一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢
阅读说明：本技术 一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢 (Steel for tie rod joint in high-performance automobile steering system ) 是由 梁佰战 郑力宁 蒋栋初 朱延律 赵刚 赵岳 陈坤 上官福康 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢,由以下质量百分比元素组成：0.49～0.53%的C、0.25～0.40%的Si、0.70～0.90%的Mn、0.30～0.40%的Cr、0.045～0.060%的Mo、0～0.30%的Ni、0.015～0.035%的Al、0.015～0.030%的S、0.0080～0.0110%的N、0.010～0.025%的Nb、≤0.015%的P、≤0.0008%的B、≤0.0020%的O、≤0.0002%的H,余量为Fe。本发明钢种不仅使用规格大,而且具有高强度、高低温冲击性能,用于加工各种形状横接头,加工的横接头力学性能优良,切削性能好,同时该发明钢种对于工艺的适应性较强,在常规钢铁企业的工艺流程(转炉或电炉+炉外精炼+连铸+轧制)中都可以生产。(The invention discloses steel for a tie rod joint in a high-performance automobile steering system, which consists of the following elements in percentage by mass: 0.49-0.53% of C, 0.25-0.40% of Si, 0.70-0.90% of Mn, 0.30-0.40% of Cr, 0.045-0.060% of Mo, 0-0.30% of Ni, 0.015-0.035% of Al, 0.015-0.030% of S, 0.0080-0.0110% of N, 0.010-0.025% of Nb, less than or equal to 0.015% of P, less than or equal to 0.0008% of B, less than or equal to 0.0020% of O, less than or equal to 0.0002% of H, and the balance of Fe. The steel grade has large using specification, high strength, high and low temperature impact performance, is used for processing transverse joints with various shapes, has excellent mechanical property of the processed transverse joints and good cutting performance, has stronger adaptability to the process, and can be produced in the process flows (converter or electric furnace + external refining + continuous casting + rolling) of conventional steel enterprises.)
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及汽车转向系统中的横拉杆接头，具体涉及一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢。
背景技术
汽车转向系统在汽车各大系统（发动机系统、悬架系统等）中占据着举足轻重的作用，它关系到汽车行驶过程中的方向性和安全性，其中横拉杆接头（以下简称“横接头”）为连接转向器与转向节臂之间的部件之一，则转向器通过横接头将驾驶员的转向动作由横接头传递给转向节臂完成，由此可知，横接头性能的好坏直接决定着汽车转向系统的安全性和使用寿命。通常一个汽车部件安全性的改善或提高主要通过材质选取、结构设计和生产工艺三个方面来完成，三个措施都是以提高产品失效极限，增加性能富余量来保证横接头安全性改善和提高。
查阅相关相关专利发现，已公开的关于汽车横接头方面的专利都仅为一些加工或结构设计方面的专利，例如：专利CN212106491U公开了一种具有弧形结构加强杆的横接头、专利CN211764791U公开了一种扭转横接头、专利CN112412964A公开了一种基于汽车转向系统转向拉杆的接头、专利CN209700784公开了球销座盲孔式汽车转向横拉杆接头、专利CN208123243U一种免维护的转向横拉杆接头、专利CN2380465Y一种耐磨的汽车横拉杆接头，这些专利涉及的内容主要为横接头的设计方面；专利CN201582296U公开了适用于冷挤压技术的横接头，该专利主要介绍了一种适用于特定加工技术的横接头。
在材质选取方面，现有技术中主要采用45钢来加工横接头，45钢调质后二分之一半径以内组织中依然存在一定量，近表面为索氏体，而二分之一半径处却依然存在珠光体和铁素体，近表面与二分之一半径处显微组织一致性较差，组织差异使得抗拉强度和冲击韧性无法满足高性能要求（原材要求：屈服强度≥430Mpa、抗拉强度650~800Mpa、延伸率≥16%、断面收缩率≥40%、0℃V型冲击功≥27J，横接头：屈服强度≥560Mpa、抗拉强度800~950Mpa、0℃V型冲击功≥35J），而汽车转向系统中的横拉杆接头在使用过程中需要传递扭转力，特别汽车在低速运转时，需要转向力更大，这就要求横接头又更高的强度，而寒冷地区的汽车则需要横接头具有更高低温韧性，横接头在使用方面的要求，使得横接头用钢在选用时在性能方面需要具备高强度、高韧性等。
因此开发一种专门的、汽车转向系统中高性能的横拉杆接头用钢成为迫切的现实需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢，使用本发明的钢材加工的横接头力学性能优良，切削性能好，同时该钢种生产工艺适应性强，可以在常规钢铁企业中完成该发明钢种的生产，其生产工艺简单、成本低、性能好。
本发明时通过以下技术方案实现的：
一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢，由以下质量百分比元素组成：0.49~0.53%的C、0.25~0.40%的Si、0.70~0.90%的Mn、0.30~0.40%的Cr、0.045~0.060%的Mo、0~0.30%的Ni、0.015~0.035%的Al、0.015~0.030%的S、0.0080~0.0110%的N、0.010~0.025%的Nb、≤0.015%的P、≤0.0008%的B、≤0.0020%的O、≤0.0002%的H，余量为Fe。
本发明的进一步改进方案为：
一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢，其由以下质量百分比元素组成：0.50~0.53%的C、0.30~0.40%的Si、0.84~0.90%的Mn、0.35~0.40%的Cr、0.045~0.055%的Mo、0.20~0.25%的Ni、0.020~0.035%的Al、0.015~0.025%的S、0.0090~0.0110%的N、0.015~0.025%的Nb、≤0.012%的P、≤0.0005%的B、≤0.0015%的O、≤0.00015%的H，余量为Fe。
本发明的再进一步改进方案为：
一种高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢，其由以下质量百分比元素组成：0.50~0.53%的C、0.30~0.40%的Si、0.84~0.90%的Mn、0.35~0.40%的Cr、0.045~0.055%的Mo、0.020~0.035%的Al、0.015~0.025%的S、0.0090~0.0110%的N、0.015~0.025%的Nb、≤0.012%的P、≤0.15%的Ni、≤0.0005%的B、≤0.0015%的O、≤0.00015%的H，余量为Fe。
下面具体说明本发明的高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢化学成分的限定理由：
C：鉴于C元素在强度、硬度和耐磨性能方面的显著作用，且成本优势明显，但是过高C含量又会对其塑性带来不利影响，同时考虑到该钢种开发的风险性。最后C含量取0.49~0.53%。
Si：钢中设计添加的硅主要利用其合金化作用，一般硅含量要求不应低于0.15%。通常硅在钢中固溶于铁素体或者奥氏体之中，硅改善淬透性、回火稳定性和抗氧化，但硅含量过高又会降低钢材塑性指标和钢材表面加热脱碳严重。综合考虑后，在成分设计时，将Si含量确定为0.25~0.40%。
Mn：锰可以强烈提高钢材的淬透性；锰与铁可以形成固溶体，强化基体强度；锰可以降低临界转变温度，从而细化珠光体和提高强度，一般锰含量不超过1.8%，锰含量的增加可以同时提高强度和塑性，同时考虑到该钢种开发的风险性。所以Mn含量确定为0.70~0.90%。
Mo：钼可以提高钢材淬透性；钼与锰、铬一起可以防止钢材的回火脆化倾向；钼提高钢材的回火稳定性，使得钢材可以在较高的温度下回火，从而有效消除或者降低钢材的残余应力，提高钢材的塑性；钼还可以改善钢材的耐腐蚀性能。虽说钼对改善钢材的力学性能有较好的作用，但钼的成本较高，因此结合钼对成本的影响，本钢种成分设计中仅仅微量添加，钼含量为0.045-0.060%。
Ni：镍可以强化铁素体并细化珠光体，但不显著地影响钢的塑性；对于中碳钢，由于镍降低珠光体转变温度，使得珠光体变细；镍可以提高疲劳的抗力和减少钢对缺口的敏感性；镍降低钢低温脆化转变温度，显著提高钢材的低温冲击性能，但镍的成本较高。可以根据横接头使用环境决定镍含量的加入量，当横接头用在低温环境，则Ni含量设计为0.20~0.30%，反之镍元素可以不加入。
Al：铝是一种最常用的廉价脱氧剂，用于冶炼过程中的脱氧，同时铝的存在可以平衡钢的氧，铝含量越高，钢中氧含量越低，但铝含量超过0.060%以后，钢中的氧含量变化较小；铝与钢中氮之间可以形成细小弥散分布的难容的[AlN]化合物，这种化合物可以用于抑制晶粒的粗化，根据[AlN]与晶粒度之间关系图可知，铝在钢中要发挥其细化晶粒的作用；铝含量较高也会带来很多不利的影响，其中最为不利的影响为冶炼控制上，铝含量较高时冶炼浇铸易出现结瘤。综合考虑上述因素，本发明设计铝含量为0.015~0.035%。
S：一般硫元素的存在对钢材有害，主要是会引起热脆问题，所以在优质钢中规定其含量不得大于0.035%，但在某些条件下，硫又会带来一些有利的作用，硫与锰相互结合形成硫化锰，以改善钢的切削加工性能；硫对钢的强度影响不大，但硫化物夹杂的存在，却使其延展性及韧性降低，特别是冲击韧性；较高的硫含量，将损害钢的抗腐蚀，但对钢的抗氧化性则影响不显著。综合考虑上述因素，本发明设计铝含量为0.015~0.030%。
Nb：铌在钢种的作用与钒、钛相似，主要是提高晶粒粗化温度和细化晶粒；降低钢的过热敏感性和回火脆性；正常淬火条件下铌对淬透性不利；提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力；同时铌合金价格较贵。综合考虑上述因素，本发明设计铝含量为0.010~0.025%。
[O]、[H]、[P]、B：本发明钢种对于该四种元素作为残余有害元素加以控制，考虑到成本因素，本发明钢种中该四种残余元素控制范围为O≤0.0020%、H≤0.0002%、P≤0.015%、B≤0.008%。
本发明的有益效果为：
1、本发明钢种在成分设计过程，考虑了化学成分中硫元素对改善产品车削性能，特别是加工产品热处理之后的车削性能，同时兼顾了硫元素的加入对钢中A类非金属夹杂物影响，进而影响产品的韧性，将钢中硫含量设计在0.015-0.030%。
2、本发明钢种在成分设计中，针对横接头的使用环境，选择性添加镍元素，对于低温使用环境，则适当添加一定量的镍元素，以便改善横接头的低温性能，反之从生产成本考虑，则不添加镍元素。
3、本发明钢种可以适用于各种类型的汽车横接头，横接头规格最大可以为Ф60mm。
4、采用本发明生产的直径不大于60mm的原材整体调质处理后，原材任意部位的性能如下：抗拉强度Rm=680-800Mpa；屈服强度Rel=480-550Mpa；延伸率A=17-20%；断面收缩率Z=50-59%；0℃，V型冲击功KV2=35-90J。直径不大于60mm的横接头经过调质处理后，性能如下：抗拉强度Rm=850-910Mpa；屈服强度Rel=610-700Mpa；0℃，V型冲击功KV2=38-90J。本发明钢种不仅使用规格大，而且具有高强度、高低温冲击性能，该发明钢种可以用于加工各种形状横接头，加工的横接头力学性能优良，切削性能好。
5、本发明钢种对于工艺的适应性较强，在常规钢铁企业的工艺流程（转炉或电炉+炉外精炼+连铸+轧制）中都可以生产。
附图说明
图1为实施例1调质后 Ф60mm规格横接头显微组织；
图2 为实施例2调质后 Ф30mm规格横接头显微组织。
具体实施方式
实施例1
采用以下工艺制备高性能汽车转向系统中横拉杆接头用钢：
在转炉或者电炉中冶炼后，在LF炉和真空炉中进行炉外精炼处理，LF精炼后进行常规钙变性处理，真空处理结束后向钢水中喂入一定量的硫铁线，在弧形连铸机上浇铸成方坯，钢坯经过加热，在连轧机中轧制成相应规格。
本实施例所得钢材的化学成分： C0.50%、Si0.30%、Mn0.79%、Cr0.32%、Mo0.049%、Al0.020%、P0.010%、S0.018%、Nb0.015%、Ni0.23%、B0.0005%、O0.0010%、H0.00013%、N0.0095%，余量为Fe。浇铸断面：Ф200mm，轧制钢材规格：Ф60mm。
取所得原材制成横接头，将原材和横接头整体调质处理，调质温度为860℃淬火+640℃回火，调质后原材和横接头的力学性能如表1、表2所示，调质后横接头的微观组织如图1所示。
表1 Ф60mm原材力学性能
表2 Ф60mm横接头力学性能
由表1、表2可知，由本发明钢种生产的Ф60mm钢材以及由其加工的横接头经过调质后力学性能完全满足高性能横接头的要求，且性能指标富余量较大。
由图1可知，横接头经过调质后近表面和二分之一半径处的显微组织一致性较好。
实施例2
采用实施例1相同的生产工艺，所得钢材的化学成分： C0.50%、Si0.35%、Mn0.84%、Cr0.35%、Mo0.047%、Al0.018%、P0.013%、S0.020%、Nb0.017%、Ni0.05%、B0.0007%、O0.0008%、H0.00015%、N0.0100%，余量为Fe。浇铸断面：Ф150mm，轧制钢材规格：Ф30mm。
取所得原材制成横接头，将原材和横接头整体调质处理，调质温度为860℃淬火+640℃回火，调质后原材和横接头的力学性能如表3、表4所示，调质后横接头的微观组织如图2所示。：
表3 Ф30mm原材力学性能
表4 Ф30mm横接头力学性能
由表3、表4可知，由本发明钢种生产的Ф30mm钢材以及由其加工的横接头经过调质后力学性能完全满足高性能横接头的要求，且性能指标富余量较大。
由图2可知，横接头经过调质后近表面和二分之一半径处的显微组织一致性较好。
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