CN102605249A

CN102605249A - 锰硼系低碳微合金高强度非调质钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102605249A
Application number: CN2012100833783A
Authority: CN
Inventors: 田玉新; 张景海; 郭军霞; 顾雄; 赵肃武; 童英豪; 张玩良; 周小弟; 徐传兵
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-25

Abstract

一种锰硼系低碳微合金高强度非调质钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C：0.17～0.25％、Si：0.80～1.20％、Mn：1.60～2.50％；V：0.08～0.15％、Nb：0.015～0.10％、Ti：0.01～0.06％、Al：0.015～0.05％：B：0.0005～0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。本发明钢中不需添加冶炼过程中难于控制的N、RE、Ca、Zr等元素，取消调质热处理工序，从而简化其生产工艺，提高生产效率，降低生产成本。

Description

锰硼系低碳微合金高强度非调质钢及其生产方法

技术领域

本发明属于合金钢领域，主要涉及一种锰硼系低碳微合金高强度非调质钢及其生产方法。

背景技术

近年来，随着汽车行业的迅猛发展，对汽车零部件用钢的需求量越来越大，对其性能要求也越来越高。35CrMo、40CrMnMo等广泛用于汽车轴类件，这类轴类件必须经调质处理后才能使用，要求性能指标达到Rm≥980MPa，R_p0.2≥785MPa，A₅≥10％，Z≥45％以上，这种工艺能耗高，工序多，导致生产成本高，有时不可避免要产生变形、开裂、氧化和脱碳等缺陷。而非调质钢因具有简化生产工艺，较少变形开裂，从而降低能耗和生产成本等优点而受世界各国的重视，得到迅速发展和应用，非调质钢在汽车行业的广泛应用也成为提高汽车市场竞争力的一个重要途径。本发明的目的是提出一种轧后空冷，不需任何热处理，即可得到抗拉强度Rm≥1000MPa，A₅≥15％，Z≥50％以上，成本较低的Mn-B系低碳微合金贝氏体非调质钢，以满足汽车行业对零部件性能日益提高的要求。其特点是使用廉价的C、Mn、Si等元素，添加微量的V、Ti、Nb、B等元素取代调质钢中的Cr、Ni、Mo等贵重元素，可应用于制造轴类、连杆、高强度标准件等零部件。

现有有关Mn-B系低碳微合金非调质钢均通过加入一定量的Cr，有的还添加一定量的Ni、Mo来提高强韧性，这必然会增加合金的制造成本。又如中国专利公开号CN1657643A是通过添加Cu元素来提高钢的强度及低温韧性，但在热加工过程中会产生Cu的热脆性。又如中国专利公开号CN1657643A、CN101597716A、CN101568661A发明中对钢中气体N含量有一定的控制范围要求，增加了冶炼难度。又如中国专利公开号CN1477226A、CN101597716A要求钢中添加RE、Ca、Zr等一种或一种以上的合金元素，使制造工艺复杂，生产成本增加。如表1所示。

表1单位：wt％

发明内容

本发明的目的是提供一种锰硼系低碳微合金高强度非调质钢及其生产方法，在保证钢的强韧性的前提下(Rm≥1000MPa，A₅≥15％，Z≥50％)，充分利用廉价的C、Si、Mn等元素，添加微量的V、Ti、Nb、B等元素，降低贵重元素Cr、Ni、Mo、Cu的应用，且本发明钢中不需添加冶炼过程中难于控制的N、RE、Ca、Zr等元素，从而简化工艺，降低制造成本；而且，由于本发明钢种在轧后空冷就具备良好的综合性能，因此可以取消调质热处理工序，从而简化其生产工艺，提高生产效率，降低生产成本。

为达到上述目的，本发明的的技术方案是：

本发明的锰硼系低碳微合金高强度非调质钢，其化学成分重量百分比为：C：0.17～0.25％、Si：0.80～1.20％、Mn：1.60～2.50％；V：0.08～0.15％、Nb：0.015～0.10％、Ti：0.01～0.06％、Al：0.015～0.05％；B：0.0005～0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。

在本发明的合金钢成分设计中：

C，是保证钢室温强度和淬透性所必需的成分，固溶强化作用显著，是保证在非调质状态下能够达到所需强度必不可少的元素，碳含量低于0.15％时淬透性和强度不够，但C含量过高则降低贝氏体转变温度，不利于贝氏体形成。优选C含量为0.17～0.25％。

Si，加入钢中起到了脱氧和固溶强化的作用，且Si能抑制贝氏体中碳化物的析出，改变贝氏体的形态，提高贝氏体韧性。含量低于0.80％效果不明显。当含量超过1.20％后，加工性和韧性恶化。优选Si含量为0.80～1.20％。

Mn，是主要的强韧化元素，Mn可以提高淬透性并确保强度，且能提高V、Ti在奥氏体中的固溶度，增强其沉淀强化效果；Mn的加入将细化钢的组织，提高韧性。Mn能扩大奥氏体区，促进钢的中温组织转变，即获得贝氏体组织。若达到上述效果，Mn含量必须在1.50％以上，另一方面，若Mn含量过高，则钢的韧性降低。为此，优选的Mn含量为1.60～2.50％。

Al，在钢中起到了脱氧和细化晶粒的作用。当加入量低于0.01％时，效果不明显，加入量超过0.06％时会使铝系夹杂物颗粒增大，使力学性能变差。优选在0.015～0.05％。

Ti，在钢中主要与C、N形成Ti(C，N)以提高强度，细小的Ti(C，N)可在加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，细化组织，提高塑韧性。但其含量不能太高，否则Ti(C，N)颗粒粗大，不仅不能够有效阻止晶粒长大，而且会损害钢的韧性。另外Ti的加入可以避免BN的形成，充分发挥B的作用。一般Ti含量在0.01～0.06％范围。

V，在钢中主要起沉淀强化作用，适量的V可提高钢的强度和塑性，V太高不会使强度明显增加，但会显著降低钢的塑韧性，如果V含量超过0.15％，则韧性就降低很多。一般V含量控制在0.08～0.15％范围。

Nb，在钢中可以与C结合，生成少量NbC并溶入其他合金碳化物中增加材料的稳定性，并细小均匀分布，抑制动态再结晶，细化晶粒，从而对钢的强韧化产生影响，可以增加钢的淬透性。本发明选择在0.015-0.1％范围。

B，固溶于基体中强烈推迟钢的中温组织转变，B的加入将使钢在很宽的冷速范围内得到贝氏体，也可增大Nb对钢淬透性的影响，因而B的加入可使低碳当量的钢获得高强度。为了发挥上述效果，B的含量必须为0.0005％以上，但当其含量高于0.005％时会形成碳化物，故贝氏体非调质钢中B含量一般控制在0.0005～0.005％范围。

本发明钢成分设计的特点是：通过加入Mn、B等强烈促进贝氏体相变的元素以产生贝氏体相变强化，但为了充分发挥B元素的有效作用，必须加入Al、Ti等以固定钢中的N元素，减少B与N的结合几率，增加固溶B的作用。同时Nb的加入可以抑制钢中Fe₂₃(CB)₆的析出，进一步增加增加固溶B的作用，可使钢在较低的冷却速度下获得贝氏体组织。此外，为了使钢获得更高的强度，在钢中加入了沉淀析出强化元素V，在钢中形成的VC和VN不但起析出强化作用，而且在奥氏体区析出的VC和VN可以成为贝氏体形成核心，可细化组织和提高韧性。Mn还可提高V在奥氏体中的固溶度积，增强沉淀强化效果，提高钢的强度和韧性。V如果与Mn一同进行复合添加，能够在保证高强度的同时将韧性的降低控制在最小。

本发明钢采用电炉(或转炉)+炉外精炼→模铸或连铸→控轧控冷工艺生产。在冶炼工序中，为提高微合金元素V、Ti和B的收得率，钢液应在充分脱氧后再进行合金化。为了提高钢的塑韧性，应对钢液进行充分的精炼，保证钢中有害元素、非金属夹杂物和气体含量降至最低。另外，对热加工条件也应进行严格控制。在热轧工序中，为了确保铸态组织中大块碳化物的充分溶解和铸态偏析的消除，以提高钢材的塑韧性，钢锭(坯)加热温度应控制在1150-1200℃，且保温足够长的时间，宜采用上限温度加热，以加快碳化物的溶解和元素的扩散。开轧温度为1020～1100℃，终轧温度为850～920℃，终轧温度过高易导致再结晶晶粒长大，不利于形变诱导析出。在轧制过程中，尽量增大精轧机组最后三道次的压下量，道次变形量控制在20％以上，确保铸态组织破碎充分和获得细晶组织，有利于强度和塑韧性的提高。在轧制过程中，形变奥氏体中产生大量的变形位错，在随后冷却过程中大量变形位错重新排列，形成大量位错胞状结构及亚晶，以此同时，大量细小的碳氮化物在位错及位错胞状结构上析出，促进了相变后组织的细化。终轧后空冷至室温，保证冷速均匀，严禁堆冷，由于适量Mn、B、Nb的复合添加，保证本发明钢在轧后空冷即可获得贝氏体组织，再通过V、Ti等的析出强化，其性能指标可达Rm≥1000MPa，A₅≥15％，Z≥50％以上的高强高韧性。

本发明与现有技术相比较，具有突出的特点和显著优点：

本发明与现有上述专利的最大区别就是不含有贵重的Cr、Ni、Mo和Cu等元素，而是通过添加微量的V、Ti、Nb、B等元素来改善钢的强韧性，且对气体N含量没有控制要求，也不需添加冶炼过程中难于控制的RE、Ca、Zr等元素，从而使冶炼工艺简化，制造成本降低。采用上述成分和制造方法生产的非调质合金钢，具有高强度兼有一定的塑韧性，而且，无需复杂的热处理工序，从而节约能源，减少环境污染，缩短生产周期和降低制造成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明所设计的化学成分和生产方法实施例的具体成分如表2所示。并对合金进行取样，分别进行室温拉伸试验，其结果如表3所示。

为了便于比较，35CrMo和40CrMnMo的性能指标也列于表中。

从表3可以看出，本发明的非调质合金钢经冶炼、控轧控冷后便可得到优良的性能指标，其Rm≥1000MPa，A≥15％，Z≥50％，其抗拉强度达到35CrMo和40CrMnMo钢≥980MPa的要求，塑性指标也远远超过35CrMo和40CrMnMo钢的要求，极大提高使用安全性，而且制造成本较低，可广泛应用于制造轴类、连杆、高强度标准件等零部件。

表2本发明钢的化学成分，wt％

实施例	C	Si	Mn	V	Al	Ti	Nb	B	Fe
										1	0.19	1.01	1.70	0.09	0.031	0.04	0.020	0.0005	其余
2	0.17	1.12	1.93	0.12	0.025	0.02	0.066	0.0023	其余
										3	0.23	0.94	2.17	0.15	0.015	0.03	0.095	0.0008	其余
4	0.20	1.18	2.50	0.10	0.020	0.04	0.082	0.0010	其余
										5	0.25	0.83	2.36	0.08	0.035	0.05	0.097	0.0010	其余

6	0.24	1.09	2.22	0.14	0.020	0.01	0.048	0.0043	其余
										7	0.20	1.20	1.99	0.12	0.021	0.03	0.056	0.0037	其余
8	0.22	0.90	1.62	0.13	0.048	0.06	0.017	0.0019	其余
										9	0.18	1.04	1.81	0.12	0.041	0.03	0.033	0.0046	其余

表3本发明钢的力学性能

本发明的非调质合金钢由于其力学性能优良，且价格便宜，因此在某些工程应用上可完全取代与其性能相当的调质钢，它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景将非常巨大。

Claims

1.锰硼系低碳微合金高强度非调质钢，其成分重量百分比：

C：0.17～0.25％

Si：0.80～1.20％

Mn：1.60～2.50％

V：0.08～0.15％

Nb：0.015～0.10％

Ti：0.01～0.06％

Al：0.015～0.05％

B：0.0005～0.005％

其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。

2.锰硼系低碳微合金高强度非调质钢的生产方法，包括如下步骤：

a)冶炼、铸造

锰硼系低碳微合金高强度非调质钢的成分重量百分比：C：0.17～0.25％、Si：0.80～1.20％、Mn：1.60～2.50％、V：0.08～0.15％、Nb：0.015～0.10％、Ti：0.01～0.06％、Al：0.015～0.05％、B：0.0005～0.005％、其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％；采用电炉或转炉+炉外精炼，模铸成锭或连铸成坯；

b)热轧

钢锭或坯加热温度控制在1150～1200℃，开轧温度为1020～1100℃，终轧温度为850～920℃；道次变形量控制在20％以上，终轧后空冷至室温；保证冷速均匀，严禁堆冷，至此即可获得Rm≥1000MPa，A₅≥15％，Z≥50％的低碳微合金高强度非调质钢。