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CN116815054A - 一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法 - Google Patents

一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法 Download PDF

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CN116815054A CN202310792424.5A CN202310792424A CN116815054A CN 116815054 A CN116815054 A CN 116815054A CN 202310792424 A CN202310792424 A CN 202310792424A CN 116815054 A CN116815054 A CN 116815054A
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唐鹏
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Abstract

本发明提供了一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法，成分为C0.05％～0.10％、Si 0.36％～0.48％、Mn 1.9％～2.3％、Cr 0.4％～0.60％、Nb 0.02～0.04％、B 0.0005％～0.0030％、Ti 0.04～0.06％、Alt 0.015％～0.035％、P≤0.020％、S≤0.020％、T.O≤0.0020％、N≤0.0070％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明通过成分和生产方法控制，获得的产品热轧态显微组织为：粒状贝氏体+铁素体双相组织，经过拉拔和稳定化处理后有良好的强度和塑韧性，可用于生产汽车紧固件产品。

Description

一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法
技术领域
本发明属于非调质冷镦钢技术领域，尤其涉及一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法。
背景技术
紧固件是一种非常重要而又量大面广的最普通的通用基础件，广泛应用于机械制造、工程结构、铁路、汽车及拖拉机、建筑等行业中，约有70％的被联接件和组合装置是由紧固件联接的。紧固件主要靠冷镦成形，材料在制作过程中要承受高达70～80％的总变形量，要求材料在冷镦前有较好的塑性和低的硬度，因而传统工艺生产的冷镦钢线材需在冷镦和拉拔前进行耗时耗能的球化退火和调质这两道热处理工序。
近年来迫于节能降本的压力，紧固件生产厂家迫切要求钢厂开发能省去调质处理和拉拔前球化退火处理的新型节能冷镦钢线材，代替调质钢，不仅可节约能源，据统计每吨钢最高可节省电能近2500kw·h，此外，还可以避免因热处理而造成的淬火裂纹、工件变形、表面氧化脱碳等问题，不仅简化工艺，提高生产效率，对节能、降耗和减少环境污染具有特别重要的意义和必要性，具有显著的经济效益和社会效益，因此在国内外已得到较为广泛的应用。
目前国内外主要是通过采用微合金化、控轧控冷，及冷加工硬化达到同等调质钢水平。国际上20世纪80年代开始冷作强化非调质钢的研究开发，国内也开发成功非调质冷镦钢，可用于生产螺丝、牙条等变形量较小的紧固件，主要面向机械、建筑行业。但也存在一定的问题，例如强度偏高导致模具损耗比较大、无法生产变形量比较大的产品、强韧性限制产品应用范围有限，无法应用与汽车、航空等高档产品。尤其是10.9非调质冷镦钢自开发成功以来一直没有批量应用，开发经济型高强韧非调质冷镦钢产品是亟待解决的问题。
2008年7月16日公开的公开号为CN101220439A的专利公开了高强度紧固件用非调质双相冷镦钢及其制造方法。其组分及其重量百分比为：C0.06～0.15％；Si0.60～0.90％；Mn1.40～2.0％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al≤0.04％；N≤0.0060％；V0.03～0.10％；Nb0.04～0.08％；Fe余量。原材料所需要的组织、性能通过调整材料的化学成分、控轧控冷得到，既节约了能源，而且不会污染环境。但该发明强度最高达到9.8级，无法满足10.9级高强度紧固件使用要求，且显微组织总含有15-30％的马氏体，拉拔过程中模具损耗比较大，无法批量应用。
2019年2月5日公开的公开号为CN109306435A公开了具有良好低温冲击性能的非调质冷镦钢盘条及其制备方法，所述非调质冷镦钢盘条化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.13～0.23％，Si≤0.30％，Mn：1.00～1.40％，P≤0.025％，S≤0.015％，V≤0.10％，Ti≤0.08％，Al：0.010～0.040％，B：0.0010～0.0035％，Cr≤0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；所述制备方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序。其通过化学成分设计，结合良好加热制度、轧制工艺和控冷工艺，得到具有较高的强度和低温冲击韧性非调质冷镦钢盘条，可满足下游客户采用冷镦工艺生产双头铆钉的要求。但该发明组织为铁素体+珠光体组织，抗拉强度最高达到9.8级，无法满足10.9级高强度紧固件使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济型高强韧非调质冷镦钢及其生产方法，通过成分设计和匹配的工艺生产，不仅具有优良的性能，可用来制作抗拉强度1000MPa以上的高强度汽车紧固件，同时省去球化退火和调质处理；而且未添加大量Ni等贵金属成分，成本低，属于经济型产品，具有广阔的市场前景。
本发明具体技术方案如下：
一种经济型高强韧非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：
C 0.05％～0.10％、Si 0.36％～0.48％、Mn 1.9％～2.3％、Cr 0.4％～0.60％、Nb 0.02～0.04％、B 0.0005％～0.0030％、Ti 0.04～0.06％、Alt 0.015％～0.035％、P≤0.020％、S≤0.020％、T.O≤0.0020％、N≤0.0070％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
所述经济型高强韧非调质冷镦钢的成分还满足4.0≤A值≤6.0；A值＝[Mn]/[Si]。
本发明提供的一种经济型高强韧非调质冷镦钢的生产方法，包括以下工艺流程：
按照成分配比进行配料→铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→小方坯连铸→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
所述铁水预处理：经预处理脱硫，脱硫目标值S≤0.005％。
所述转炉冶炼：终点C控制在≤0.10％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢1/5-1/4钢水时加入精炼渣和石灰，出钢1/4-1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：铝铁→渣料→硅锰→高碳铬铁→增碳剂，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
所述LF精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；脱氧剂选用铝粒(铝基还原剂)；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R4-6，白渣时间≥20分钟，根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Nb、B、Ti含量。
所述小方坯连铸：采用150mm小方坯连铸，为了获得低偏析铸坯，采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌频率1.5-2.5Hz，电流150-250A，末端电磁搅拌频率2.0-4.0Hz，电流220-320A，过热度控制在20-40℃，拉速2.0-2.2mm/min，获得无缺陷铸坯。
所述高线轧制：通过上述步骤可获得合格的轧制原料钢坯，可实现φ5.5-25mm线材轧制；高线轧制采用低温大变形量轧制，轧制变形量≥50％以上。
优选的，所述高线轧制，控制开轧温度940～1000℃，低温轧制终轧温度730～780℃，低温大变形下诱导铁素体相变；为了获得粒状贝氏体+铁素体双相组织，采用先快冷后慢冷的方式，先以冷却速率3～5℃/s冷至400～450℃，然后以冷却速率0.5～0.9℃/s，冷却至350～400℃，最后空冷至室温。
优选的，高线轧制后，进入LCC辊道控制冷却，为了获得粒状贝氏体+铁素体双相组织，采用先快冷后慢冷的方式，前3台保温罩盖打开，风机开到100％快速冷却，冷却速率3～5℃/s冷至400～450℃，避免珠光体组织的产生；后面4到11台风机全关，保温罩盖全部关闭，冷却速率0.5～0.9℃/s，避免马氏体组织的产生，然后出保温隧道待温度至350～400℃集卷、上钩，随后空冷至室温打包、称重。
为实现经济性，本发明采用转炉“一火成材”工艺。
按照上述方法生产的经济型高强韧非调质冷镦钢热轧态显微组织为：粒状贝氏体+铁素体双相组织，且粒状贝氏体面积含量75％-85％，抗拉强度为850MPa≥Rm≥780MPa；一方面粒状贝氏体含量低于75％，无法获得足够强度从而满足10.9级高强度冷镦钢要求；另一方面一定量的铁素体可保证材料良好的韧性，用于生产法兰面螺栓、内六角螺栓等变形量较大的汽车紧固件产品。
以上方法生产的经济型高强韧非调质冷镦钢，采用冷拔→冷镦成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理，加工成紧固件，其中低温稳定处理工艺：加热200±10℃保温90±5min空冷，可与镀锌、达克罗等表面处理工艺相结合实现。同时可省去淬火+回火处理，属于经济型产品。
上述方法生产的经济型高强韧非调质冷镦钢经过上述拉拔和稳定化处理后，产品抗拉强度Rm≥1020MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥14％，断面收缩率Z≥54％，-40℃低温冲击功KV2≥30J，钢材的奥氏体晶粒度≥10.0级，有良好的强度和塑韧性，采用本发明生产盘条可用于制造法兰面螺栓、内六角螺栓等汽车紧固件产品，且模具损耗与球化退火紧固件相当。
本发明设计思路如下：
C：C元素虽然是是获得高的强度、硬度所必需的，但一方面为了获得以贝氏体为主的非调质钢，C含量不能高于0.1％，否则容易得到珠光体为主的显微组织，无法达到所需强度，另一方面过高的C含量使贝氏体相变温度过低，大幅度提高钢中的可动位错的密度，使屈强比降低，无法满足紧固件持久抗变形能力。同时为获得一定量的铁素体，满足塑韧性，C含量须在0.05％以上，故C含量宜控制为0.05％～0.10％。
Si：Si作为固溶体硬化元素有助于强度的提高，同时显著提高屈强比，保证紧固件成品的不变形，但硅能显著提高钢的变形抗力，对冷镦和冷挤压不利，Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，并使得C的活性增加，促进钢在轧制加热过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.36％～0.48％。
Mn：Mn是得到贝氏体组织的最有效和经济的合金元素。为获得足够多的粒状贝氏体，提高Mn含量可有效促进贝氏体相变，且含量小于1.9％时，难以起到上述作用。但Mn含量过高，导致相变后残余奥氏体含量过高，贝氏体相变温度过低，导致钢的屈服强度及屈强比过低，无法满足紧固件持久抗变形能力，同时组织内应力过大，恶化疲劳性能。因而控制Mn含量在1.9％～2.3％。
Cr：通过固溶强化能够显著提升贝氏体铁素体硬度，弥补C含量低导致的硬度偏低，同时形成的Cr弥散碳化物可以获得高的抗疲劳性能，但含量过高会恶化钢的韧性和冷加工性，因而控制Cr含量为0.4％～0.60％。
Nb：Nb与钢中的N、C元素形成Nb(C,N)析出相，具有较强的析出强化作用，固溶的Nb可显著抑制贝氏体相变过程中C的扩散，可起到细化贝氏体铁素体作用，从而保证高的屈强比。Nb的范围可控制在0.02％～0.04％。
B：B可显著推迟铁素体开始析出线,增大获得空冷贝氏体的可能性，但B含量过高易产生热脆，影响热加工性能，因此将B控制在0.0005％～0.0030％。
Ti：高温析出的第二相微粒对原始奥氏体晶界起到钉扎作用，细化奥氏体，低温区域析出的粒子成为铁素体、珠光体转变的形核点，提高铁素体的形核率，细化铁素体。最终使得生产的钢具有超细晶，呈现出优异的强度和塑性配合，在不退火的情况下可直接拉拔和冷镦。过高的Ti含量易产生液析大颗粒TiN夹杂物，降低钢的疲劳性能，还易导致锻造裂纹的产生，因此，Ti含量应控制在0.04～0.06％。
Alt：Alt是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，Alt元素还能细化奥氏体晶粒。另外本发明添加较高Alt元素，与氮结合形成AlN，减少位错的钉扎效应，显著降低蓝脆倾向，同时提高冲击韧性，但Alt含量过高，会形成粗大的碳氮化物引起夹杂物含量增大，耐延迟断裂性降低。Alt含量控制在0.015％～0.035％。
S和P：S、P等杂质元素在晶界处偏聚，将使耐延迟断裂性能大大降低。P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性；S元素形成Mn S夹杂和在晶界偏析，从而增加钢的延迟断裂敏感性，因而P、S含量控制在P≤0.020％、S≤0.020％。
T.O和N：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量控制T.O≤0.0020％；N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N≤0.0070％。
本发明为了降低强度降低模具损耗，实现经济型高强韧非调质生产，拟通过获得铁素体组织取代一部分贝氏体，从而实现降低强度的目的。具体的主要是采用低C-高Mn成分体系来实现低强度、高塑韧性，获得以粒状贝氏体为主的显微组织，同时通过提高Si含量提高获得少量铁素体的同时，可以提高屈强比，另外弥补C含量带来的强度降低。本发明中的A值需满足一定的范围，是为了获得粒状贝氏体+铁素体的双相组织，A值太小铁素体含量较多，抗拉强度无法达到1000MPa级，A值太大无法获得铁素体组织，有可能获得全针状贝氏体甚至是马氏体，强度太高不利于后续加工，且韧性不足，增加成本。同时添加Nb、Ti等细化晶粒元素，提高强韧性，最终获得粒状贝氏体+铁素体的双相组织。
与现有技术相比，本发明通过成分和生产方法工艺控制，获得的产品热轧态显微组织为：粒状贝氏体+铁素体双相组织，经过拉拔和稳定化处理后抗拉强度Rm≥1020MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥14％，断面收缩率Z≥54％，-40℃低温冲击功KV2≥30J，钢材的奥氏体晶粒度≥10.0级，有良好的强度和塑韧性，可用于生产汽车紧固件产品，且模具损耗与球化退火紧固件相当。
附图说明
图1为本发明经济型高强韧非调质冷镦钢的热轧态显微组织，为粒状贝氏体+铁素体。
具体实施方式
实施例1-实施例5
一种经济型高强韧非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例1-对比例4
一种经济型高强韧非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1本发明实施例化学成分(wt％)
案例 C Si Mn Cr Nb B Ti Alt P S T.O N A值
实施例1 0.10 0.40 2.0 0.45 0.02 0.0007 0.060 0.020 0.006 0.004 0.0016 0.0040 5.00
实施例2 0.05 0.48 2.3 0.60 0.04 0.0025 0.048 0.018 0.008 0.005 0.0015 0.0048 4.79
实施例3 0.08 0.36 1.9 0.55 0.03 0.0030 0.054 0.025 0.007 0.003 0.0018 0.0043 5.28
实施例4 0.06 0.40 2.1 0.58 0.04 0.0020 0.040 0.015 0.005 0.004 0.0014 0.0037 5.25
实施例5 0.07 0.42 2.2 0.40 0.03 0.0005 0.058 0.035 0.010 0.007 0.0015 0.0054 5.24
对比例1 0.37 0.15 1.8 0.45 0.02 0.0010 0.050 0.018 0.009 0.006 0.0016 0.0055 12.00
对比例2 0.08 0.45 2.2 0.58 / / / 0.022 0.008 0.008 0.0015 0.0060 4.89
对比例3 0.07 0.48 1.9 0.52 0.03 0.0015 0.052 0.025 0.010 0.008 0.0018 0.0058 3.96
对比例4 0.10 0.40 2.0 0.45 0.02 0.0007 0.060 0.020 0.006 0.004 0.0016 0.0040 5.00
以上各实施例和对比例的经济型高强韧非调质冷镦钢的生产方法，采用转炉“一火成材”工艺，具体工艺流程为：
按照给出的化学成分配比进行配料→铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→小方坯连铸→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
1)铁水预处理：经预处理脱硫，脱硫目标值S≤0.005％。
2)转炉冶炼：终点C控制在≤0.10％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢约1/5钢水时加入精炼渣和石灰，出钢约1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：铝铁→渣料→硅锰→高碳铬铁→增碳剂，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
3)LF炉精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；脱氧剂选用铝粒(铝基还原剂)；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R4-6，白渣时间≥20分钟，根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Nb、B、Ti含量。
4)150mm小方坯连铸：为了获得低偏析铸坯，采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌频率2.0Hz，电流200A，末端电磁搅拌频率3.0Hz，电流280A，过热度控制在20～40℃，拉速2.0-2.2mm/min，获得无缺陷铸坯。
5)高线轧制：通过上述步骤可获得合格的轧制原料钢坯，可实现φ5.5-25mm线材轧制。高线轧制采用低温大变形量轧制，轧制变形量≥50％以上。开轧温度940～1000℃，低温轧制终轧温度730～780℃，低温大变形下诱导铁素体相变。随后进入LCC辊道控制冷却。为了获得粒状贝氏体+铁素体双相组织，采用先快冷后慢冷的方式，前3台保温罩盖打开，风机开到100％快速冷却，冷却速率3～5℃/s冷至400～450℃，避免珠光体组织的产生；后面4到11台风机全关，保温罩盖全部关闭，冷却速率0.5～0.9℃/s，避免马氏体组织的产生，然后出保温隧道待温度至350～400℃集卷、上钩，随后空冷至室温打包、称重。
以上各实施例和对比生产工艺参数如表2所示。
表2各实施例和对比生产工艺参数
对比例4在生产中，没有采用先快冷后慢冷的方式，而是直接冷却。其他实施例和对比例按照本申请方法采用先快冷后慢冷的方式冷却。
以上各实施例和对比例生产的经济型高强韧非调质冷镦钢，采用冷拔→冷镦成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理，加工成紧固件，其中低温稳定处理工艺：加热200±10℃保温90min空冷，生产的产品性能如表3所示。
力学性能测试方法GB/T 228.1金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法；
表3各实施例和对比例产品性能
通过以上可以看出，本申请实施例不需要调质处理，经过200℃±10℃保温90min后，产品抗拉强度Rm≥1020MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥14％，断面收缩率Z≥54％，-40℃低温冲击功KV2≥30J，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级，说明实施例具有较好的强韧性。
对比例1是高C、低Si的成分设计体系，获得铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体组织，热轧态强度偏高拉拔模具损耗偏大无法使用；对比例2是未添加Nb、Ti微合金元素，与实施例相比，晶粒明显粗大，塑韧性不足。对比例3是化学成分满足本发明要求，但A值不在本发明范围内，贝氏体含量偏低，强度不足。对比例4是采用实施例1的化学成分调质处理后的力学性能，具体调质处理工艺淬火890℃，保温90min，回火490℃，保温100min；对比例4采用常规轧制工艺无法得到粒状贝氏体+铁素体组织，且热轧态强度偏高，不能省去球化处理，必须经过调质处理后才能达到10.9级强度要求，不能实现省去调质处理的目的。

Claims (10)

1.一种经济型高强韧非调质冷镦钢，其特征在于，所述经济型高强韧非调质冷镦钢包括以下质量百分比成分：
C 0.05％～0.10％、Si 0.36％～0.48％、Mn 1.9％～2.3％、Cr 0.4％～0.60％、Nb0.02～0.04％、B 0.0005％～0.0030％、Ti 0.04～0.06％、Alt 0.015％～0.035％、P≤0.020％、S≤0.020％、T.O≤0.0020％、N≤0.0070％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的经济型高强韧非调质冷镦钢，其特征在于，所述经济型高强韧非调质冷镦钢的成分还满足4.0≤A值≤6.0；A值＝[Mn]/[Si]。
3.一种权利要求1或2所述的经济型高强韧非调质冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：
按照成分配比进行配料→铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→小方坯连铸→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述铁水预处理：经预处理脱硫，脱硫目标值S≤0.005％。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼：终点C控制在≤0.10％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢1/5-1/4钢水时加入精炼渣和石灰，出钢1/4-1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：铝铁→渣料→硅锰→高碳铬铁→增碳剂。
6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述LF炉精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；脱氧剂选用铝粒；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R4-6，白渣时间≥20分钟。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸：采用150mm小方坯连铸，采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌频率1.5-2.5Hz，电流150-250A，末端电磁搅拌频率2.0-4.0Hz，电流220-320A，过热度控制在20-40℃，拉速2.0-2.2mm/min。
8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述高线轧制：轧制变形量≥50％以上，开轧温度940～1000℃，终轧温度730～780℃；采用先快冷后慢冷的方式，先以冷却速率3～5℃/s冷至400～450℃，然后以冷却速率0.5～0.9℃/s，冷却至350～400℃，最后空冷至室温。
9.根据权利要求3-8任一项所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法生产的经济型高强韧非调质冷镦钢热轧态显微组织为：粒状贝氏体+铁素体双相组织，粒状贝氏体面积含量75％-85％；抗拉强度为850MPa≥Rm≥780MPa。
10.根据权利要求3-8任一项所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法生产的的经济型高强韧非调质冷镦钢经拉拔和稳定化处理后，产品抗拉强度Rm≥1020MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥14％，断面收缩率Z≥54％，-40℃低温冲击功KV2≥30J，钢材的奥氏体晶粒度≥10.0级。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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