一种汽车用非调质钢及其加工方法
1.本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种汽车用非调质钢及其加工方法。
背景技术：
2.非调质钢是在普通碳锰钢的基础上添加微量合金元素(v、nb和ti等)，通过控轧(锻)控冷工艺，不经调质处理即可达到或超过调质钢力学性能的一类优质结构钢。因其综合性能优良、高效节能和成本低等突出优点被应用于汽车曲轴、连杆、转向节、半轴和等零部件。全球非调质钢市场产业集中度很高，主要厂商有新日铁住金、蒂森克虏伯、神户制钢和大同特殊钢等公司，这四家公司占据了全球52.38％的市场份额。然而，我国高品质非调质钢主要依赖进口。当前，中国汽车工业飞速发展，采用高品质非调质钢代替高能耗、工序较为复杂的调质钢(淬火+高温回火)制造汽车零部件已成为汽车工业轻量化发展的一个重要趋势，也符合我国节能减排发展战略。
3.由于汽车在行驶过程中零件承受着多变的冲击载荷和疲劳磨损，因此，汽车用非调质钢不仅要求具有良好的强度、塑性和韧性，还要求具有优良的冲击性能、抗疲劳性能和切削性能，这对钢材洁净度，特别是非金属夹杂物的控制提出了更高的要求。汽车用非调质钢中需引入适当s元素以保证切削性能，导致钢中夹杂物主要为塑性夹杂mns，主要在钢液凝固过程和降温过程中析出，由于mn、s元素容易偏析，mns易偏聚晶界或聚集，分布不均匀且尺寸较大，并且在轧制过程中易沿轧制方向发生变形，导致钢材性能严重的各向异性。尺寸合适、分布均匀的mns夹杂物使产品在切削加工过程中易断屑，改善钢材切削性能；同时可润滑刀具、减少刀具磨损和延长刀具使用寿命；还能起到高温钉扎晶界、低温细化铁素体组织等作用。然而，尺寸过大或严重聚集分布的mns夹杂物不仅不能充分发挥上述效果，还会导致钢材切削性能恶化和强韧性不足等问题。
4.硫化物形貌和分布的控制贯穿整个生产工艺流程，涉及到钢种成分设计、钢液精炼、凝固过程和控锻控冷等，是钢铁生产厂家和下游用户普遍关注的问题，也是高品质非调质钢生产普遍存在的技术难点。目前普遍认为，非调质钢中硫化物最终控制目标是细小弥散分布的球形或纺锤状硫化物。
5.公开号为cn 101255535 a易切削非调质钢及其制造方法，向钢液中添加ca-si合金，控制ca含量为0.001％～0.010％，可有效改善非调质钢的硫化物夹杂。然而实际生产中由于ca合金的收得率难以保证，操作困难，改质效果有待商榷。
6.公开号为cn 110129689 a一种采用碲调控硫化物夹杂形态的非调制钢及其制造方法，通过向钢液中添加碲元素使mns夹杂球化，降低成品钢中长条形硫化物比例。但碲元素价格很高，具有毒性，轧制时会引起热脆。
7.现急需一种控制汽车用非调质钢中硫化物形貌和分布的方法，并使硫化物在轧制过程中不易变形，以提高非调质钢综合性能。
技术实现要素：
8.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种汽车用非调质钢及其加工方法，本发明能够控制汽车用非调质钢中硫化物形貌和分布，使硫化物在轧制过程中不易变形，因此能够提高非调质钢综合性能。
9.本发明采用的技术方案如下：
10.一种汽车用非调质钢，其化学元素包括：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
)％，余量为fe及不可避免的杂质；
11.其中，v与n的质量比为8～14。
12.优选的，所述汽车用非调质钢中的硫化物为双层结构，硫化物的内层为硬质y基形核剂y2o3或钇铝石榴石y3al5o
12
，硫化物的外层为mns，mns包覆于内层的外部。
13.优选的，所述汽车用非调质钢中硫化物的等效直径≤10μm，单位面积数量为1
×
103～5
×
103个/mm2，宽径比≤12的占总硫化物数量的比例在80％以上，含y复合氧硫化物占总硫化物数量的比例不小于90％。
14.本发明如上所述的汽车用非调质钢的加工方法，包括如下过程：
15.对高炉铁水依次进行转炉粗炼和lf精炼；lf精炼过程中，先对粗炼钢水调温后再加促净剂，然后喂入y-al合金脱氧合金化，并吹ar气和n2的混合气体，混合气体中n2的体积比为30％～40％，吹气时间为10～15min，吹气流为50～80nl/min，吹气结束后向钢液中加硼铁，最后喂入纯硫线至非调质钢目标成分，得到精炼钢水；
16.当精炼钢水达到浇铸温度时进行保护浇铸，得到铸坯；
17.将铸坯奥氏体化后进行轧制，轧后缓慢冷却，得到最终钢板，加工完成。
18.优选的，对粗炼钢水调温的温度为1585～1630℃，所述促净剂采用硅钙钡合金，促净剂加入量为2～3kg/t钢。
19.优选的，所述y-al合金中的y与al的质量比为0.60～0.65，y-al合金的加入量为0.5～0.8kg/t钢；
20.所述y-al合金分三批加入，第一批喂入的量为y-al合金总质量的40％～50％，隔4～6min后喂入第二批，第二批喂入的量为y-al合金总质量的20％～30％，隔4～6min后喂入第三批，第三批将剩余y-al合金全部喂入。
21.优选的，保护浇铸过程中，浇铸温度为1520～1530℃，精炼钢水过热度为25℃～50℃。
22.优选的，将铸坯奥氏体化时，加热升温速率为2～8k/s，保温温度为1120～1150℃，保温时间为1.5～2.5h。
23.优选的，轧制包括粗轧和精轧，粗轧温度为1050～1200℃，变形量为70％～75％；精轧温度为900～1050℃，变形量为80％～85％。
24.优选的，轧后缓慢冷却速度为100～200℃/min。
25.本发明具有如下有益效果：
26.本发明汽车用非调质钢室温屈服强度为730～820mpa，抗拉强度为1030～1175mpa，断后延伸率为16％～20％，室温冲击功可达到42～56j，布氏硬度为300～350hb。
可以看出，本发明汽车用非调质钢具有较好的切削性能和强韧性，综合性能较高。
27.本发明汽车用非调质钢的加工方法中，对高炉铁水依次进行转炉粗炼和lf精炼，加促净剂是为了粗脱氧和深脱硫，然后喂入y-al合金避免生成相应硫化物，通过热力学控制使y-al合金脱氧产物反应生成硬质稳定相y3al5o
12
。b可以增加非调质钢的淬透性，节约其他较稀贵的金属，b和o及n有较强的亲和力，因此脱氧合金化后加入b可避免生成b2o3，使b固溶。吹ar气和n2的混合气体，利于在热加工过程中析出氮化物强化相，进一步提高强韧性能；还可避免一次吹入氮气过多，使吹入的氮有充足的时间被固定，防止增氮过多导致时效性和蓝脆。具体的，本发明在高温精炼(即lf精炼)过程中加y-al合金脱氧合金化，脱氧产物y2o3和al2o3反应al2o3+2y2o3→
y4al2o9(yam)、y4al2o9+al2o3→
4yalo3(yap)、3yalo3+al2o3→
y3al5o
12
(yag)，最终生成稳定相钇铝石榴石y3al5o
12
(yag)，凝固过程中以细小弥散分布的氧化物y2o3或y3al5o
12
为核心形核后析出的mns，能够形成双层结构的y-(al-)mn-o-s类硫化物，通过控制y2o3和y3al5o
12
的分布达到改善硫化物分布的目的，双层结构的硫化物抗塑性变性能力强，在轧制过程中不易变形，轧后为弥散分布的小尺寸球状或纺锤状复合硫化物，再配合适宜的热加工方法及参数，使最终成品钢材中硫化物为弥散分布的小尺寸球状或纺锤状，进一步提升了曲轴用非调质钢的横向力学性能和强韧性能。奥氏体化后进行轧制是让钢具有较高的强度，使其发生加工硬化，这样钢的强度就高了。缓慢冷却是为了应力诱导形核会促进析出氮化物强化相，还可防止应力集中产生裂纹。
28.进一步的，促净剂采用硅钙钡合金，硅钙钡处理时al含量不宜过高，可以增大12cao
·
7al2o3与cao
·
al2o3之间的区域，增强处理效果，因此y-al合金要后加。
29.进一步的，加入y-al合金是为了硬质稳定相y3al5o
12
，y比al活泼，y-al合金加入合金液中y会先与o反应，因此，需要分批加入并间隔4～6min让al与o也充分反应脱氧，最终生成稳定相y3al5o
12
，通过控制y/al质量比为0.60～0.65生成过量的y2o3，使脆性夹杂al2o3全部反应。
30.进一步的，控制浇铸温度是为了控制mns析出时机，利于形成双层结构硫化物。本发明控制浇铸温度1520～1530℃为了控制mns析出时机，凝固时利于硫化物覆盖在硬质含y粒子上析出形成双层结构硫化物，同时可保证凝固组织的致密性，浇铸温度越低凝固组织晶粒越细小。
31.进一步的，将铸坯奥氏体化时，升温速率为2～8k/s时硫化物尺寸最小，控制效果最好。升温速率增大，硫化物分裂作用减缓，数量减少。升温速率在8k/s内，硫化物得到充分分裂，长宽比减小，椭球形硫化物数量增多；当升温速率继续增加时，大尺寸硫化物几乎不再分裂。
32.进一步的，轧制时，粗轧是为了对粗大的铸态晶粒进行破碎、细化晶粒，促进钢中碳化物的析出。精轧除了进一步的破碎晶粒还能够对钢板进行加工硬化和对钢中的析出相进行进一步碎化，同时能够对钢板进行定型。
33.进一步的，轧后缓慢冷却速度为100～200℃/min可在抑制共析铁素体析出的同时显著细化组织，可确保微合金元素的碳氮化物在冷却过程中弥散析出。
附图说明
34.图1为本发明制备方法的工艺流程图；
35.图2为本发明实施例1中形成的内层为y3al5o
12
、外层为mns的双层结构的硫化物的扫描电镜图；
36.图3为本发明实施例1中形成的内层为y3al5o
12
、外层为mns的双层结构的硫化物的元素分析图；
37.图4为本发明实施例1中形成的内层为y2o3、外层为mns的双层结构的硫化化物扫描电镜点扫图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
39.本发明汽车用非调质钢，按质量百分数计，其中的化学元素包括：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
)％，余量为fe及不可避免的杂质。其中，v与n的质量比为8～14，记为v/n。
40.参见图1，本发明汽车用非调质钢的加工方法，包括以下步骤：
41.s1)制备硬质y基形核剂：将转炉粗炼后的钢水进行lf精炼；在lf精炼过程中，进站后先调温至1585～1630℃，再加促净剂2～3kg/t钢，然后喂入y-al合金脱氧合金化，吹ar气和n2的混合气体，其中n2的体积比为30％～40％，吹气时间10～15min，吹气流量50～80nl/min，加硼铁0.2～0.5kg/t钢，最后喂入纯硫线至非调质钢目标成分。其中，促净剂为硅钙钡；y-al合金中的y/al质量比为0.60～0.65，y-al合金的加入量为0.5～0.8kg/t钢，分三批加入，第一批喂入的量为y-al合金总质量的40％～50％，隔4～6min后喂入第二批，第二批喂入的量为y-al合金总质量的20％～30％，隔4～6min后喂入第三批，第三批将剩余y-al合金全部喂入。
42.s2)生成双层结构硫化物：当钢液达到1520～1530℃的浇铸温度时(此时钢液过热度为25℃～50℃)，进行保护浇铸，得到铸坯。
43.s3)调整含y硫化物形态：将铸坯进行奥氏体化，连铸坯奥氏体化后进行轧制，轧后缓慢冷却得到最终钢板。其中，奥氏体化加热升温速率为2～8k/s，保温温度为1120～1150℃，保温时间为1.5～2.5h。轧制过程包括粗轧和精轧，粗轧温度为1050～1200℃，变形量为70％～75％；精轧温度为900～1050℃，变形量为80％～85％。轧后缓慢冷却速度为100～200℃/min。
44.本发明上述加工方法制得的汽车用非调质钢中，硫化物为双层结构，内层为硬质y基形核剂y2o3或钇铝石榴石y3al5o
12
(yag)，外层为mns。硫化物等效直径≤10μm，单位面积数量为1
×
103～5
×
103个/mm2，宽径比≤12的占总硫化物数量的比例达80％以上，含y复合氧硫化物占总硫化物数量的比例不小90％。本发明汽车用非调质钢室温屈服强度为730～820mpa，抗拉强度为1030～1175mpa，断后延伸率为16％～20％，室温冲击功可达到42～56j，布氏硬度为300～350hb以上。所述曲轴用非调质钢轧材中a类夹杂硫化物细系、粗系级别分别≤2.0级。
45.实施例1
46.本实施例汽车用非调质钢，按质量百分数计，其中的化学元素包括：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
)％，余量为fe及不可避免的杂质。其中，v与n的质量比为13.3。
47.参见图1，本实施例汽车用非调质钢的加工方法，包括以下步骤：
48.s1)制备硬质y基形核剂：将转炉粗炼后的钢液进行lf精炼；在lf精炼过程中，进站后先调温至1605℃，再加促净剂2.5kg/t钢，然后喂入y-al合金脱氧合金化，吹ar气和n2的混合气体，其中n2的体积比为35％，吹气时间12min，吹气流量65nl/min，加硼铁0.2kg/t钢，最后喂入纯硫线至非调质钢目标成分。其中，促净剂为硅钙钡；y-al合金中的y/al质量比为0.62，y-al合金的加入量为0.7kg/t钢，分三批加入，第一批喂入的量为y-al合金总质量的40％，隔4min后喂入第二批，第二批喂入的量为y-al合金总质量的30％，隔6min后喂入第三批，第三批将剩余y-al合金全部喂入。
49.s2)生成双层结构硫化物：当钢液达到1520～1530℃的浇铸温度时，进行保护浇铸，得到铸坯。
50.s3)调整含y硫化物形态：将铸坯进行奥氏体化，连铸坯奥氏体化后进行轧制，轧后缓慢冷却得到最终钢板。其中，奥氏体化加热升温速率为2～8k/s，保温温度为1120～1150℃，保温时间为2.0h。轧制过程包括粗轧和精轧，粗轧温度为1050～1200℃，变形量为70％；精轧温度为900～1050℃，变形量为85％。轧后缓慢冷却速度为100～150℃/min。
51.本实施例上述加工方法制得的汽车用非调质钢中，硫化物为双层结构，内层为硬质y基形核剂y2o3或钇铝石榴石y3al5o
12
(yag)，外层为mns。从图2和图3可以看出，本实施例形成的硫化物为双层结构，硫化物内层为y3al5o
12
，外层为mns；图4中可以看出双层结构的硫化物内层为y2o3，外层为mns。硫化物等效直径≤10μm，单位面积数量为3
×
103个/mm2，宽径比≤12的占硫化物总数量的比例为84％，含y复合氧硫化物占总硫化物数量的比例为93％。本实施例汽车用非调质钢室温屈服强度为785mpa，抗拉强度为1100mpa，断后延伸率为18％，室温冲击功为50j，布氏硬度为320hb。所述曲轴用非调质钢轧材中a类夹杂硫化物细系、粗系级别分别≤2.0级。
52.实施例2
53.本实施例汽车用非调质钢，按质量百分数计，其中的化学元素包括：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
)％，余量为fe及不可避免的杂质。其中，v与n的质量比为8.7。
54.参见图1，本实施例汽车用非调质钢的加工方法，包括以下步骤：
55.s1)制备硬质y基形核剂：将转炉粗炼后的钢液进行lf精炼；在lf精炼过程中，进站后先调温至1585℃，再加促净剂3kg/t钢，然后喂入y-al合金脱氧合金化，吹ar气和n2的混合气体，其中n2的体积比为40％，吹气时间15min，吹气流量50nl/min，加硼铁0.4kg/t钢，最后喂入纯硫线至非调质钢目标成分。其中，促净剂为硅钙钡；y-al合金中的y/al质量比为0.65，y-al合金的加入量为0.8kg/t钢，分三批加入，第一批喂入的量为y-al合金总质量的50％，隔6min后喂入第二批，第二批喂入的量为y-al合金总质量的20％，隔4min后喂入第三批，第三批将剩余y-al合金全部喂入。
56.s2)生成双层结构硫化物：当钢液达到1520～1530℃的浇铸温度时，进行保护浇铸，得到铸坯。
57.s3)调整含y硫化物形态：将铸坯进行奥氏体化，连铸坯奥氏体化后进行轧制，轧后缓慢冷却得到最终钢板。其中，奥氏体化加热升温速率为2～8k/s，保温温度为1120～1150℃，保温时间为2.5h。轧制过程包括粗轧和精轧，粗轧温度为1050～1200℃，变形量为75％；精轧温度为900～1050℃，变形量为82％。轧后缓慢冷却速度为150～200℃/min。
58.本实施例上述加工方法制得的汽车用非调质钢中，硫化物为双层结构，内层为硬质y基形核剂y2o3或钇铝石榴石y3al5o
12
(yag)，外层为mns。硫化物等效直径≤10μm，单位面积数量为1
×
103个/mm2，宽径比≤12的占硫化物总数量的比例为86％，含y复合氧硫化物占总硫化物数量的比例为95％。本实施例汽车用非调质钢室温屈服强度为820mpa，抗拉强度为1175mpa，断后延伸率为20％，室温冲击功为56j，布氏硬度为350hb。所述曲轴用非调质钢轧材中a类夹杂硫化物细系、粗系级别分别≤2.0级。
59.实施例3
60.本实施例汽车用非调质钢，按质量百分数计，其中的化学元素包括：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
)％，余量为fe及不可避免的杂质。其中，v与n的质量比为10。
61.参见图1，本实施例汽车用非调质钢的加工方法，包括以下步骤：
62.s1)制备硬质y基形核剂：将转炉粗炼后的钢液进行lf精炼；在lf精炼过程中，进站后先调温至1630℃，再加促净剂2kg/t钢，然后喂入y-al合金脱氧合金化，吹ar气和n2的混合气体，其中n2的体积比为30％，吹气时间10min，吹气流量80nl/min，加硼铁0.5kg/t钢，最后喂入纯硫线至非调质钢目标成分。其中，促净剂为硅钙钡；y-al合金中的y/al质量比为0.60，y-al合金的加入量为0.5kg/t钢，分三批加入，第一批喂入的量为y-al合金总质量的45％，隔5min后喂入第二批，第二批喂入的量为y-al合金总质量的25％，隔5min后喂入第三批，第三批将剩余y-al合金全部喂入。
63.s2)生成双层结构硫化物：当钢液达到1520～1530℃的浇铸温度时，进行保护浇铸，得到铸坯。
64.s3)调整含y硫化物形态：将铸坯进行奥氏体化，连铸坯奥氏体化后进行轧制，轧后缓慢冷却得到最终钢板。其中，奥氏体化加热升温速率为2～8k/s，保温温度为1120～1150℃，保温时间为1.5h。轧制过程包括粗轧和精轧，粗轧温度为1050～1200℃，变形量为73％；精轧温度为900～1050℃，变形量为80％。轧后缓慢冷却速度为140～180℃/min。
65.本实施例上述加工方法制得的汽车用非调质钢中，硫化物为双层结构，内层为硬质y基形核剂y2o3或钇铝石榴石y3al5o
12
(yag)，外层为mns。硫化物等效直径≤10μm，单位面积数量为5
×
103个/mm2，宽径比≤12的占硫化物总数量的比例为82％，含y复合氧硫化物占总硫化物数量的比例为91％。本实施例汽车用非调质钢室温屈服强度为730mpa，抗拉强度为1030mpa，断后延伸率为16％，室温冲击功为42j，布氏硬度为300hb。所述曲轴用非调质钢轧材中a类夹杂硫化物细系、粗系级别分别≤2.0级。
