CN100478480C

CN100478480C - 高性能低成本非调质钢

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Publication number: CN100478480C
Application number: CNB2008101107087A
Authority: CN
Inventors: 陈蕴博; 何光辉; 丁洁; 许岚; 唐新民; 翁伟民; 郭小钢; 左玲立; 严国卫
Original assignee: Hangzhou Iron & Steel Group Co; ZHEJIANG APPLIED ENGINEERING MATERIAL INSTITUTE; Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology
Current assignee: Hangzhou Iron & Steel Group Co; ZHEJIANG APPLIED ENGINEERING MATERIAL INSTITUTE; Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: CN101275199A

Abstract

本发明涉及一种高性能低成本非调质钢，属于微合金结构钢领域，其化学成分按重量wt%含有：C：0.30～0.55、Si：0.2～0.8、Mn：0.8～1.7、P：0.0001～0.02、S：0.0001～0.15、N/Al：0.2～1.8，其余为Fe。本发明添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓碳化物析出的廉价元素，使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度。与现有的添加V、Nb等昂贵强化元素的传统非调质钢相比，本发明解决了国际钒铁和铌铁合金原料价格攀升带来的问题，显著降低钢材的生产成本，简化制备工艺，特别适用于量大面广的机械制造业及汽车等行业热锻、轧件和直接切削用构件的生产。

Description

高性能低成本非调质钢

技术领域

本发明属微合金结构钢领域，特别涉及一种不含V、Nb等昂贵强化元素的高性能低成本非调质钢。

背景技术

非调质钢因其添加微合金化元素，可以在省去锻(轧)后热处理前提下使强度、塑性等指标达到调质钢的水平，从而简化生产工艺，缩短生产周期，提高材料利用率，有效的实现节能节材、降耗减排的特点，可广泛用于机械制造业及汽车行业锻、轧件，呈现良好的发展前景和广阔的市场空间。然而传统的非调质钢所添加的钒铁、铌铁等原料的国际价格一直不断攀升，这不仅大大提高了非调质钢生产成本，且出现“强度有余、韧性不足”问题，阻碍了非调质钢的发展及广泛应用。为此，本发明提出了添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓碳化物析出的廉价元素，使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度，从而保证了非调质钢的节能优势，同时大大降低了钢材的生产成本，以利于生产应用。

通常，国内外微合金非调质钢的强化均通过微量强碳化元素(通常是V、Nb等)，利用控制锻造或轧制及随后冷却速度来控制沉淀物的析出及晶粒细化。V、Nb等微合金化元素均以化合物和固溶状态存在于非调质钢之中，表现为其碳氮化物因形变诱导析出，有效钉扎奥氏体晶界使晶粒不会长大，同时V、Nb碳氮化物沉淀在晶界和位错上，阻止再结晶和位错运动，抑制再结晶过程的进行。并且V、Nb碳氮化物对非调质钢起到显著的沉淀强化的作用。此外，钢中加入V、Nb等强碳化物形成元素，固定钢中一部分C、N，可改变铁素体的形态和分布，并对钢中铁素体与珠光体的相对量的变化产生影响。

德国蒂森公司七十年代初创制的国际上第一种非调质钢49MnVS3就是采用V微合金强化机理而研制开发的。该非调质钢用于汽车曲轴，为热锻用钢材，是强度高、塑性良好的铁素体-珠光体型非调质钢。我国目前工业应用的大多为含钒非调质钢，如GB/T15712-1995标准中的热锻用非调质钢F45V、F35MnVN、F40MnV等，其中均含有0.06～0.13％的V。而由此发展的非调质钢也是在原有基础上复合添加了Ti(0.01～0.12％)，如F40MnVTi和25MnSiVTi等，其生产制造成本较高。含铌微合金非调质钢研究及应用成熟的国家是巴西，巴西国家标准微合金非调质钢有50MnNb和Perlitico De forja(z)等，均含有0.05～0.10％的Nb。国际标准ISO微合金非调质钢中的19MnVS6、30MnVS6、38MnVS6、46MnVS6以及46MnVS3等，均含有0.08～0.20％的V。

目前，我国有关微合金非调质钢的发明专利中，均没有涉及到不添加V、Nb等强化元素的内容。

发明内容

针对现有微合金非调质钢均需通过添加V、Nb等元素来实现强化的同时大大提高了非调质钢成本的问题，本发明提出了一种高性能低成本非调质钢，采用廉价元素进行强化，为解决因添加贵重元素带来的钢材成本增高提供了新的思路，为非调质钢的性能优化提供了创新技术，促进其在量大面广的机械制造业及汽车行业热锻、轧件和直接切削用构件的生产。

本发明的高性能低成本非调质钢，按重量百分比由以下元素组成：C：0.30～0.55、Si：0.2～0.8、Mn：0.8～1.7、P：0.0001～0.02、S：0.0001～0.15，N/Al：0.2～1.8(其中Al：0.0001～0.05％)，其余为Fe和不可避免的杂质。按该成分范围，采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线。创新了LF精炼过程顶渣控制技术、增氮技术、以及夹杂物变性处理和控轧-控冷等技术。严格控制有害元素含量，以提高钢的纯净度和成分控制精度。

本发明所述的高性能低成本非调质钢，不含有V、Nb等强化元素，通过添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓碳化物析出的廉价元素，使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度。

所述的高性能低成本非调质钢，在材料连铸连轧过程中控制AlN微细沉淀析出，以抑制奥氏体再结晶晶粒和铁素体晶粒长大，获得细晶强化，变革传统微合金非调质钢强化模式。钢中适量的AlN或TiN可以提高钢的机械性能，能有效地控制奥氏体晶粒度，细化晶粒。试验检测结果表明：(1)当变形量相同而冷却速度不同时，AlN析出相的量几乎没什么变化，而变形量增大时，AlN析出量明显增多。这表明，适当的增大轧制压下量有利于AlN的析出，而冷却速度的变化对AlN的析出影响不大。(2)钢中氮与铝比值(N/Al)的变化对其组织和性能有较为明显的影响。随钢中N/Al比值增大，塑性提高；随钢中N/Al比值增大，AlN相质点尺寸减小，弥散度增大，钢的晶粒度增大，显微组织明显细化。

所述的高性能低成本非调质钢，通过控制夹杂物成分，细化夹杂物颗粒，弱化裂纹的萌生与扩展，使其具有高的疲劳强度。该新钢种中夹杂物包括硫化物、氧化铝、硅酸盐以及球状氧化物等。钢中夹杂物经过热加工后，可能成长条、纺锤或者圆球等形状，其中后两者有利于韧性和切削性能的提高。通过铝脱氧和添加合金变性处理冶炼工艺，以控制夹杂物形态、尺寸、含量、分布及变形参数，以提高钢的力学性能及等向性能，还可弱化裂纹萌生与扩展，提高疲劳强度。

本发明生产出的高性能低成本非调质钢，显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为5～9级；力学性能为Rm≥850MPa，Rel≥550MPa，A≥16％，Z≥40％，A_ku2≥40J。

本发明中有关合金元素在钢的作用，叙述如下：

C：0.30～0.55％，碳对非调质钢强度和硬度的影响最大，是最有效的强化元素之一，同时又是最廉价的化学元素。但是碳含量过高会明显降低钢的塑性和韧性。

Si：0.2～0.8％，硅能显著强化铁素体，具有较强的固溶强化效果。但过高的硅降低钢的韧性和其他工艺性能。

Mn：0.8～1.7％，锰是合金元素中，对非调质钢的强度、韧性都有良好作用的元素。锰铁合金价格较低，选择合适的锰含量，有利于提高非调质钢的性能，并有较好的性价比。但是当锰的含量过高时，易于出现贝氏体组织，恶化钢的韧性，并对热、冷加工等工艺性能产生不利的影响。

P：0.0001-0.02％，本发明中磷在钢种属于有害元杂质元素，易形成带状组织，增大钢的冷脆性。因此含量越低越好。

S：0.0001～0.15％，本发明中适量的硫可以形成对切削加工有利的夹杂物，从而改善钢的切削加工性能。

N/Al：0.2～1.8(其中Al：0.0001～0.05％)，本发明中的铝是为了脱氧和减小晶粒尺寸，与钢中的氮结合成AlN，作为晶粒尺寸细化剂和析出促进剂，有效阻止奥氏体晶粒粗化，得到细小的铁素体晶粒，有利于提高钢的韧性。二者的比值对钢的机械性能有着明显的影响。

本发明技术方案中还可含有Ti：0.0001～0.15％，其中Ti的碳氮化合物是稳定的化合物，具有明显的细化晶粒的作用。

本发明提供的钢种已经通过汽车某零件技术指标考核，并可应用于机械制造业以及汽车、冶金、石化等行业用各类轴、杆件、齿轮或其他零件。本发明钢种具有以下优点：

1、价格低廉，优化了钢种力学性能。与现有的传统非调质钢相比，制造成本大大减小，并避免了由于钒、铌等贵重元素国际价格的浮动对钢材生产造成的影响。实现了钢种的强韧性、性价比的最佳匹配。

2、使用性能优异。与现有传统非调质钢相比，塑韧性均有不同程度提高，构件的疲劳试验、道路路况等试验表明，其使用性能优异。

3、钢种的生产、制备工艺简单。与传统非调质钢相比，采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线，生产工艺易于控制和掌握，制品质量及组织性能达到规定的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施实例来进一步说明本发明。

发明实施例

本发明涉及的面向未来高性能低成本非调质钢，按重量百分比由以下元素组成：C：0.30～0.55、Si：0.2～0.8、Mn：0.8～1.7、P：0.0001～0.02、S：0.0001～0.15，N/Al：0.2～1.8(其中Al：0.0001～0.05％)。其余为Fe。所述的高性能低成本非调质钢不含V、Nb等昂贵元素，通过变革成分配置和优化制备工艺实现强韧化。所述高性能低成本非调质钢显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为5～9级；力学性能为Rm≥850MPa，Rel≥550MPa，A≥16％，Z≥40％，A_ku2≥40J。制备方法为：(1)冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼，出钢、采用炉外精炼至化学成分范围符合要求，保护浇注；(2)控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1000～1280℃，开轧温度1000～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为10～180℃/min。

其中，优选本发明技术方案中另含重量百分比Ti：0.0001～0.15％。

根据本发明钢种设计成分，采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线，对试验用钢进行化学成分分析及力学性能检测。

所述初炼，炉内加优质废钢并配置铁水比例为30～40％，冶炼用原辅材料应保持干燥，严格控制钢中的磷、砷、铅等有害元素；出钢温度为1600～1680℃。

所述炉外精炼的时间为30～50分钟，在精炼合金化过程中，所有脱氧合金化结束后，依次加入Mn、FeS、MnN、Al合金、Ti合金等；精炼后进行钙处理，促进加杂物的上浮和“变性”。

所述连铸工序采用全过程保护浇注，开启结晶器电磁搅拌装置，目标过热度为10～30℃，冷却强度为中弱冷，拉速为0.6～3.6m/min。

轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1000～1280℃，开轧温度1000～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为10～180℃/min。

试验钢与传统非调质钢成分、性能比较见表1、表2。

对比例1：中国GB/T15712-1995标准中F45V热锻用非调质钢。

对比例2：中国GB/T15712-1995标准中F35MnVN热锻用非调质钢。

对比例3：中国GB/T15712-1995标准中F40MnV热锻用非调质钢。

表1试验钢与传统非调质钢实际成分(wt％)比较

表2试验钢与传统非调质钢性能比较

	Rm/MPa	Rel/MPa	A/％	Z/％	A<sub>ku2</sub>/J	HB
	Rm/MPa	Rel/MPa	A/％	Z/％	A<sub>ku2</sub>/J	HB	发明例	≥850	≥550	≥16	≥40	≥40	≤258
对比例1	≥685	≥440	≥15.0	≥40.0	≥32	≤257	发明例	≥850	≥550	≥16	≥40	≥40	≤258
对比例1	≥685	≥440	≥15.0	≥40.0	≥32	≤257	对比例2	≥785	≥490	≥15.0	≥40.0	≥39	≤269
对比例3	≥785	≥490	≥15.0	≥40.0	≥36	≤275	对比例2	≥785	≥490	≥15.0	≥40.0	≥39	≤269

由表1、2可以看出，实施实例的发明钢中，完全不添加V、Nb元素，而是通过变革成分配置和优化制备工艺，使其机械性能达到或优于对比例钢的性能。

对本发明实例钢进行生产试用，通过采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线，再经控制锻造及锻后控冷，制成汽车某零件，取力学试样分析检测，其平均性能指标与汽车该零件技术要求比较见表3。

表3本发明生产用钢与汽车某零件技术要求性能比较

类别	Rm/MPa	Rel/MPa	A/％	A<sub>ku2</sub>/J	HB
类别	Rm/MPa	Rel/MPa	A/％	A<sub>ku2</sub>/J	HB	本发明锻后实际性能	920	570	18	30	254
技术要求	800～950	≥480	15	20	242～285	本发明锻后实际性能	920	570	18	30	254

由表3可知，采用本发明设计的非调质钢经过采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线，再经控制锻造及控冷工艺后，在不添加贵重元素(V、Nb等)前提下，依靠廉价元素进行强韧化就可以达到汽车零件使用性能要求。可供汽车零件生产商可对本发明钢进行批量订货和使用。

Claims

1.一种非调质钢，其特征在于，化学成分范围按重量百分比计为：C：0.30-0.55，Si：0.2-0.8，Mn：0.8-1.7，P：0.0001-0.02，S：0.0001-0.15，N/Al：0.2-1.8，其中Al：0.0001-0.05，其余为铁，所述的非调质钢显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为5-9级，力学性能为Rm≥850MPa，Rel≥550MPa，A≥16％，Z≥40％，A_ku2≥40J，其制备方法为：(1)冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼，出钢、采用炉外精炼至化学成分符合上述要求，保护浇注；(2)控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1000-1280℃，开轧温度1000-1200℃，终轧温度850-1050℃，轧材的冷却速度为10-180℃/min。

2.如权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，按重量百分比计还含有Ti：0.0001-0.15。