CN100560773C - 一种高强度耐疲劳钢材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度耐疲劳钢材及其制造方法，属特种钢及其冶炼技术领域。本发明通过添加适量的Nb、Ti元素微合金化，采用复吹转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、加热、高压水除鳞、热连轧、层流冷却、卷取工艺，生产出成分重量百分比为：C%0.07～0.13，Si%0.15～0.35，Mn%1.0～1.3，P%≤0.025，S%≤0.010，Nb%0.015～0.020，Ti%0.010～0.025，Alt%0.015～0.050，其余为Fe和微量杂质的高强度耐疲劳钢，该种钢疲劳极限达到529MPa，强度高、韧性好、成型性能优良，用于制造重卡、轻卡等载重车车架的纵梁、横梁等构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢，特别是一种用于制造重卡、轻卡等载重车的车架纵梁、横梁等结构件的高强度耐疲劳钢材及其制造方法，属特种钢及其冶炼技术领域。
背景技术
汽车大梁作为汽车的重要承重部件，其使用寿命将直接决定着整车的使用期限。汽车大梁钢的使用条件决定了该钢种必须具有一定的强韧性、良好的冷弯性能、耐疲劳性能，尤其是抗疲劳性能是该类钢材重要的性能指标之一。同时该种钢材还应具有较好的低温冲击韧性，此外，对板形，尺寸精度都有较高要求。
目前国内的宝钢、武钢、鞍钢等企业在汽车大梁钢研究上起步较早。宝钢集团梅山钢铁公司采用铌钛微合金化生产的汽车大梁钢BM510L，金相组织均匀，力学性能波动小，具有良好的成型性能、抗疲劳性能及低温韧性，其疲劳试验的设备为10HFP1478疲劳试验机，疲劳极限为447N/mm2(参见《梅山科技》2005年第1期万兰凤P27-32)。武钢新型含Nb汽车大梁板WL510钢实际化学成分为：C％：0.08～0.11，Si％：0.10～0.30，Mn％：1.32～1.50，P％：0.009～0.024，S％：0.001～0.03，Nb％：0.010～0.030。WL510钢的疲劳试验在“PLG-100高频疲劳试验机”上进行的，疲劳极限为450MPa(参见《特殊钢》，2002年第23卷增刊钟定忠P56-58。)现有的汽车大梁钢疲劳极限值均不太理想。
中国发明专利文件CN1824816(申请号200510024059.5)公开了“一种加长型汽车大梁用钢及其制造方法”，其化学成分的重量百分比为：C％：0.07～0.12，Si％：0.15～0.40，Mn％：1.00～1.50，P％≤0.025，S％≤0.015，Nb％：0.020～0.050，V％：0.025～0.050，Ti％：0.010～0.030，微量Ca，其余为铁和残余的微量杂质。连铸成板坯，热轧采用控轧控冷工艺，板坯加热至1180～1250℃，粗轧后温度1020℃～1060℃，终轧温度为840℃～880℃，轧后的板卷经层流冷却快速冷却到560℃～620℃卷取温度范围，下屈服强度≥355MPa，抗拉强度510～586MPa，延伸率≥24％。该发明采用了添加多元微合金Nb-V-Ti，总量较高，成本上升，仍无法满足市场对于高强度耐疲劳特种钢的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高强度耐疲劳钢材及其制造方法。
本发明的技术方案如下：
一种高强度耐疲劳钢材，钢的化学成分如下，均为重量百分比：
C％：0.07～0.13，Si％：0.15～0.35，Mn％：1.0～1.3，P％≤0.025，S％≤0.010，Nb％：0.015～0.020，Ti％：0.010～0.025，Alt％：0.015～0.050，其余为Fe和残余的微量杂质。
本发明钢成分的确定，首先保证强度的要求，其次是冷弯成型性能，最后考虑用户使用性能。基于强度、冲击韧性以及汽车大梁钢性能的要求，控制碳含量在0.07～0.13％，Mn在1.0～1.3％范围内，添加Nb、Ti微合金化提高强度，控制Nb：0.015～0.020％，Ti：0.010～0.025％。为保证钢水的洁净度，本发明还对S、P、Al等元素提出了控制要求，P≤0.025％，S≤0.010％，Alt：0.015～0.050％。
上述的高强度耐疲劳钢，优选的，钢的化学成分如下，均为重量百分比：
C％：0.09，Si％：0.22，Mn％：1.07，P％≤0.001，S％≤0.010，Nb％：0.019，Ti％：0.020，Alt％：0.028，其余为Fe和残余的微量杂质。
一种高强度耐疲劳钢材的制造方法，包括铁水脱硫预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、轧制；铁水脱硫后进入转炉冶炼并脱氧及合金化处理，然后进入精炼炉精炼并喂入Si-Ca线进钙化处理，精炼后的钢水由连铸机进行全程保护浇注，连铸坯再轧制得成品，其特征在于钢的化学成分按重量百分比如下：
C％：0.07～0.13，Si％：0.15～0.35，Mn％：1.0～1.3，P％≤0.025，S％≤0.010，Nb％：0.015～0.020，Ti％：0.010～0.025，Alt％：0.015～0.050，其余为Fe和残余的微量杂质；精炼炉精炼时先喂入钛线，连铸坯出拉矫机宽面温度与窄面温度之差小于40℃，连铸坯在加热炉中将加热时间控制在120-150分钟，轧制采用1500宽带两段热轧制，粗轧末道次温度1030～1100℃，精轧终轧温度850～900℃±20℃，卷取温度600～650℃±15℃。
本发明通过控制合适的Ti含量，改善了铸坯质量，有效地解决了含Nb钢边裂问题。
在加热炉中将加热时间控制在大于120分钟，有效地消除了由于连铸坯成分偏析造成的带状组织；通过控轧控冷工艺，使材质组织细小、均匀，有效地提高了产品的强韧性和耐疲劳性能。
进一步优选的，可考虑以下工艺条件：
1、上述高强度耐疲劳钢材的制造方法，其中铁水预处理在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，铁水中硫含量的重量百分比控制在0.010％以下，温度不低于1250℃。
2、上述高强度耐疲劳钢材的制造方法，其中转炉冶炼时，造渣料于终点前3分钟加完，终点控制碳、硫重量百分数应满足如下条件：C＜0.06％，S＜0.010％；转炉出钢前在钢包底加入合成渣，采用单渣工艺冶炼，终渣碱度控制在2.8-3.5。采用铝锰钛脱氧，用量1kg/t。合金化处理：在放钢四分之一时，开始加入硅锰、中锰、铝锰钛、铌铁，钢水出至四分之三时加完。合成渣可选用本领域通用产品，合成渣加入量750-850kg/炉，最佳800kg/炉。
3、上述高强度耐疲劳钢材的制造方法，其中钢包精炼是在精炼炉中喂入钛线，使钢水中含Ti量在0.010～0.025％，目的是析出有利于焊接热影响区的细TiC颗粒，采用白渣法操作，白渣保持时间12-20分钟；精炼后的钢水喂入500m-600m Si-Ca线进行钙化处理，并软吹氩气12-20分钟。
4、上述高强度耐疲劳钢材的制造方法，其中板坯连铸采用全程保护浇注，采用低碳覆盖剂(西峡县西保冶材经销有限公司产)和汽车大梁钢专用保护渣(西峡县西保冶材经销有限公司产)，为保证连铸坯质量，减少裂纹，二冷采用弱冷，拉速≤1.25m/min，浇注过程中应稳定拉速，避免拉速过大波动。
5、上述高强度耐疲劳钢材的制造方法，连铸坯经高压水除鳞、加热、热连轧、层流冷却、卷取制得成品，其中连铸坯在加热炉中将加热时间控制在120-150分钟，轧制中的粗轧采用四辊可逆轧机进行五道次粗轧，精轧采用六连轧机组精轧。
以上本发明方法中未做特别限定的，均可参照本领域现有技术。
本发明的高强度耐疲劳钢材是一种低合金高强度特种钢，用于制造重卡、轻卡等载重车车架的纵梁、横梁等结构件。
本发明与现有技术相比优良效果如下：
1、本发明钢材强度高，屈服强度410～500MPa，抗拉强度510～585MPa，延伸率24～40％。
2、本发明钢材耐疲劳性能好，疲劳极限529MPa。
3、本发明钢材韧性好并且成型性能优良。
4、本发明由于划定了较精确的C、Si、Mn控制范围，并且严格控制S的范围，同时也给出了Nb、Ti的控制范围，采用该成分设计及工艺控制，使炼钢生产中合金成本降低，生产过程稳定且容易控制，化学成分较为稳定。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：钢的化学成分按重量百分比如下，％：
C Si Mn P S Nb Ti Alt
0.09 0.22 1.07 0.010 0.009 0.019 0.020 0.028，
其余为Fe和残余的微量杂质；
高强度耐疲劳钢材的的制造方法，步骤如下：
(1)铁水预处理
在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，铁水中硫含量的重量百分比控制在0.006％，温度不低于1250℃，脱硫完毕扒净铁水表面的渣；
(2)转炉冶炼
上述脱硫除渣后的铁水入转炉冶炼，造渣料于终点前3分钟加完，终点控制碳、硫重量百分含量C 0.05％，S 0.009％；转炉出钢前在钢包底加入800kg合成渣(70％石灰、10％萤石、10％铝灰、10％碳化硅)，采用单渣工艺冶炼，终渣碱度控制在3.0。采用铝锰钛脱氧，用量1kg/t，在放钢四分之一时，加入硅锰、中锰、铝锰钛、铌铁，钢水出至四分之三时加完；
(3)钢包精炼炉精炼
步骤(2)中得到的钢水进入精炼炉精炼，先在精炼炉喂入钛线，使钢水中含Ti量在0.020％，目的是析出有利于焊接热影响区的细TiC颗粒，采用白渣法操作，白渣保持时间14分钟；再将精炼后的钢水喂入500m Si-Ca线进行钙化处理，并软吹氩气14分钟，以去除钢中的杂质，提高钢水洁净度；
(4)板坯连铸
步骤(3)制的钢水由连铸机进行全程保护浇注，采用低碳覆盖剂(西峡县西保冶材经销有限公司)和汽车大梁钢专用保护渣(西峡县西保冶材经销有限公司)，为保证连铸坯质量，减少裂纹，二冷采用弱冷，比水量为1.0L/kg，拉速：1.10m/min，浇注过程中应稳定拉速，避免拉速过大波动，铸坯出拉矫机宽面温度与窄面温度之差小于40℃；铸坯规格：160mm×1050mm。
(5)连铸坯加热
将步骤(4)中所得连铸坯在加热炉中加热1200℃，加热时间控制在130分钟。
(6)1500宽带轧制
加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧采用四辊可逆轧机进行五道次粗轧，粗轧末道次温度1040℃；精轧采用六连轧机组精轧，精轧终轧温度860℃，卷取温度：610℃，中间坯厚度：30mm，成品厚度：6.0mm。
该种高强度耐疲劳钢材经实验测定有关性能数据列于表1中，测试方法采用国际通用方法。
实施例2：钢的化学成分按重量百分比如下，％：
C Si Mn P S Nb Ti Alt
0.08 0.24 1.10 0.011 0.006 0.020 0.023 0.043，
其余为Fe和不可避免的杂质；制造方法同实施例1，所不同的是铸坯规格：160mm×1150，粗轧末道次温度：1080℃；精轧采用六连轧机组精轧，精轧终轧温度：880℃，卷取温度：650℃，中间坯厚度：30mm，成品厚度：5.0mm。
该种高强度耐疲劳钢材经实验测定有关性能数据列于表1中。
实施例3：钢的化学成分按重量百分比如下，％：
C Si Mn P S Nb Ti Alt
0.08 0.26 1.08 0.010 0.007 0.018 0.022 0.022，
其余为Fe和不可避免的杂质；制造方法同实施例1。所不同的是铸坯规格：160mm×1150mm，粗轧末道次温度：1060℃；精轧采用六连轧机组精轧，精轧终轧温度：860℃，卷取温度：650℃，中间坯厚度：30mm，成品厚度：5.0mm。
表1 钢的性能测定数据
| 钢 | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 延伸率％ | 疲劳极限MPa | 组织成分 | 晶粒度等级 |
| 实施例1 | 480 | 560 | 30 | 529 | F+P | 9-10 |
| 实施例2 | 420 | 510 | 31 | - | F+P | 10.5-11 |
| 实施例3 | 435 | 520 | 27 | - | F+P | 10 |
Claims (7)
1、一种高强度耐疲劳钢材，钢的化学成分如下，均为重量百分比：
C％：0.08～0.09，Si％：0.22～0.26，Mn％：1.07～1.10，P％：0.010～0.011，S％：0.006～0.009，Nb％：0.018～0.020，Ti％：0.020～0.023，Alt％：0.022～0.043，其余为Fe和残余的微量杂质。
2、一种高强度耐疲劳钢材的制造方法，包括铁水脱硫预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、轧制；铁水脱硫后进入转炉冶炼并脱氧及合金化处理，然后进入精炼炉精炼并喂入Si-Ca线进钙化处理，精炼后的钢水由连铸机进行全程保护浇注，连铸坯再轧制得成品，其特征在于钢的化学成分按重量百分比如下：
C％：0.08～0.09，Si％：0.22～0.26，Mn％：1.07～1.10，P％：0.010～0.011，S％：0.006～0.009，Nb％：0.018～0.020，Ti％：0.020～0.023，Alt％：0.022～0.043，其余为Fe和不可避免的杂质；
在精炼炉精炼时先喂入钛线，连铸坯出拉矫机宽面温度与窄面温度之差小于40℃，连铸坯在加热炉中将加热时间控制在120-150分钟，轧制采用1500宽带两段热轧制，粗轧末道次温度1030～1100℃，精轧终轧温度860～900℃，卷取温度600～650℃。
3、如权利要求2所述的高强度耐疲劳钢材的制造方法，其特征在于铁水脱硫预处理是在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，铁水中硫含量的重量百分比控制在0.010％以下，温度不低于1250℃。
4、如权利要求2所述的高强度耐疲劳钢材的制造方法，其特征在于转炉冶炼时，造渣料于终点前3分钟加完，终点控制碳、硫重量百分数应满足如下条件：C＜0.06％，S＜0.010％；转炉出钢前在钢包底加入合成渣，采用单渣工艺冶炼，终渣碱度控制在2.8-3.5，采用铝锰钛脱氧，用量1kg/t。
5、如权利要求2所述的高强度耐疲劳钢材的制造方法，其特征在于钢包精炼采用白渣法操作，白渣保持时间12-20分钟；精炼后的钢水喂入500m-600m Si-Ca线进行钙化处理，并软吹氩气12-20分钟。
6、如权利要求2所述的高强度耐疲劳钢材的制造方法，其特征在于所述连铸坯在加热炉中加热1180-1250℃，加热时间控制在120-150分钟。
7、如权利要求2所述的高强度耐疲劳钢材的制造方法，其特征在于轧制中的粗轧采用四辊可逆轧机进行五道次粗轧，精轧采用六连轧机组精轧。
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