率為16％～20％，室溫沖擊功可達到42～56j，布氏硬度為300～350hb。
可以看出，本發明汽車用非調質鋼具有較好的切削性能和強韌性，綜合性能較高。
27.本發明汽車用非調質鋼的加工方法中，對高爐鐵水依次進行轉爐粗煉和lf精煉，加促凈劑是為了粗脫氧和深脫硫，然后喂入y-al合金避免生成相應硫化物，通過熱力學控制使y-al合金脫氧產物反應生成硬質穩定相y3al5o
12
。b可以增加非調質鋼的淬透性，節約其他較稀貴的金屬，b和o及n有較強的親和力，因此脫氧合金化后加入b可避免生成b2o3，使b固溶。吹ar氣和n2的混合氣體，利于在熱加工過程中析出氮化物強化相，進一步提高強韌性能；還可避免一次吹入氮氣過多，使吹入的氮有充足的時間被固定，防止增氮過多導致時效性和藍脆。具體的，本發明在高溫精煉(即lf精煉)過程中加y-al合金脫氧合金化，脫氧產物y2o3和al2o3反應al2o3+2y2o3→
y4al2o9(yam)、y4al2o9+al2o3→
4yalo3(yap)、3yalo3+al2o3→
y3al5o
12
(yag)，最終生成穩定相釔鋁石榴石y3al5o
12
(yag)，凝固過程中以細小彌散分布的氧化物y2o3或y3al5o
12
為核心形核后析出的mns，能夠形成雙層結構的y-(al-)mn-o-s類硫化物，通過控制y2o3和y3al5o
12
的分布達到改善硫化物分布的目的，雙層結構的硫化物抗塑性變性能力強，在軋制過程中不易變形，軋后為彌散分布的小尺寸球狀或紡錘狀復合硫化物，再配合適宜的熱加工方法及參數，使最終成品鋼材中硫化物為彌散分布的小尺寸球狀或紡錘狀，進一步提升了曲軸用非調質鋼的橫向力學性能和強韌性能。奧氏體化后進行軋制是讓鋼具有較高的強度，使其發生加工硬化，這樣鋼的強度就高了。緩慢冷卻是為了應力誘導形核會促進析出氮化物強化相，還可防止應力集中產生裂紋。
28.進一步的，促凈劑采用硅鈣鋇合金，硅鈣鋇處理時al含量不宜過高，可以增大12cao
·
7al2o3與cao
·
al2o3之間的區域，增強處理效果，因此y-al合金要后加。
29.進一步的，加入y-al合金是為了硬質穩定相y3al5o
12
，y比al活潑，y-al合金加入合金液中y會先與o反應，因此，需要分批加入并間隔4～6min讓al與o也充分反應脫氧，最終生成穩定相y3al5o
12
，通過控制y/al質量比為0.60～0.65生成過量的y2o3，使脆性夾雜al2o3全部反應。
30.進一步的，控制澆鑄溫度是為了控制mns析出時機，利于形成雙層結構硫化物。本發明控制澆鑄溫度1520～1530℃為了控制mns析出時機，凝固時利于硫化物覆蓋在硬質含y粒子上析出形成雙層結構硫化物，同時可保證凝固組織的致密性，澆鑄溫度越低凝固組織晶粒越細小。
31.進一步的，將鑄坯奧氏體化時，升溫速率為2～8k/s時硫化物尺寸最小，控制效果最好。升溫速率增大，硫化物分裂作用減緩，數量減少。升溫速率在8k/s內，硫化物得到充分分裂，長寬比減小，橢球形硫化物數量增多；當升溫速率繼續增加時，大尺寸硫化物幾乎不再分裂。
32.進一步的，軋制時，粗軋是為了對粗大的鑄態晶粒進行破碎、細化晶粒，促進鋼中碳化物的析出。精軋除了進一步的破碎晶粒還能夠對鋼板進行加工硬化和對鋼中的析出相進行進一步碎化，同時能夠對鋼板進行定型。
33.進一步的，軋后緩慢冷卻速度為100～200℃/min可在抑制共析鐵素體析出的同時顯著細化組織，可確保微合金元素的碳氮化物在冷卻過程中彌散析出。
附圖說明
34.圖1為本發明制備方法的工藝流程圖；
35.圖2為本發明實施例1中形成的內層為y3al5o
12
、外層為mns的雙層結構的硫化物的掃描電鏡圖；
36.圖3為本發明實施例1中形成的內層為y3al5o
12
、外層為mns的雙層結構的硫化物的元素分析圖；
37.圖4為本發明實施例1中形成的內層為y2o3、外層為mns的雙層結構的硫化化物掃描電鏡點掃圖。
具體實施方式
38.下面結合附圖和實施例來對本發明做進一步的說明。
39.本發明汽車用非調質鋼，按質量百分數計，其中的化學元素包括：c：0.38％～0.45％，si：0.25％～0.45％，mn：1.2％～1.5％，s：0.042％～0.065％，v：0.10％～0.16％，al：0.02％～0.08％，y：0.015％～0.055％，b：0.08％～0.12％，p：≤0.03％，o：(1.3
×
10-3
)％～(2.5
×
10-3
)％，n：(1.0
×
10-2
)％～(1.5
×
10-2
)％，余量為fe及不可避免的雜質。其中，v與n的質量比為8～14，記為v/n。
40.參見圖1，本發明汽車用非調質鋼的加工方法，包括以下步驟：
41.s1)制備硬質y基形核劑：將轉爐粗煉后的鋼水進行lf精煉；在lf精煉過程中，進站后先調溫至1585～1630℃，再加促凈劑2～3kg/t鋼，然后喂入y-al合金脫氧合金化，吹ar氣和n2的混合氣體，其中n2的體積比為30％～40％，吹氣時間10～15min，吹氣流量50～80nl/min，加硼鐵0.2～0.5kg/t鋼，最后喂入純硫線至非調質鋼目標成分。其中，促凈劑為硅鈣鋇；y-al合金中的y/al質量比為0.60～0.65，y-al合金的加入量為0.5～0.8kg/t鋼，分三批加入，第一批喂入的量為y-al合金總質量的40％～50％，隔4～6min后喂入第二批，第二批喂入的量為y-al合金總質量的20％～30％，隔4～6min后喂入第三批，第三批將剩余y-al合金全部喂入。
42.s2)生成雙層結構硫化物：當鋼液達到1520～1530℃的澆鑄溫度時(此時鋼液過熱度為25℃～50℃)，進行保護澆鑄，得到鑄坯。
43.s3)調整含y硫化物形態：將鑄坯進行奧氏體化，連鑄坯奧氏體化后進行軋制，軋后緩慢冷卻得到最終鋼板。其中，奧氏體化加熱升溫速率為2～8k/s，保溫溫度為1120～1150℃，保溫時間為1.5～2.5h。軋制過程包括粗軋和精軋，粗軋溫度為1050～1200℃，變形量為70％～75％；精軋溫度為900～1050℃，變形量為80％～85％。軋后緩慢冷卻速度為100～200℃/min。
44.本發明上述加工方法制得的汽車用非調質鋼中，硫化物為雙層結構，內層為硬質y基形核劑y2o3或釔鋁石榴石y3al5o
12
(yag)，外層為mns。硫化物等效直徑≤10μm，單位面積數量為1
×
103～5
×
103個/mm2，寬徑比≤12的占總硫化物數量的比例達80％以上，含y復合氧硫化物占總硫化物數量的比例不小90％。本發明汽車用非調質鋼室溫屈服強度為730～820mpa，抗拉強度為1030～1175mpa，斷后延伸率為16％～20％，室溫沖擊功可達到42～56j，布氏硬度為300～350hb以上。所述曲軸用非調質鋼軋材中a類夾雜硫化物細系、粗系級別分別≤2.0級。
45.實施例1
46.本實施例汽車用非調質鋼，按質量百分數計，其中的化學元素包括：c：0.38％，si：
0.30％，mn：1.5％，s：0.065％，v：0.16％，al：0.05％，y：0.035％，b：0.08％，p：0.027％，o：(1.9
×
10-3
)％，n：(1.2
×
10-2
)％，余量為fe及不可避免的雜質。其中，v與n的質量比為13.3。
47.參見圖1，本實施例汽車用非調質鋼的加工方法，包括以下步驟：
48.s1)制備硬質y基形核劑：將轉爐粗煉后的鋼液進行lf精煉；在lf精煉過程中，進站后先調溫至1605℃，再加促凈劑2.5kg/t鋼，然后喂入y-al合金脫氧合金化，吹ar氣和n2的混合氣體，其中n2的體積比為35％，吹氣時間12min，吹氣流量65nl/min，加硼鐵0.2kg/t鋼，最后喂入純硫線至非調質鋼目標成分。其中，促凈劑為硅鈣鋇；y-al合金中的y/al質量比為0.62，y-al合金的加入量為0.7kg/t鋼，分三批加入，第一批喂入的量為y-al合金總質量的40％，隔4min后喂入第二批，第二批喂入的量為y-al合金總質量的30％，隔6min后喂入第三批，第三批將剩余y-al合金全部喂入。
49.s2)生成雙層結構硫化物：當鋼液達到1520～1530℃的澆鑄溫度時，進行保護澆鑄，得到鑄坯。
50.s3)調整含y硫化物形態：將鑄坯進行奧氏體化，連鑄坯奧氏體化后進行軋制，軋后緩慢冷卻得到最終鋼板。其中，奧氏體化加熱升溫速率為2～8k/s，保溫溫度為1120～1150℃，保溫時間為2.0h。軋制過程包括粗軋和精軋，粗軋溫度為1050～1200℃，變形量為70％；精軋溫度為900～1050℃，變形量為85％。軋后緩慢冷卻速度為100～150℃/min。
51.本實施例上述加工方法制得的汽車用非調質鋼中，硫化物為雙層結構，內層為硬質y基形核劑y2o3或釔鋁石榴石y3al5o
12
(yag)，外層為mns。從圖2和圖3可以看出，本實施例形成的硫化物為雙層結構，硫化物內層為y3al5o
12
，外層為mns；圖4中可以看出雙層結構的硫化物內層為y2o3，外層為mns。硫化物等效直徑≤10μm，單位面積數量為3
×
103個/mm2，寬徑比≤12的占硫化物總數量的比例為84％，含y復合氧硫化物占總硫化物數量的比例為93％。本實施例汽車用非調質鋼室溫屈服強度為785mpa，抗拉強度為1100mpa，斷后延伸率為18％，室溫沖擊功為50j，布氏硬度為320hb。所述曲軸用非調質鋼軋材中a類夾雜硫化物細系、粗系級別分別≤2.0級。
52.實施例2
53.本實施例汽車用非調質鋼，按質量百分數計，其中的化學元素包括：c：0.45％，si：0.25％，mn：1.3％，s：0.042％，v：0.13％，al：0.02％，y：0.055％，b：0.10％，p：0.03％，o：(1.3
×
10-3
)％，n：(1.5
×
10-2
)％，余量為fe及不可避免的雜質。其中，v與n的質量比為8.7。
54.參見圖1，本實施例汽車用非調質鋼的加工方法，包括以下步驟：
55.s1)制備硬質y基形核劑：將轉爐粗煉后的鋼液進行lf精煉；在lf精煉過程中，進站后先調溫至1585℃，再加促凈劑3kg/t鋼，然后喂入y-al合金脫氧合金化，吹ar氣和n2的混合氣體，其中n2的體積比為40％，吹氣時間15min，吹氣流量50nl/min，加硼鐵0.4kg/t鋼，最后喂入純硫線至非調質鋼目標成分。其中，促凈劑為硅鈣鋇；y-al合金中的y/al質量比為0.65，y-al合金的加入量為0.8kg/t鋼，分三批加入，第一批喂入的量為y-al合金總質量的50％，隔6min后喂入第二批，第二批喂入的量為y-al合金總質量的20％，隔4min后喂入第三批，第三批將剩余y-al合金全部喂入。
56.s2)生成雙層結構硫化物：當鋼液達到1520～1530℃的澆鑄溫度時，進行保護澆鑄，得到鑄坯。
57.s3)調整含y硫化物形態：將鑄坯進行奧氏體化，連鑄坯奧氏體化后進行軋制，軋后緩慢冷卻得到最終鋼板。其中，奧氏體化加熱升溫速率為2～8k/s，保溫溫度為1120～1150℃，保溫時間為2.5h。軋制過程包括粗軋和精軋，粗軋溫度為1050～1200℃，變形量為75％；精軋溫度為900～1050℃，變形量為82％。軋后緩慢冷卻速度為150～200℃/min。
58.本實施例上述加工方法制得的汽車用非調質鋼中，硫化物為雙層結構，內層為硬質y基形核劑y2o3或釔鋁石榴石y3al5o
12
(yag)，外層為mns。硫化物等效直徑≤10μm，單位面積數量為1
×
103個/mm2，寬徑比≤12的占硫化物總數量的比例為86％，含y復合氧硫化物占總硫化物數量的比例為95％。本實施例汽車用非調質鋼室溫屈服強度為820mpa，抗拉強度為1175mpa，斷后延伸率為20％，室溫沖擊功為56j，布氏硬度為350hb。所述曲軸用非調質鋼軋材中a類夾雜硫化物細系、粗系級別分別≤2.0級。
59.實施例3
60.本實施例汽車用非調質鋼，按質量百分數計，其中的化學元素包括：c：0.42％，si：0.45％，mn：1.2％，s：0.052％，v：0.10％，al：0.08％，y：0.015％，b：0.12％，p：≤0.025％，o：(2.5
×
10-3
)％，n：(1.0
×
10-2
)％，余量為fe及不可避免的雜質。其中，v與n的質量比為10。
61.參見圖1，本實施例汽車用非調質鋼的加工方法，包括以下步驟：
62.s1)制備硬質y基形核劑：將轉爐粗煉后的鋼液進行lf精煉；在lf精煉過程中，進站后先調溫至1630℃，再加促凈劑2kg/t鋼，然后喂入y-al合金脫氧合金化，吹ar氣和n2的混合氣體，其中n2的體積比為30％，吹氣時間10min，吹氣流量80nl/min，加硼鐵0.5kg/t鋼，最后喂入純硫線至非調質鋼目標成分。其中，促凈劑為硅鈣鋇；y-al合金中的y/al質量比為0.60，y-al合金的加入量為0.5kg/t鋼，分三批加入，第一批喂入的量為y-al合金總質量的45％，隔5min后喂入第二批，第二批喂入的量為y-al合金總質量的25％，隔5min后喂入第三批，第三批將剩余y-al合金全部喂入。
63.s2)生成雙層結構硫化物：當鋼液達到1520～1530℃的澆鑄溫度時，進行保護澆鑄，得到鑄坯。
64.s3)調整含y硫化物形態：將鑄坯進行奧氏體化，連鑄坯奧氏體化后進行軋制，軋后緩慢冷卻得到最終鋼板。其中，奧氏體化加熱升溫速率為2～8k/s，保溫溫度為1120～1150℃，保溫時間為1.5h。軋制過程包括粗軋和精軋，粗軋溫度為1050～1200℃，變形量為73％；精軋溫度為900～1050℃，變形量為80％。軋后緩慢冷卻速度為140～180℃/min。
65.本實施例上述加工方法制得的汽車用非調質鋼中，硫化物為雙層結構，內層為硬質y基形核劑y2o3或釔鋁石榴石y3al5o
12
(yag)，外層為mns。硫化物等效直徑≤10μm，單位面積數量為5
×
103個/mm2，寬徑比≤12的占硫化物總數量的比例為82％，含y復合氧硫化物占總硫化物數量的比例為91％。本實施例汽車用非調質鋼室溫屈服強度為730mpa，抗拉強度為1030mpa，斷后延伸率為16％，室溫沖擊功為42j，布氏硬度為300hb。所述曲軸用非調質鋼軋材中a類夾雜硫化物細系、粗系級別分別≤2.0級。
