CN102321846A

CN102321846A - 12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条及其生产方法

Info

Publication number: CN102321846A
Application number: CN201110311087A
Authority: CN
Inventors: 麻晗; 王世芳; 高利容
Original assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Current assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条及其生产方法。该盘条包含如下组分(wt％)：基本成分：C 0.34～0.38％、Si 0.15～0.30％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.020％、S≤0.020％、Cr 0.90～1.10％、Mo 0.17～0.24％、Ti 0.005～0.05％、Al0.01～0.04％、以及N 40～110ppm；可选择成分：B 5～30ppm、Ca 5～20ppm以及Cu 0.05～0.20％中的任意一种以上；以及，余量的铁和杂质。其制备工艺包括依次进行的电炉冶炼，炉外精炼，小方坯连铸，方坯修磨，高线控轧，大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序，此外还可选择在炉外精炼之后进行真空处理。本发明含钛冷镦钢盘条完全满足12.9级紧固件的生产和使用要求，并具有生产工艺简单、成本低的优点，且耗能少、碳排放少、环境污染小，符合低碳经济和可持续发展的长期要求。

Description

12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种冷镦钢盘条及其制备工艺，尤其涉及一种12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条及其生产方法，属于钢铁冶金和轧钢领域。

背景技术

紧固件是将两个或两个以上零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称，包括螺栓、螺钉、螺母、螺柱、铆钉等，广泛应用于汽车、机械、船舶、铁路、桥梁、建筑、电子等领域。冷镦钢是生产紧固件的主要原料。我国是冷镦钢生产大国，产量占全球的35％以上，但目前国产冷镦钢普遍级别较低，以8.8级及以下紧固件用材为主。市场急需的汽车、航空、高铁、电力用冷镦钢等高端产品仍需大量进口，严重制约了我国相关行业的技术升级。与传统冷镦钢相比，12.9级高强度紧固件用冷镦钢可节省材料30％以上，有利于减少钢材用量，降低能源消耗和碳排放。

12.9级紧固件是国标中强度级别最高的产品，在12.9级紧固件中，内六角螺栓是档次最高的产品之一，对冷镦钢的表面质量、纯净度、淬透性、冷变形能力等方面有极高的要求，目前国内仅有个别企业能够生产此类冷镦钢产品，而且这些企业均采用长流程工艺。与“高炉+转炉”长流程相比，以“电炉+小方坯连铸连轧”为特征的短流程工艺具有成本低、节能、环保的显著优势。近年来，国际社会对气候变化问题日益重视，我国政府也明确提出“2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40～45％”这一目标，节能减排已成为基本国策。钢铁行业是能耗大户，约占全国总能耗的16％，CO₂排放的12％，在节能减排方面将承担重大责任。在钢铁生产过程中，高炉炼铁消耗了80％以上的能源，排放了90％以上的CO₂。而短流程电炉炼钢以废钢为重要原料，高炉铁水用量通常少于45％，与长流程相比可以减少50％的CO₂排放。据测算，采用短流程工艺，每吨钢可节能300kg标准煤，减少CO₂排放1.2吨以上，具有显著的经济和社会效益。但与转炉炼钢相比，电炉炼钢的氮含量不易控制，若不采取措施，钢中的自由氮会在冷镦过程中引起应变时效，造成工件拉丝断裂和冷镦开裂。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术中的不足，提供一种12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条，它包括按照重量百分比计算的如下组分：

基本成分：C 0.34～0.38％、Si 0.15～0.30％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.020％、S≤0.020％、Cr 0.90～1.10％、Mo 0.17～0.24％、Ti 0.005～0.05％、Al 0.01～0.04％、以及N 40～110ppm；

可选择成分：B 5～30ppm、Ca 5～20ppm以及Cu 0.05～0.20％中的任意一种以上；

以及，余量的铁和杂质。

以下具体说明各元素的作用及原理：

C：碳是主要强化元素之一。碳含量过低，则紧固件调质处理后硬度、强度不达标；但是如果碳含量过高，则热轧盘条强度高，塑性低，冷镦易开裂，同时冷镦时变形抗力大，冷镦模具寿命低。因此，必须考虑强度和冷镦性能的平衡，故碳含量应控制在0.34～0.38％。

Si：硅虽然可提高钢的强度，但同时也导致冷镦变形抗力的急剧升高，大幅度提高模具消耗。为降低冷镦变形抗力，并结合工业生产的实际状态，Si的含量控制在0.15～0.30％。

Mn：锰是固溶强化元素，同时在炼钢过程中还起到脱氧作用，同时也可提高淬透性。但过多的锰会降低盘条的塑性和韧性，因此，锰含量可控制在0.60～0.90％。

P：磷在本发明钢中会引起中心偏析，形成晶界偏聚，降低盘条塑性，P含量应控制在0.020％以内。

S：硫除了容易引起中心偏析外，还会形成长条形的MnS夹杂物，在冷变形过程中容易形成裂纹，降低扭转性能，其含量应控制在0.020％以内。

Cr：铬是固溶强化元素，在钢中有较大的溶解度，同时可有效提高淬透性，保证材料淬火后的强度和硬度。此外，铬在回火处理时析出碳化物沉淀相，可起到二次硬化的作用。因此，铬的含量控制在0.90～1.10％。

Mo：钼可大幅提高淬透性，保证材料淬火后的强度和硬度。此外，钼在回火处理时析出碳化物沉淀相，可起到二次硬化的作用，提高回火稳定性。但钼的成本较高，综合考虑，钼的含量控制在0.17～0.24％。

Ti：钛在钢中极易和氮结合，形成稳定的TiN，固定自由氮，同时形成的纳米级TiN还能起到细化晶粒的作用，提高成品性能。另一方面，剩余的钛还能和碳反应形成TiC，细小的TiC颗粒还是钢中重要的氢陷阱，可以起到防止延迟断裂、提高回火抗力的作用。但过多的Ti会使Ti(C，N)粗化，影响其固氢和细化晶粒的效果，同时容易造成连铸坯开裂和水口结瘤。因此，Ti的含量可控制在0.005～0.050％。

Al：铝是强脱氧剂，主要用来对精炼过程进行充分脱氧。但过多的铝容易在连铸过程中引起水口结瘤，影响连铸生产。为此，钢中全铝含量可控制在0.01～0.040％。

N：氮可以和钢中的Ti结合形成TiN，抑制热轧时奥氏体晶粒的长大，细化组织结构，但过多的N会增大钢的脆性，本发明中，N含量控制在40～110ppm。

B：硼可大幅度提高淬透性。钢中硼只有以固溶形式存在时才可在淬火时偏聚在奥氏体晶界，抑制铁素体形核，从而提高钢的淬透性。如果硼与钢中氧、氮形成化合物，就不能起到提高淬透性的作用。因此，将钢中硼的含量控制在0.0005～0.0030％之间是合适的。

Ca：钙有助于改善钢中MnS夹杂物的形貌，降低其有害作用，同时有助于脱氧，此外Ca还可以通过形成细小的氧化物，抑制奥氏体晶粒长大，但过多的Ca会使氧化物粗化。本发明中，Ca含量控制在5～20ppm。

Cu：铜有助于提高紧固件的耐腐蚀能力，但过多的Cu会引起材料的塑性下降，造成热轧过程中的开裂，本发明中，Cu含量控制在0.05～0.20％。

本发明的另一目的在于提供一种生产前述12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条的方法，包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、连铸、高线控轧和冷却工序，其特征在于：

(1)在电炉冶炼工序中，控制电炉出钢碳含量≥0.1wt％，出钢温度1620～1660℃，出钢时用铝锭脱氧；

(2)在炉外精炼工序中，控制精炼时间≥35min，精炼终渣二元碱度控制在4-6，精炼结束温度控制在1600～1620℃；

(3)在连铸工序中，连铸过热度控制在20～40℃；

(4)在高线控轧工序中，控制开轧温度在920～960℃，吐丝或集卷温度在850～900℃；

(5)所述冷却工序是指集卷后在大盘卷线上堆冷或吐丝后在斯太尔摩线上控制冷却，冷却速度为0.2～2.0℃/S。

进一步的讲，所述生产方法可包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、小方坯连铸、方坯修磨、高线控轧以及大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序。

优选的，该生产方法中还包括在炉外精炼工序和连铸工序之间进行的真空处理工序，在该真空处理工序中，控制软搅拌大于10min或者选用VD炉进行真空处理，真空度1.33mbar以下的处理时间为15～20min。

本发明采用“电炉冶炼+小方坯连铸连轧”路线，属于典型的短流程工艺。

电炉冶炼原料中废钢占总重量的50～60％，废钢在使用前经过挑选分类，必要时进行干燥，以确保质量；冶炼过程中采用泡沫渣操作，为降低P含量，将石灰分批加入，并采用流渣冶炼；终点碳含量大于0.1％，以防止钢水过氧化。出钢进行到1/4时开始加入铝锭和硅锰合金脱氧，并加入碳粉和造渣料，出钢时防止大量下渣。

精炼过程中进行合金成分调整、夹杂物控制和目标温度控制。为保证脱硫效果，采用高碱度渣，终渣的二元碱度控制在5.0左右(4-6)，白渣时间不小于15分钟；为确保合金成分的均匀性，在精炼结束前10分钟停止加料；为控制钢液氧化性，要求精炼终渣(FeO+MnO)≤wt1.0％；精炼过程中，可根据成品成分的要求选择加入硼铁。

精炼结束后喂钙铁合金线，是为了调整夹杂物成分和形貌，增大其变形能力；10分钟以上的软搅拌时间有助于确保大型夹杂物充分上浮，提高钢液纯净度；为防止在软搅拌时发生钢液和空气接触造成氧化吸氮，氩气压力不应超过0.2MPa。

连铸小方坯横截面尺寸为150cm×150cm；连铸中间包过热度控制在20～40℃，以促进夹杂物上浮，同时避免中心偏析的恶化。

对16mm及以上规格产品，选择大盘卷线堆冷；对16mm以下产品，选择在斯太尔摩线上控制冷却。

采用本发明生产的12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条，其原始盘条的抗拉强度为700～1000MPa，断面收缩率大于34％，盘条夹杂物等级为：A类≤1.0级，B类≤1.5级，C类≤1.0级，D类≤1.0级。使用本发明盘条生产的12.9级内六角螺栓成品抗拉强度大于1250MPa，洛氏硬度为40～45HRC，其余指标也完全满足相关国标要求。而且本发明采用短流程，工艺简单、成本低、耗能少、碳排放少、环境污染小，符合低碳经济和可持续发展的长期要求。

具体实施方式

以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1本实施例盘条所含组分及其重量比为：C：0.36％；Si：0.22％；Mn：0.78％；P：0.014％；S：0.005％；Cr：1.01％；Mo：0.21％；Ti：0.033％；Al：0.025％；N：103ppm。其生产工艺采用“电炉冶炼+小方坯连铸连轧”路线。具体而言，冶炼过程使用100吨超高功率电炉，电炉出钢碳含量为0.18％，出钢温度1640℃，出钢时用铝锭脱氧；精炼时间45分钟，精炼终渣二元碱度控制在5.0左右，精炼结束温度控制在1575℃，软搅拌时间12分钟；连铸过热度控制在25～35℃；方坯断面为150×150mm；开轧温度为940℃，轧制后在斯太尔摩线上控制冷却，吐丝温度为850℃，冷却速度为0.5℃/S。所获盘条直径为12mm。且原始盘条的抗拉强度平均为955MPa，断面收缩率为42％。金相组织为贝氏体+3％马氏体，盘条夹杂物等级为：A类0.5级，B类1级，C类0级，D类0.5级。使用该盘条生产的12.9级内六角螺栓成品抗拉强度1270MPa，洛氏硬度为42HRC，其余指标也完全满足相关国标要求。

实施例2本实施例盘条所含组分及其重量比为：C：0.35％；Si：0.23％；Mn：0.73％；P：0.011％；S：0.004％；Cr：1.03％；Mo：0.22％；Ti：0.027％；Al：0.018％；N：63ppm；Cu：0.08％；B：15ppm。其生产工艺采用“电炉冶炼+小方坯连铸连轧”路线，具体而言，其中冶炼过程使用100吨超高功率电炉，电炉出钢碳含量为0.15％，出钢温度1637℃，出钢时用铝锭脱氧；精炼时间48分钟，精炼终渣二元碱度控制在5.0左右，精炼结束温度控制在1603℃；用VD炉进行真空处理，真空度1.33mbar以下的处理时间为17分钟；连铸过热度控制在25～35℃；开轧温度为930℃，轧制后在大盘卷线上堆冷，集卷温度为890℃，冷却速度为0.25℃/S。所获盘条直径为16mm。且原始盘条的抗拉强度平均为745MPa，断面收缩率为51％。金相组织为珠光体+铁素体+少量贝氏体+少量马氏体，盘条夹杂物等级为：A类0.5级，B类0.5级，C类0级，D类0级。使用该盘条生产的12.9级内六角螺栓成品抗拉强度1290MPa，洛氏硬度为43HRC，其余指标也完全满足相关国标要求。

Claims

1.一种12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条，其特征在于，它包括按照重量百分比计算的如下组分：

以及，余量的铁和杂质。

2.如权利要求1所述12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条的生产方法，包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、连铸、高线控轧和冷却工序，其特征在于：

(3)在连铸工序中，连铸过热度控制在20～40℃；

(4)在高线控轧工序中，控制开轧温度在920～960℃，吐丝或集卷温度为850～900℃；

3.根据权利要求2所述12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、小方坯连铸、方坯修磨、高线控轧以及大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序。

4.根据权利要求2或3所述12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述生产方法中还包括在炉外精炼工序和连铸工序之间进行的真空处理工序，在该真空处理工序中，控制软搅拌大于10min或者选用VD炉进行真空处理，真空度1.33mbar以下的处理时间为15～20min。

5.一种12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条，其特征在于，它包括按照重量百分比计算的如下组分：

以及，余量的铁和杂质；

该盘条的制备工艺包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸、高线控轧和冷却工序，并且：

(3)在真空处理工序中，控制软搅拌大于10min或者选用VD炉进行真空处理，真空度1.33mbar以下的处理时间为15～20min；

(4)在连铸工序中，连铸过热度控制在20～40℃；

(5)在高线控轧工序中，控制开轧温度在920～960℃，吐丝或集卷温度在850～900℃；

(6)所述冷却工序是指集卷后在大盘卷线上堆冷或吐丝后在斯太尔摩线上控制冷却，冷却速度为0.2～2.0℃/S。

6.根据权利要求5所述的12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条，其特征在于，所述盘条的制备工艺包括依次进行的电炉冶炼、炉外精炼、真空处理、小方坯连铸、方坯修磨、高线控轧以及大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序。