CN101619414A

CN101619414A - 10.9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘条的轧制方法

Info

Publication number: CN101619414A
Application number: CN200910144284A
Authority: CN
Inventors: 孙维; 惠卫军; 于同仁; 汪开忠; 宋强; 吴坚; 完卫国
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: CN101619414B

Abstract

本发明提供10.9级含铌非调质冷镦钢，组分重量百分比(％)：C 0.08－0.14％，Si 0.03－0.35％，Mn 1.80－2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B 0.0005－0.003％，Ti 0.01－0.03％，Als 0.010－0.050％，Nb 0.02％－0.04％，其余为铁和微量杂质。其热轧盘条的轧制方法为：加热温度1050－1250℃，粗、中轧温度1000－1050℃，精轧温度750－830℃，变形量为50－60％，变形速率为20/s，吐丝温度730－850℃，吐丝后分两段控制冷却，550℃以上以≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.1－3℃/s的冷速缓冷。

Description

10.9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘条的轧制方法

技术领域

本发明属紧固件用冷镦钢领域，尤其涉及一种10.9级紧固件用非调质冷镦钢及其热轧盘条的生产方法。

背景技术

高强度螺栓等高强度紧固件的强度水平一般分为8.8、9.8、10.9和12.9四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢。非调质紧固件生产工序与调质紧固件生产工序相比，非调质紧固件的生产可省去冷镦前的球化退火、减少拉拔次数和省去冷镦后的调质热处理等，这在很大程度上简化了生产工序，缩短了生产周期，降低了能源消耗，同时还避免了因热处理而造成的表面氧化、脱碳及工件变形等问题，因而具有显著的经济效益和社会效益。

由于高强度微合金非调质钢热轧盘条在冷加工时的硬度较通常的调质钢的硬度高，这使得冷加工复杂形状的10.9级螺栓(如凸缘螺栓)时裂纹萌生率高，而且冷加工模具的寿命有所降低，因此目前微合金非调质钢制造的螺栓主要为8.8级、9.8级。

《汽车工艺与材料》2007年第11期第43-48页报道了一种9.8级冷作强化非调质钢高强度汽车U形螺栓，化学成分为0.15-0.20％C，0.30-0.60％Si，1.35-1.75％Mn，≤0.030％P，≤0.030％S，0.010-0.040％Ti，0.04-0.07％V。

《特殊钢》1993年第6期第23-26页报道了一种10.9级冷作强化非调质钢，化学成分为0.09-0.13％C，0.17-0.37％Si，1.90-2.40％Mn，≤0.030％P，≤0.030％S，0.04-0.08％Ti，0.08-0.12％V，0.001-0.005％B。该钢的微合金元素设计存在以下缺陷：(1)Ti含量为0.04-0.08％，Ti元素容易氧化，加入＞0.04-0.10％Ti时，会增加钢中TiO₂夹杂物数量和疲劳裂纹源点，从而降低紧固件的使用寿命；(2)B含量为0.001-0.005％，当硼含量若超过0.004％时，则容易出现硼化合物脆性相；(3)V含量0.08-0.12％，钒元素的加入可提高钢的强度和韧性，但加入量大于0.03％以上时，钒元素的加入会降低冲击韧性，使冷镦性能降低。并且受生产技术水平的限制，线材的冷变形能力差、强度波动大，因而一直没能得到工业化批量生产和应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种10.9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘条的轧制方法，该钢种能提高紧固件用非调质钢的强度级别和冷加工性能，并做到合理、均衡地利用资源，采用较少的微合金元素加入量，降低生产成本。

本发明提供的10.9级含铌非调质冷镦钢，其组分的重量百分比(％)为：C0.08％-0.14％，Si0.03％-0.35％，Mn1.80％-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B0.0005％-0.003％，Ti0.01％-0.03％，Als0.010％-0.050％，Nb 0.02％-0.04％，其余为铁和微量杂质。

本发明的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法为：钢坯在加热炉中加热后在高速线材轧机上进行轧制，然后集卷、冷却、打捆、入库，其中，加热温度1050-1250℃，粗、中轧轧制温度1000-1050℃，精轧温度750-830℃，吐丝温度730-850℃，吐丝后盘条分两段控制冷却，550℃以上以≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.1-3℃/s的冷速缓冷。

本发明主要采用成分优化设计与低温控轧控冷有机结合的技术思路，以使热轧盘条获得细化的粒状贝氏体组织形貌，即贝氏体型铁素体基体上分布有M-A岛，岛中马氏体为板条状，从而具有良好的冷加工性和韧性，以解决传统非调质冷镦钢盘条的低冷镦性和低韧性的难题，从而促进非调质冷镦钢盘条的进一步推广应用。

本发明钢的成分设计是在含碳0.10％左右的C-Mn系中添加Ti、B等元素，同时加入少量的Nb，保证得到合适的强度和韧塑性。本发明10.9级紧固件用非调质钢的化学成分配比(按重量百分比)为：C 0.08％-0.14％，Si 0.03％-0.35％，Mn 1.80％-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B 0.0005％-0.003％，Ti 0.01％-0.03％，Als 0.010％-0.050％，Nb 0.02％-0.04％，其余为Fe和杂质元素。

本发明的生产工艺流程为：转炉或电炉冶炼、炉外精炼、连续浇注成钢坯，高速线材低温控轧控冷轧制。

高速线材低温控轧控冷轧制工艺参数为：加热炉加热至1050-1250℃，精轧温度为750-830℃，控制冷却分两段控制，550℃以上采取≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃采取0.1-3℃/s的冷速缓冷。

采用本发明的化学成分、工艺流程和高速线材低温控轧控冷轧制工艺参数，可获得细化的粒状贝氏体组织，热轧盘条的R_m在750MPa以上，Z在55％以上。

下面具体说明技术方案的内容：

成分设计：(1)碳含量增加可提高钢的强度，但不利于冷镦性能，为兼顾钢的强度和冷加工工艺性能，故选择钢的含碳量为0.08-0.14％。(2)硅虽能显著提高钢的变形抗力，但对冷镦和冷挤压极为不利，故硅含量不宜太高，硅控制在0.03-0.35％。(3)锰是增加钢强度的重要元素，同时也是形成贝氏体组织最为有效的低成本合金元素之一，本发明采用了较高的锰含量：1.80-2.30％。(4)由于本钢种含B，故须加Ti固N。但Ti元素容易氧化，加入＞0.04-0.10％Ti时，会增加钢中TiO₂夹杂物数量和疲劳裂纹源点，从而降低紧固件的使用寿命，故本发明Ti的加入量控制在0.01％-0.03％。(5)紧固件靠冷镦成形，要承受70％-80％的总变形量，因此要求冷镦钢有良好的强韧性匹配。铌、钛、钒均为微合金化元素，通过其碳氮化物的析出强化和晶粒细化，均可显著提高钢的强度。但在提高钢的韧性方面，铌的作用最为显著，因为通过铌微合金化结合控轧控冷轧制工艺细化晶粒的作用最为显著，而晶粒细化是不同强化机制中唯一的既可提高强度又能显著提高钢材韧性的方法。故本发明选择铌作为微合金化元素，其合适的含量是0.02％-0.04％。同时，Nb+B元素复合加入能够显著提高钢的淬透性，促进空冷时粒状贝氏体的生成。(6)硼在晶界可降低晶界原子扩散系数，从而强化晶界，但硼含量若超过0.004％时，则容易出现硼化合物脆性相，故本发明硼含量控制在0.0005％-0.0030％。

生产10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的方法按以下步骤进行：(1)冶炼：在转炉或电炉上冶炼、炉外精炼、连续浇注成钢坯。(2)控制轧制：在加热炉中加热至1050-1250℃。在高速线材轧机上进行轧制，粗、中轧机采用轧制温度1000-1050℃控制轧制，精轧机采用750-830℃低温控制轧制。吐丝温度730-850℃。(3)控制冷却：分两段控制，550℃以上采取≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃采取0.1-3℃/s的冷速缓冷。(4)集卷、自然冷却、打捆、入库。

通过上述冶炼步骤可获得合格的轧制原料钢坯。为了轧制工艺的需要和使碳、氮化物固溶于奥氏体中，轧制时钢坯加热温度按1050-1250℃范围控制。在1000℃以上完成粗、中轧机轧制，即基本在奥氏体再结晶区完成轧制是为了实现再结晶细化，且现行粗、中轧轧钢设备和工艺容易实现。精轧机采用750-830℃低温控制轧制，吐丝温度730-850℃，有利于进一步细化最终产品的组织。吐丝后分两段控制冷却，即550℃以上采取≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃采取0.1-3℃/s的冷速缓冷，是为了保证得到细化的粒状贝氏体组织。

与现有技术相比，本发明的效果及优点：

本发明的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条，其力学性能为：R_m 770-840MPa，R_eL510-555MPa，A 16.5％-20％，Z 60％-65％。采用该热轧盘条直接改制成工艺料，在冷镦机上冷镦成型的高强度螺栓性能为：R_m 1010-1070MPa，R_eL990-1030MPa，A 15％-16.5％，Z 58％-64.5％。本发明提高了非调质冷镦钢的强度级别至10.9级，解决了传统非调质冷镦钢热轧盘条的低冷镦性和低韧性的难题，适合于生产冷镦变形加工量较大的高强度螺栓等高强度紧固件。采用这种盘条制作10.9级紧固件，直接改制成工艺料，在冷镦机上冷镦成型，工序简化，外观质量好，节省退火和调质热处理费用，减少污染，避免表面脱碳，提高生产效率。并且通过采用低温控轧控冷工艺，使得微合金元素加入量或其它较廉价的合金元素加入量较少，有利于节约资源和资源的均衡利用。

具体实施方式

根据本发明的化学成分范围，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸成140mm方坯，加热后，在高线轧机上进行控轧控冷，然后集卷、冷却、打捆、入库，具体实施例如下：

实施例1：

选用化学成分为：C-0.08％、Si-0.27％、Mn-2.05％、P-0.016％、S-0.004％、B-0.0030％、Ti-0.030％、Nb-0.020％、Als-0.018％。采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸成140mm方坯。轧制工艺为：加热炉中均热温度为1140-1220℃；粗、中轧轧制温度1000-1050℃，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧采用低温控制轧制，具体为：温度为750℃，变形量为60％，变形速率为20/s，形变后在730℃吐丝；然后控制冷却速度为：550℃以上采取5.5℃/s的冷速快冷，小于550℃采取0.5℃/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能为：Rm-790MPa、A-20％、Z-63％。

实施例2：

选用化学成分为：C-0.11％、Si-0.20％、Mn-1.89％、P-0.012％、S-0.008％、B-0.0015％、Ti-0.010％、Nb-0.040％、Als-0.028％。采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸成140mm方坯。轧制工艺为：加热炉中均热温度为1140-1220℃；粗、中轧轧制温度1000-1050℃，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧采用低温控制轧制，具体为：温度为770℃，变形量为55％，变形速率为20/s，形变后在740℃吐丝；然后控制冷却速度为：550℃以上采取6.0℃/s的冷速快冷，小于550℃采取3.0℃/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能为：R_m-810MPa、A-19％、Z-60％。

实施例3：

选用化学成分为：C-0.14％、Si-0.05％、Mn-1.80％、P-0.006％、S-0.010％、B-0.0024％、Ti-0.020％、Nb-0.025％、Als-0.032％。采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸成140mm方坯，轧制工艺为：加热炉中均热温度为1140-1220℃；粗、中轧轧制温度1000-1050℃，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧采用低温控制轧制，具体为：温度为790℃，变形量为60％，变形速率为20/s，形变后在760℃吐丝；然后控制冷却速度为：550℃以上采取6.5℃/s快冷，小于550℃采取1.5℃/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能为：R_m-820MPa、A-17％、Z-59％。

实施例4：

选用化学成分为：C-0.10％、Si-0.15％、Mn-2.25％、P-0.025％、S-0.009％、B-0.0005％、Ti-0.012％、Nb-0.028％、Als-0.043％。轧制工艺为：加热炉中均热温度为1140-1220℃；粗、中轧轧制温度1000-1050℃，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧采用低温控制轧制，具体为：温度为830℃，变形量为60％，变形速率为20/s，形变后在760℃吐丝；然后控制冷却速度为：550℃以上采取7.5℃/s的冷速快冷，小于550℃采取0.3℃/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能为：R_m-760MPa、A-22％、Z-65％。

Claims

1、一种10.9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其组分的重量百分比(％)为：C0.08％-0.14％，Si 0.03％-0.35％，Mn 1.80％-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B0.0005％-0.003％，Ti0.01％-0.03％，Als0.010％-0.050％，Nb 0.02％-0.04％，其余为铁和微量杂质。

2、如权利要求1所述的10.9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其组分的重量百分比(％)为：C0.08％-0.10％，Si0.15％-0.27％，Mn 2.05％-2.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，B0.0005％-0.003％，Ti0.012％-0.030％，Als 0.022％-0.045％，Nb 0.02％-0.028％，其余为铁和微量杂质。

3、如权利要求1或2所述的10.9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其组分的重量百分比(％)为：C 0.10％，Si 0.15％，Mn 2.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，B 0.0005％，Ti0.012％，Als0.043％，Nb 0.028％，其余为铁和微量杂质。

4、一种如权利要求1所述的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法，钢坯在加热炉中加热后在高速线材轧机上进行轧制，然后集卷、冷却、打捆、入库，其特征在于，加热温度1050-1250℃，粗、中轧轧制温度1000-1050℃，精轧温度750-830℃，变形量为50-60％，变形速率为20/s，吐丝温度730-850℃，吐丝后盘条分两段控制冷却，550℃以上以≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.1-3℃/s的冷速缓冷。

5、如权利要求4所述的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法，其特征在于，加热温度1140-1220℃，粗、中轧轧制温度1000-1050℃，精轧温度750-790℃，变形量为55-60％，变形速率为20/s，吐丝温度730-760℃，吐丝后盘条分两段控制冷却，550℃以上以5.0-7.5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.3-0.5℃/s的冷速缓冷。

6、如权利要求4或5所述的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法，其特征在于，加热温度1180℃，粗、中轧轧制温度1000-1050℃，精轧温度750℃，变形量为60％，变形速率为20/s，吐丝温度730℃，吐丝后盘条分两段控制冷却，550℃以上以7.5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.3℃/s的冷速缓冷。