CN102321851B - 10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条及其制造方法。该盘条包含如下组分(wt％)：C 0.23～0.33％、Si 0.02～0.20％、Mn 0.50～0.90％、P≤0.025％、S≤0.025％、Al 0.005～0.040％、Ti 0.005～0.050％、B 0.0005～0.0035％、Cr 0.58～1.50％、Ni 0.01～0.05％以及余量的铁和杂质。优选的，它还包含0.01～0.05wt％V；其制造方法包括依次进行的冶炼、炉外精炼、连铸、高线控轧和冷却工序。本发明盘条具有硬度低、塑性好、冷变形能力强、淬透性好等优点，而且制备工艺简单，成本低廉。在应用本发明盘条制造紧固件的过程中，可省略拉拔前的球化退火工艺，从而达到节约能源、减少污染、提高成品率、降低使用成本的效果。本发明产品完全满足10.9级紧固件的生产和使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷镦钢及其生产工艺，尤其涉及一种10.9级含硼免球化退火冷镦钢及其制造方法，属于钢铁冶金和轧钢领域。
背景技术
冷镦钢主要用于制造螺栓、螺钉、螺母、螺柱、铆钉等紧固件，广泛应用于汽车、机械、船舶、铁路、桥梁、建筑、电子等领域。我国是冷镦钢生产大国，预计2011年全国冷镦钢产量将达900万吨，占全世界的35％以上。但目前国产冷镦钢尚存在产品附加值低、生产能耗大、质量不稳定等问题，导致市场急需的汽车、航空、高铁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。相比之下，西方发达国家已全面普及了10.9级冷镦钢产品。与传统冷镦钢相比，10.9级高强度冷镦钢可节省材料30％以上。
以ML40Cr为代表的传统10.9级冷镦钢在用于紧固件生产之前必须经过球化退火，软化盘条后才能拉拔和冷镦。球化退火过程消耗大量的能源和资源、污染环境，而且会降低成材率、增加生产流程，显著增加使用成本，估计每吨钢的球化退火成本在300元以上。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条，采用该冷镦钢盘条制作10.9级高强度紧固件，可省略拉拔前的球化退火工艺，起到节约能源、减少污染、提高成品率、降低使用成本的效果，从而克服了现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条，其特征在于，它包含按重量百分比计算的如下组分：C 0.23～0.33％、Si 0.02～0.20％、Mn 0.50～0.90％、P≤0.025％、S≤0.025％、Al 0.005～0.040％、Ti 0.005～0.050％、B 0.0005～0.0035％、Cr0.58～1.50％、Ni 0.01～0.05％，以及余量的铁和杂质。
优选的，它还包含如下组分：V 0.01～0.05wt％。
本发明的合金设计根据如下：
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0.23～0.33％。
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0.02～0.20％。
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0.50～0.90％。
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0.50～1.50％。
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0.005～0.040％。
Ti：钛是强固氮元素。加入的钛和钢中的自由氮结合，形成稳定的氮化钛，防止自由氮和硼结合，Ti/N质量比应高于3.3，为此，Ti的含量可控制在0.005～0.050％。
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0.0005～0.0035％之间是合适的。
Ni：镍有助于提高紧固件的耐腐蚀能力，但过多的Ni会提高钢材成本，本发明中，Ni含量控制在0.01～0.05％。
V：钒和钢中的碳结合，形成VC，一方面可以提高紧固件成品的耐延迟断裂能力，另一方面可以细化组织，提高综合性能，V的含量可控制在0.01～0.05％。
本发明的另一目的在于提供一种生产前述10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条的方法，该方法包括依次进行的转炉或电炉冶炼、炉外精炼、连铸、高线控轧、大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序，其特征在于：
其中：
(1)在冶炼工序中，出钢温度1620～1660℃，出钢时用铝锭脱氧，加入量为2～3千克/吨钢；
(2)在精炼工序中，合金料的加入顺序为：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁；
(3)在高线控轧工序中，开轧温度为880～950℃，吐丝或集卷温度为850～900℃；
(4)冷却工序采用大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工艺，若采用大盘卷线上堆冷工艺，则冷速为0.2～1℃/s，若采用斯太尔摩线控冷工艺，则在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为0.4～3℃/s。
按照本发明生产的10.9级含硼免球化退火冷镦钢，原始盘条的抗拉强度为540～600MPa，远低于ML40Cr(抗拉强度为640～780MPa)，与退火后的ML40Cr相当，完全可以省略拉拔前的球化退火过程；断面收缩率为65～75％，明显优于ML40Cr(断面收缩率平均为33％)。由于盘条强度低，裂纹敏感性低，本发明钢具有优异的冷变形能力，批量进行的1/3冷镦检测的合格率接近100％，远远高于ML40Cr。
由于含有一定量的自由硼，本发明的10.9级含硼免球化退火冷镦钢具有良好的淬透性，直径34mm圆棒也能完全淬透，淬火后芯部为接近100％的马氏体组织，整个横截面的硬度波动小于4HRC。回火后，材料的抗拉强度为1060～1200MPa，屈服强度为960～1100MPa，硬度在32～36HRC以上，断面收缩率为65～72％，伸长率在12％以上，冲击功为160～170J，各项指标均完全满足国标GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对10.9级螺栓的要求。
具体实施方式
考虑到现有技术中的不足，本发明提出了一种免球化退火硼钢，它主要利用硼增加淬透性、确保淬火性能，同时减少合金元素，降低热轧盘条强度和硬度。其中，硼提高淬透性的原因是：冷却过程中，在先共析铁素体析出之前，硼元素发生晶界偏聚或析出硼的化合物，降低界面能，抑制铁素体形核，从而提高淬透性。理论研究表明，5～8ppm的自由硼含量即可满足淬透性需求，但必须强调的是，只有自由硼才能起到提高淬透性的作用，因此在硼钢成分设计时必须固定自由氮，防止形成氮化硼。
以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1本实施例10.9级含硼免球化退火冷镦钢所含组分及重量百分比为：C：0.25％；Si：0.08％；Mn：0.59％；P：0.0071％；S：0.0048％；Al：0.027％；Ti：0.048％；B：0.0028％；Cr：1.03％；Ni：0.03％，其余为铁和不可避免的杂质元素。盘卷直径为20mm，其生产过程为：电炉冶炼→炉外精炼→连铸150方坯→高线控轧→大盘卷线堆冷，关键控制参数为：(1)出钢温度1630℃，出钢时用铝锭脱氧；(2)精炼时间45分钟，按如下顺序加入合金：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁，软搅拌时间10分钟；(3)开轧温度为930℃，集卷温度为870℃；(4)集卷后在大盘卷线上堆冷，冷却速度为0.4℃/S。
实施例2本实施例10.9级含硼免球化退火冷镦钢所含组分及重量百分比为：C：0.27％；Si：0.06％；Mn：0.51％；P：0.0069％；S：0.0051％；Al：0.024％；Ti：0.045％；B：0.0024％；Cr：1.48％；Ni：0.03％；V：0.02％；其余为铁和不可避免的杂质元素。盘卷直径为24mm，其生产过程为：电炉冶炼→炉外精炼→连铸150方坯→高线控轧→大盘卷线堆冷，关键控制参数为：(1)出钢温度1625℃，出钢时用铝锭脱氧；(2)精炼时间45分钟，按如下顺序加入合金：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁，软搅拌时间10分钟；(3)开轧温度为940℃，集卷温度为880℃；(4)集卷后在大盘卷线上堆冷，冷却速度为0.35℃/S。
实施例3本实施例10.9级含硼免球化退火冷镦钢所含组分及重量百分比为：C：0.28％；Si：0.20％；Mn：0.76％；P：0.0060％；S：0.0056％；Al：0.018％；Ti：0.021％；B：0.0018％；Cr：0.58％；Ni：0.04％，其余为铁和不可避免的杂质元素。盘卷直径为12mm，其生产过程为：电炉冶炼→炉外精炼→连铸150方坯→高线控轧→斯太尔摩线上控制冷却，关键控制参数为：(1)出钢温度1650℃，出钢时用铝锭脱氧；(2)精炼时间45分钟，按如下顺序加入合金：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁，软搅拌时间10分钟；(3)开轧温度为940℃，集卷温度为880℃；(4)集卷后在斯太尔摩线上控制冷却，冷却速度为1.5℃/S。
实施例4本实施例10.9级含硼免球化退火冷镦钢所含组分及重量百分比为：C：0.28％；Si：0.11％；Mn：0.76％；P：0.0048％；S：0.0073％；Al：0.013％；Ti：0.035％；B：0.0025％；Cr：0.80％；Ni：0.02％；V：0.03％；其余为铁和不可避免的杂质元素。盘卷直径为12mm，生产过程为：电炉冶炼→炉外精炼→连铸150方坯→高线控轧→斯太尔摩线上控制冷却，关键控制参数为：(1)出钢温度1650℃，出钢时用铝锭脱氧；(2)精炼时间45分钟，按如下顺序加入合金：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁，软搅拌时间10分钟；(3)开轧温度为940℃，集卷温度为880℃；(4)集卷后在斯太尔摩线上控制冷却，冷却速度为1.2℃/S。
表1列出了实施例1-4冷镦钢原始盘条与传统10.9级冷镦钢原始盘条的力学性能对比，显然，本发明钢的抗拉强度远低于ML40Cr，实际上已经和退火后的ML40Cr处于同一水平，另一方面，本发明钢的断后伸长率和断面收缩率远高于ML40Cr，其组织中含有50％左右的铁素体，因此，本发明钢具有优异的冷变形能力，其1/3冷镦检测的合格率接近100％，远远高于ML40Cr。在下游客户的使用过程中可省略拉拔前的球化退火工艺，起到节约能源、减少污染、提高成品率、降低使用成本的效果，具有明显的竞争优势。
表1本发明实施例1-4原始盘条力学件能与ML40Cr对比
| 钢号 | 抗拉强度Rm，MPa | 伸长率A，％ | 面缩率Z，％ |
| 实施例1 | 570 | 28.8 | 70.8 |
| 实施例2 | 600 | 26.4 | 71.3 |
| 实施例3 | 588 | 28.1 | 69.0 |
| 实施例4 | 595 | 27.1 | 67.3 |
| ML40Cr | 720 | 21.0 | 33.0 |
经由对实施例1-4所得产品进行测试，可以发现，本发明的10.9级含硼免球化退火冷镦钢具有良好的淬透性，在860℃下加热1小时，随后进行水淬，直径34mm圆棒也能完全淬透，淬火后芯部组织为接近100％的马氏体，整个横截面的硬度波动小于4HRC。按照国标GB/T225-2006进行了末端淬透性实验，结果也完全符合要求。淬火后经过425～450℃回火，材料的抗拉强度为1060～1200MPa，屈服强度为960～1100MPa，硬度在32～36HRC以上，断面收缩率为65～72％，伸长率在12％以上，冲击功为160～170J，各项指标均完全满足国标GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对10.9级螺栓的要求。
Claims (2)
1.一种10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条，其特征在于，它包含按重量百分比计算的如下组分：C0.23～0.33％、Si0.02～0.20％、Mn0.50～0.90％、P≤0.025％、S≤0.025％、Al0.005～0.040％、Ti0.005～0.050％、B0.0005～0.0035％、Cr0.58～1.50％、Ni0.01～0.05％，以及余量的铁和杂质；
并且，所述盘条的制造工艺包括依次进行的转炉或电炉冶炼、炉外精炼、连铸、高线控轧和冷却工序，其中：
(1)在冶炼工序中，出钢温度1620～1660℃，出钢时用铝锭脱氧，加入量为2～3千克/吨钢；
(2)在精炼工序中，合金料的加入顺序为：锰铁→铬铁→铝锭→钛铁→硼铁；
(3)在高线控轧工序中，开轧温度为880～950℃，吐丝或集卷温度为850～900℃：
(4)冷却工序采用大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工艺，若采用大盘卷线上堆冷工艺，则冷速为0.35～0.4℃/s，若采用斯太尔摩线控冷工艺，则在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为0.4～3℃/s。
2.根据权利要求1所述的10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条，其特征在于，所述盘条还包含如下组分：V0.01～0.05wt％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Grade 10.9 boron containing non spheroidizing annealing cold heading steel wire rod Effective date of registration: 20210901 Granted publication date: 20140115 Pledgee: China Construction Bank Zhangjiagang branch Pledgor: INSTITUTE OF RESEARCH OF IRON & STEEL, JIANGSU PROVINCE/SHA-STEEL, Co.,Ltd. Registration number: Y2021980008699 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |