调控前轴用低碳贝氏体非调质钢显微组织的控锻控冷工艺

摘要

本发明属于金属材料领域，涉及一种调控前轴用低碳贝氏体非调质钢显微组织的控锻控冷工艺。该工艺包括以下步骤：将直径为Ф130mm的前轴用低碳贝氏体型非调质钢棒材经下料、中频感应炉加热，滚锻、模锻、切边后上控冷线进行控制冷却，采用先快冷后缓冷的分段冷却方式进行控冷。采用该工艺获得的显微组织为粒状贝氏体组织+少量细小弥散分布的铁素体组织，贝氏体组织比例占90～95％，抗拉强度Rm为990～1050MPa，屈服强度Rp0.2为650～670MPa，室温冲击功AKU为60～63J，同时具有合适的维氏硬度，硬度控制在370～380HV之间。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种前轴用高强高韧低碳贝氏体型非调质钢，具体涉及一种调控前轴用高强高韧低碳贝氏体型非调质钢显微组织的控锻控冷工艺。

背景技术

前轴是作为汽车底盘中的关键结构和安全组件，是最重要的安全零件之一。前轴同时承受弯曲载荷及冲击载荷等交变载荷，因而要求前轴材料的强度和韧性须有较好配合。调质钢前轴的力学性能比较稳定，但在热处理过程中产生大量的能耗和其他消耗，增加了工序和生产成本。非调质钢被称为绿色钢铁，其主要的特点是微合金化并通过控锻(轧)控冷技术得到产品适合的力学性能，免去了传统的淬火回火的调质工艺，越来越多的汽车零部件如汽车前轴尝试采用非调质钢。各厂非调质钢前轴的相关研究在几年前就已经展开，但在材料组织性能精确控制尤其是二次成形过程的控制技术研究仍然匮乏，因此非调质前轴一直没有得到广泛应用。在节能环保的压力下，用非调质钢代替调质钢制备汽车零件是必然趋势，开展贝氏体非调质钢的研究为拓展钢铁产品应用领域、占领市场提供了竞争机会。

由于贝氏体非调质钢在二次锻造过程中，变形温度高，变形量小且不均匀，使得锻件在冷却相变时，先共析铁素体易沿原奥氏体晶界呈网状析出，得到粗大的铁素体-贝氏体组织，对强度和韧性均不利，限制了贝氏体非调质钢在高强韧汽车零部件上的应用。因此在保证前轴用贝氏体型非调质钢具有高强韧性的同时应调控显微组织的匹配，尽量使粗大的网状分布的铁素体变为细小弥散分布的小块状铁素体。通过锻后分段控冷的方式来调控前轴用低碳贝氏体型非调质钢组织中贝氏体与铁素体的匹配，从而使其兼具良好的强韧性。

而在申请号为202010152284.1的专利申请《一种V微合金化高强韧性贝氏体非调质钢及其控锻控冷工艺和生产工艺》中，给出了V微合金化高强韧性贝氏体非调质钢及其控锻控冷工艺，但其冷却方式分了三段控冷，且冷却制度与本发明完全不同，而且是适用于V、Ti复合微合金化的贝氏体非调质钢，并不适用于只有V微合金化的前轴用低碳贝氏体非调质钢。此外，专利202010152284.1重点针对的是材料的力学性能的调控，而对于显微组织匹配的调控并未涉及。

发明内容

本发明的目的是提供一种调控前轴用低碳贝氏体型非调质钢显微组织的控锻控冷工艺，经该工艺处理后，前轴用低碳贝氏体型非调质钢的显微组织为粒状贝氏体组织+少量细小弥散分布的铁素体组织，贝氏体组织比例占90～95％，抗拉强度R

本发明所述的前轴用低碳贝氏体型非调质钢，其化学成分质量百分比为： 0.20％～0.23％C、0.20％～0.40％Si、1.8％～1.9％Mn、0.40％～0.50％Cr、0.10％～0.15％V、0.02％～0.04％Al、0.025％～0.045％S、P≤0.025％、Ni≤0.10％、Mo≤0.05％、0.010％～0.015％N，余量为Fe及不可避免杂质。与专利202010152284.1中的贝氏体型非调质钢V、Ti复合微合金化相比，本发明所用材料为V微合金化低碳贝氏体型非调质钢，而且C、Mn和Cr元素的含量更低，N含量较高，以提高其韧性。

本发明涉及一种调控前轴用低碳贝氏体型非调质钢显微组织的控锻控冷工艺，所述低碳贝氏体非调质钢化学成分质量百分比为：0.20％～0.23％C、0.20％～0.40％Si、1.8％～1.9％Mn、 0.40％～0.50％Cr、0.10％～0.15％V、0.02％～0.04％Al、0.025％～0.045％S、P≤0.025％、Ni≤0.10％、 Mo≤0.05％、0.010％～0.015％N，余量为Fe及不可避免杂质；主要工艺流程为：Ф130mm棒材→中频感应加热→控锻控冷，所述控锻控冷工艺包括：直径为Ф130mm的前轴用低碳贝氏体型非调质钢棒材下料后经频感应加热到一定温度保温一定时间，在一定的温度下锻造，锻后采用先快冷后缓冷的分段冷却方式进行控冷。

进一步地，本发明主要包括以下步骤：

(1)中频感应加热工艺：将直径为Ф130mm的贝氏体型非调质钢棒材经中频感应加热至充分奥氏体化，奥氏体化加热温度为1100～1200℃，保温时间为1～2min，之后进行锻造；

(2)控锻控冷工艺：奥氏体化后的贝氏体型非调质钢棒材进行锻造，终锻温度为950～1000℃，锻造结束后冷却线上控冷，进行先快冷后缓冷的分段冷却方式进行控冷，锻后立即快速冷却至500～550℃，然后缓冷至室温，快速冷却的冷速为3～5℃/s，缓冷的冷速为0.5～1℃/s。

上述技术方案中，所述的感应加热温度为1100～1200℃。加热温度过低，会使锻件可锻性变差；而加热温度过高易引起锻件的过热、过烧以及晶粒粗大，不利于获得目标组织和性能。

所述的保温时间为1～2min。加热时间过短，奥氏体化不充分，过长则导致奥氏体晶粒粗化，同样均不利于获得目标组织和性能，且降低生产效率。

所述的终锻温度为950～1000℃。锻造温度过高，会使显微组织粗大，韧性降低；锻造温度过低，容易锻造开裂，设备也锻不动，设备能力不容许。

所述的控冷工艺为先快冷后缓冷的分段冷却方式，先快冷至500～550℃，然后缓冷，是为了快速避开铁素体转变区，获得更多的粒状贝氏体组织。

采用上述控锻控冷工艺的理由如下：有效控制粗大的网状铁素体组织，获得粒状贝氏体+少量细小弥散分布的铁素体组织，从而获得比较合适的硬度和较好的强韧性匹配。与专利202010152284.1相比，本发明为一种适用于调控单独添加微合金元素V的前轴用高强高韧低碳贝氏体型非调质钢显微组织的控锻控冷工艺，可以有效调控钢材的组织和性能，在工艺流程以及参数的设定方面有较大差异，具体如下：

(1)中频感应加热工艺：本发明中将Ф130mm的轧制棒材采用中频感应加热的方式加热到1100～1200℃，保温时间为1～2min。而专利202010152284.1中加热温度为1220～1270℃，而且没提及保温时间。本发明中加热温度及保温时间的设置是为了使棒材完全奥氏体化并提高锻件的可锻性，防止出现锻件的过热、过烧等问题。

(2)锻后控冷工艺：本发明中锻造结束后冷却线上控冷，进行先快冷后缓冷的分段冷却方式进行控冷，锻后立即快速冷却至500～550℃，然后缓冷至室温，快速冷却的冷速为3～5℃/s，缓冷的冷速为0.5～1℃/s，此工艺可快速避开铁素体转变区，获得更多的粒状贝氏体组织。而专利202010152284.1中，锻造结束后在控冷线上采用自然冷却，待零件表面温度达到800±10℃时开始强风冷却，冷却至零件表面温度400℃±10℃时开始缓冷。强风冷却的冷却速率为0.8℃/s～2.4℃/s。

本发明中的前轴用高强高韧低碳贝氏体非调质钢不只进行V微合金化，为提高韧性，还整体降低了C、Mn和Cr元素含量，提高了N含量，通过一种调控前轴用高强高韧低碳贝氏体型非调质钢显微组织的控锻控冷工艺来实现显微组织的调控与强韧性的匹配。

采用该工艺方法处理后，前轴用低碳贝氏体型非调质钢的显微组织为粒状贝氏体组织 +少量细小弥散分布的铁素体组织，贝氏体组织比例占90～95％，抗拉强度R

附图说明

图1为实施例1中的贝氏体型非调质钢的组织形貌图；

图2为实施例2中的贝氏体型非调质钢的组织形貌图；

图3为对比例1中的贝氏体型非调质钢的组织形貌图；

图4为对比例2中的贝氏体型非调质钢的组织形貌图。

具体实施方式

一种前轴用低碳贝氏体型非调质钢，具有如下的质量百分比化学成分：0.22％C、0.34％Si、1.86％Mn、0.02％P、0.034％S、0.46％Cr、0.03％Ni、0.01％Mo、0.11％V、0.022％Al、 0.0126％N，余量为Fe。

实施例采用的控锻控冷工艺参数如表1所示，锻件显微组织照片如图1所示，显微组织比例及力学性能如表2所示。可以看出，经过先快冷后缓冷的分段冷却方式进行控冷后，实施例1和2显微组织基本由粒状贝氏体组成，还有少量细小弥散分布的铁素体组织。实施例1经过控锻控冷后，贝氏体组织含量占85％，抗拉强度为999MPa，屈服强度为658MPa，室温冲击功A

对比例1采用的控锻控冷工艺参数如表1所示。控锻控冷后锻件的显微组织照片如图 2所示，显微组织比例及力学性能如表2所示。可以看出，控锻控冷后，对比例1的显微组织基本由粒状贝氏体+粗大的网状铁素体组成。对比例1经过控锻控冷后抗拉强度为948MPa，屈服强度为607MPa，室温冲击功A

对比例2采用的控锻控冷工艺参数如表1所示。控锻控冷后锻件的显微组织照片如图 2所示，显微组织比例及力学性能如表2所示。可以看出，控锻控冷后，对比例2的显微组织由粒状贝氏体+板条贝氏体+网状铁素体+少量马氏体组成。对比例2经过控锻控冷后抗拉强度为1117MPa，屈服强度为679MPa，室温冲击功A

表1实施例和对比例采用的控锻控冷工艺参数

表2实施例和对比例处理后的贝氏体含量和力学性能