CN104593671B - 一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于复合锻造成型的高强韧性非调质钢，通过微合金化作用，提高非调质钢再结晶温度，使其适用于复合锻造（热锻+温锻）成型，并改善非调质钢强韧性。本发明的调质钢经复合锻造成型后，锻件的抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥750MPa，屈强比≥0.85，延伸率A ≥17%，断面收缩率Z ≥50%，该锻件能够满足高冲击载荷的性能要求，具有与同用途调质钢相媲美的力学性能，同时具有缩短工艺流程、节能和降本的优点。

Description

一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用
技术领域
本发明涉及复合锻造(热锻+温锻)成型用非调质钢，特别是涉及适用于再结晶温度下锻造成型的高强韧性非调质钢，属于材料领域。
背景技术
非调质钢锻造是一种利用微合金化、控轧控冷的原材料，将锻造与热处理结合为一体的节能、环保、降本的新型工艺。但与调质钢锻件相比，非调质钢锻件的强度有余而韧性不足，目前非调质钢锻件仅常见于应用在汽车和少部分工程机械行业，如汽车发动机连杆、曲轴、万向节叉等。非调质钢锻件韧性低的特点限制了其在强冲击载荷工作条件下的应用。因此，非调质钢锻件的发展重点之一是在保证强度提升的基础上提高韧性，相对于强化技术和理论，非调质钢锻件的高韧化技术和理论发展相对滞后。特别对于用途最广、用量最大的铁素体-珠光体型(F+P)非调质钢，其强韧性技术和理论发展更加滞后。为提高F+P型非调质钢韧性，很多研究者做了大量工作。如中国专利公开号CN103614629A通过V-Ti-Mo多元微合金化和热连轧在线TMCP工艺控制，获得了晶粒尺寸小于5μm的超细晶铁素体基体上弥散分布粒径约5nm的微合金析出相，使钢板屈服强度达900MPa以上。中国专利公开号CN10130601A通过控制C、Mn、Cr、Mo等微合金元素含量，控制锻造工艺和低温回火制备的大截面尺寸F+P型非调质钢圆棒，其的屈服强度达850MPa。中国专利公开号CN102071368A综合利用C、Mn、Ti等强化效果完全或部分代替成本较高的V、Nb等合金元素开发出低成本F+P型非调质钢，其屈服强度可达610MPa。中国专利公开号CN103589970A通过合理的成分设计和制造中采用相变前快冷、相变中均匀冷却和相变后缓慢冷却的控冷方式开发出屈服强度约585MPa的轴类用F+P型非调质钢。可看出，对F+P型非调质钢锻件，多从成分设计、锻造工艺等方面探索提高强韧性的方法。本发明人前期对冷作形变强化非调质钢强韧化技术与理论进行了研究，通过冷拉拔形变和时效处理技术，一种F+P型非调质钢紧固件的屈服强度可增加30～50％。研究已经表明，冷作形变强化引起钢强度的增加，主要是位错增殖和位错间交互作用，形成了许多阻碍位错继续运动的组态，使加工硬化率提高，在宏观上表现为强韧性增加。鉴于此，本发明人在冷作强化技术和机理的启发下，对F+P型非调质钢热锻造后再进行再结晶温度下锻造，即复合锻造(热锻+温锻)成型，发现在提高抗拉强度的同时，可进一步显著提高屈服强度。金庆生也对35MnVN非调质钢、40MnVTi非调质钢、40Cr调质钢和45钢进行热锻后再加热到650℃进行温锻研究，通过比较发现非调质钢温锻后屈服强度提升效果显著高于调质钢和碳钢(金庆生，非调质钢35MnVN、40MnVTi温锻后的组织性能研究，热加工工艺，2005，(9)：16-19)。温锻造不仅改善了非调质钢的成型性，而且还提高了锻件的综合力学性能，因此，温锻造越来越引起人们的重视，温锻造成型工艺已应用于含V、Ti中碳非调质钢，为提高非调质钢的韧性开辟了新的途径。然而，对一些强度级别较高的中、高碳非调质钢进行再结晶温度下锻造时，由于变形温度较低，导致锻造成型困难，容易在材料内部形成微裂纹缺陷、降低成材率，同时对模具的磨损非常严重。因此，开发具有较高再结晶温度的F+P型非调质钢对温锻成型顺利进行，提高成材率和降低模具损耗具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，能够提高非调质钢的再结晶温度，使其更好地适用于复合锻造成型，又具有高强韧性。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.25～0.40，Mn：1.0～2.0，Si：0.3～1.0，Al：0.01～0.10，V：0.01～0.15，N：0.008～0.02，Nb：0.005～0.05，RE(混合稀土)：0.001～0.0075，P：0.005～0.03，S≤0.005，余量为Fe及杂质；所述混合稀土RE以固溶方式进行添加；所述非调质钢经复合锻造成型的锻件抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥750MPa，屈强比≥0.85，延伸率A≥17％，断面收缩率Z≥50％。
优选地，前述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.32～0.40，Mn：1.5～2.0，Si：0.3～0.7，Al：0.05～0.10，V：0.05～0.10，N：0.012～0.02，Nb：0.01～0.05，RE(混合稀土)：0.001～0.0075，P：0.005～0.03，S≤0.005，余量为Fe及杂质。
进一步地，在前述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用中，所述非调质钢还单一添加或复合添加有如下化学成分：Ti：0.01～0.15wt.％，W：0.01～0.1wt.％，Mo：0.005～0.05wt.％。
作为一个具体实施例，前述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.28，Mn：1.81，Si：0.45，Al：0.077，V：0.071，N：0.018，Nb：0.033，RE：0.0017，P：0.011；S：0.002，余量为Fe及杂质。
作为另一个具体实施例，前述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.30，Mn：1.70，Si：0.34，Al：0.065，V：0.13，N：0.009，Nb：0.045，RE：0.0038，P：0.009；S：0.0039，Ti：0.04，W：0.017，Mo：0.007，余量为Fe及杂质。
在本发明中，各元素作用及配比依据如下：
碳：能够与强碳化物形成元素V、Ti、Mo、W等结合形成碳化物，这些碳化物起到沉淀强化和细晶强化作用，一方面有利于强度增加，另一方面能够拖拽基体晶界而阻止再结晶，提高再结晶温度，但C含量增加，韧性下降，碳含量高于0.4wt.％，产品的(低温)韧性降低较明显，本发明C含量设计为0.25～0.40wt.％，进一步控制在0.32～0.40wt.％。
锰：是提高非调质钢强度，改善韧性的重要合金元素，Mn元素还可以提高VC和VN在奥氏体中的溶解度，有助于其在铁素体中析出。一般Mn含量低于1.0wt.％时，其强韧化效果不明显，增加Mn含量，有利于珠光体团变细小，并减小珠光体片层间距，还使珠光体中渗碳体片的厚度减薄，但Mn含量大于2.0wt.％时，将提高珠光体的体积分数，降低钢的韧性，因此，本发明Mn含量设计为1.0～2.0wt.％，进一步在1.0～1.5wt.％。
硅：显著强化铁素体，具有较强的固溶强化效果，又可增加铁素体的体积分数，有利于提高韧性，但Si含量过高，将降低钢的韧性和其它工艺性能，一般在F+P型非调质钢中，Si含量不高于1.0wt.％，本发明Si含量设计为0.3～1.0wt.％，进一步控制在0.5～1.0wt.％。
铝：与N结合形成AlN析出相，能够有效阻止形变奥氏体再结晶，提高再结晶温度，同时具有细化晶粒作用，能够同时提高强度和韧性；本发明Al含量设计为0.01～0.10wt.％，进一步控制在0.05～0.10wt.％。
钒：与Mo、Ti共同析出，形成(Ti，V，Mo)C复合析出相，对钢的强度具有显著提高作用，但V含量较高时，强度提高作用越来越小，且韧性下降较多。此外含V的沉淀相也能够提高再结晶温度，因此，本发明设计为0.01～0.15wt.％，进一步控制为0.05～0.15wt.％。
氮：经济有效的微合金强化元素，与V、Ti、Nb等元素有很强的亲和力，可形成稳定的间隙相，碳化物与碳化物可以互相溶解，形成碳氮化物，这些化合物能够有效阻止奥氏体晶粒粗化，起到细化铁素体晶粒，有利于提高韧性；此外N元素有利于促进V析出，减少V用量，降低成本，但N含量高时，连铸时容易产生裂纹，因此，本发明N含量设计为0.008～0.02wt.％，进一步控制在N：0.012～0.02wt.％。
铌：固溶于Fe基体中的Nb具有强烈的溶质拖拽作用，阻碍再结晶，能够显著提高再结晶温度；此外Nb能够与C、N结合，具有沉淀强化作用，但含量较高时，阻碍再结晶作用减小，且Nb成本较高，本发明Nb含量设计为0.005～0.05wt.％。
混合稀土RE：固溶稀土具有显著阻碍再结晶作用，提高再结晶温度，同时熔炼时去除夹杂、减小偏析、细化晶粒等作用，但价格昂贵，本发明优选控制在0.001～0.005wt.％。
磷：能够提高基体强度，但在锻造时对变形有抑制作用，本发明设计P含量为0.005～0.03wt.％。
硫：钢中杂质元素，显著降低韧性，本发明S含量设计为S≤0.005％。
钛：与C、N的亲和力大于V，在热锻温度范围内优先应变诱导沉淀析出TiC、TiN相，从而有效阻止形变奥氏体再结晶，提高再结晶温度，但Ti-V复合加入时，为发挥V的强化作用，Ti量不宜过高，且Ti含量过高时，还将降低其韧性，因此，本发明Ti含量设计为0.01～0.15wt.％，进一步控制在0.05～0.15wt.％。
钨：高熔点元素，形成强碳化物，能够阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界迁移，有效阻止形变奥氏体再结晶，使再结晶温度提高，且W是强碳化物形成元素，不易分解，有利于沉淀强化，但W含量较高时，钢基体导热性降低，容易出现变形、开裂的倾向，本发明W含量设计为0.01～0.1wt.％。
钼：高熔点元素，形成强碳化物，能够阻碍原子的扩散、位错的运动和晶界迁移，有效阻止形变奥氏体再结晶，使再结晶温度提高，且Mo是强碳化物形成元素，不易分解，有利于沉淀强化，但Mo成本较高，本发明Mo含量设计为0.005～0.05wt.％。
本发明的有益之处在于：本发明的非调质钢与典型调质钢锻件或非调质钢锻件技术相比，机械性能同样优越：抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥750MPa，屈强比≥0.85，延伸率A≥17％，断面收缩率Z≥50％。通过微合金化作用，使得再结晶温度达到630℃以上，避免了在低的再结晶温度下锻造成型困难、微裂纹缺陷多、成材率低等问题，既适用于复合锻造(热锻+温锻)成型，又具有高强韧性，完全适用于高冲击力载荷的性能要求，具有与同用途调质钢相媲美的力学性能，同时具有缩短工艺流程、节能和降本的优点。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明共提供了五个实施例，各实施例的详细化学成分和质量百分比见表1。
编号 C Mn Si Al V N Nb RE P S Ti W Mo
实施例1 0.28 1.81 0.45 0.077 0.071 0.018 0.033 0.0017 0.011 0.0020 - - -
实施例2 0.38 1.04 0.78 0.090 0.019 0.011 0.012 0.0034 0.006 0.0014 - - -
实施例3 0.33 1.42 0.53 0.038 0.021 0.013 0.008 0.0066 0.017 0.0019 0.13 - -
实施例4 0.36 1.27 0.59 0.043 0.034 0.015 0.037 0.0051 0.022 0.0034 0.089 0.044 -
实施例5 0.30 1.70 0.34 0.065 0.13 0.009 0.045 0.0038 0.009 0.0039 0.04 0.017 0.007
表1 实施例1-5的复合锻造成型的高强韧性非调质钢化学成分(wt.％)(其余为Fe和杂质)
将表1所示成分的非调质钢在实验室电炉上冶炼试验钢，连铸圆坯，轧制成直径80mm热轧圆坯，对热轧圆坯进行高温锻造，随后风冷或空冷至再结晶温度下10～30℃进行温锻造，变形量约10～20％，最后空冷或风冷至室温。
温锻造工艺中，再结晶温度、始锻温度、终锻温度、变形量、冷却方式和最终锻件的力学性能如表2所示。
表2本发明复合锻造成型的高强韧性非调质钢温锻造工艺参数和力学性能
其中，对比例1、对比例2、对比例3分别参考专利公开号CN103614629A、CN102071368A、CN103589970A。
由表2可见，本发明的非调质钢具有与同用途调质钢相媲美的力学性能：抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥750MPa，屈强比≥0.85，延伸率A≥17％，断面收缩率Z≥50％。特别惊奇的是，通过微合金化作用，本发明的再结晶温度达到630℃以上，比现有技术中记载的550℃左右的再结晶温度要高出不少，避免了在低的再结晶温度下锻造成型困难、微裂纹缺陷多、成材率低等问题，既适用于复合锻造(热锻+温锻)成型，又具有高强韧性，完全适用于高冲击力载荷的性能要求，具有良好的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢的化学成分按质量百分比wt.％如下：C：0.25～0.40，Mn：1.0～2.0，Si：0.3～1.0，Al：0.01～0.10，V：0.01～0.15，N：0.008～0.02，Nb：0.005～0.05，混合稀土RE：0.001～0.0075，P：0.005～0.03，S≤0.005，余量为Fe及杂质；所述混合稀土RE以固溶方式进行添加；所述非调质钢经复合锻造成型的锻件抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥750MPa，屈强比≥0.85，延伸率A≥17％，断面收缩率Z≥50％；所述复合锻造中再结晶温度高于630℃。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢的化学成分按质量百分比wt.％如下：C：0.32～0.40，Mn：1.5～2.0，Si：0.3～0.7，Al：0.05～0.10，V：0.05～0.10，N：0.012～0.02，Nb：0.01～0.05，混合稀土RE：0.001～0.0075，P：0.005～0.03，S≤0.005，余量为Fe及杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢还单一添加或复合添加有如下化学成分：Ti：0.01～0.15wt.％，W：0.01～0.1wt.％，Mo：0.005～0.05wt.％。
4.根据权利要求3所述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.28，Mn：1.81，Si：0.45，Al：0.077，V：0.071，N：0.018，Nb：0.033，RE：0.0017，P：0.011；S：0.002，余量为Fe及杂质。
5.根据权利要求3所述的一种高强韧性非调质钢在复合锻造成型中的应用，其特征在于，所述非调质钢的化学成分按质量百分比(wt.％)如下：C：0.30，Mn：1.70，Si：0.34，Al：0.065，V：0.13，N：0.009，Nb：0.045，RE：0.0038，P：0.009；S：0.0039，Ti：0.04，W：0.017，Mo：0.007，余量为Fe及杂质。
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Application publication date: 20150506

Assignee: JIANGSU YONGGANG GROUP Co.,Ltd.

Assignor: NANJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980033317

Denomination of invention: Application of a High Strength and Toughness Non quenched and Tempered Steel in Composite Forging Forming

Granted publication date: 20170419

License type: Common License

Record date: 20230306