CN104911486A

CN104911486A - 汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法

Info

Publication number: CN104911486A
Application number: CN201510335062.2A
Authority: CN
Inventors: 张贤忠; 陈庆丰; 王国秋; 张渊普; 卜勇; 韦泽宏; 李献忠; 黄红明; 黄海玲; 杜方; 曹立潮
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，属钢铁冶金技术领域，本发明包括非调质钢化学成分及其钢坯加热、轧制和轧后冷却生产步骤，所述非调质钢其质量百分比的化学成分为C：0.35-0.45％、Si：0.45-0.65％、Mn：1.30-1.50％、P：0.010-0.030％、S：0.015-0.035％、Al：0.005-0.015％、Cr：0.10-0.30％、V：0.05-0.15％、N：0.0080-0.0150％，其余量为Fe和不可避免的夹杂；控制钢坯加热温度为1150-1250℃，保持开轧温度在1020-1100℃、终轧温度在800-900℃，压下量≥15；控制其轧后冷却速度为1-10℃/s，生产工艺线路简单，可操作性强，易于控制，所生产的非调质钢的抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于650MPa，延伸率大于20％，断面收缩率大于45％，最终获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性中碳非调质钢。

Description

汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法

技术领域

本发明汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，属钢铁冶金技术领域，具体涉及高强韧性非调质钢及其生产方法。

背景技术

随着汽车、机械等行业的发展，对制造各类钢材提出了越来越高的要求，最有效的措施便是高强度化，而且随着日益面临的能源危机，节能降耗、价格低廉、简化生产过程的非调质钢将会得到越来越多的应用。非调质钢最早应用于德国的汽车制造中，后来瑞典、日本的主要汽车零部件也都采用非调质钢生产，目前国内非调质钢的应用范围正在不断扩大，从汽车曲轴到连杆、转向节、半轴和轮毂等零件，面对的主要障碍往往是非调质钢强度、硬度有余而韧性不足，因此在某些零部件生产中仍存在问题。

目前，汽车紧固件螺栓用钢多为传统的调质钢，如35、40、45、40Cr、35CrMo、40MnB、42CrMo等中碳钢，需要经过球化退火、酸洗磷化、冷拔、滚丝、成形、调质、去氢退火等工艺，消耗能源多，生产周期长。非调质钢与传统调质钢相比由于省去了冷拔前的球化退火和成形后的调质工艺，不仅可以提高生产效率，而且还能减少能源消耗。非调质钢对尺寸效应(体积效应)不敏感，其横截面上抗拉强度和硬度分布比较均匀，大规格调质螺栓，由于受淬透性的影响，表面和心部力学性能和硬度差别很大，使用非调质钢更见优势；非调质钢制作的高强螺栓，屈强比高于调质紧固件，服役中不易出现滑扣、变形、断裂、回角磨圆等质量问题。

冷作硬化型非调质钢是制造汽车紧固件螺栓的主要钢种，其特点是：在材料的质量分数组分中含有较高含量的硅、锰元素，采用先进的低温状态下的轧制控制冷却技术获得细晶组织的热轧材，按设定的冷拔减面率拉拔后，达到相应等级工艺料直接通过冷镦成形加工成紧固件。成形后的紧固件不再需要经过传统的淬火并回火的调质过程，或只需进行稳定化时效处理，经过稳定化处理后的紧固件成品能全面达到GB/T3098.1紧固件机械性能标准(螺栓、螺钉和螺柱)中的各项指标。目前，这类低碳微合金以铁素体-珠光体为主要组织的非调质钢用于制造8.8级～10.9级的外螺纹紧固件。尤其在制造细长杆螺栓、螺柱、U型螺丝和螺杆时，因为不需调质热处理，避免弯曲变形更显优势。在节约能源、保护环境、降低成本方面有显著效果。因此，在国内推广应用较为普遍。

国内用作汽车紧固件螺栓的非调质钢主要有LF20Mn2、LF18Mn2、LF10MnSiTi等、国外主要有日本新日铁公司生产的NHF55、NHF60和NHF85；日本大同特殊钢公司生产的MC7和MC8。其特点是在低碳钢的基础上适当添加部分V、Nb、Ti、B等微合金元素，通过炼钢-轧制工艺生产成棒材或线材，其热轧材的性能一般不超过900MPa，为了提高强度，需进行冷拔变形，达到需要的强度，但牺牲了部分塑性，影响了螺栓的强韧性。

发明内容

本发明的目的是提供汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，以克服现有技术低碳非调质钢生产中因其必须的冷拔加工过程的较大减面率而导致的材料韧性大幅度降低的问题，本发明通过对中碳钢化学成分和生产工艺的设计，无需冷拔工序，使所生产的热轧中碳非调质钢圆钢以其高强韧性，适用于汽车用紧固件螺栓，并且节约能耗和降低成本。

本发明技术方案：

本发明汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，包括非调质钢化学成分及其钢坯加热、轧制和轧后冷却生产步骤，所述非调质钢，其质量百分比的化学成分为C：0.35-0.45％、Si：0.45-0.65％、Mn：1.30-1.50％、P：0.010-0.030％、S：0.015-0.035％、Al：0.005-0.015％、Cr：0.10-0.30％、V：0.05-0.15％、N：0.0080-0.0150％，其余量为Fe和不可避免的夹杂；在所述钢坯加热步骤，控制钢坯加热温度为1150-1250℃，使钢坯中的V(C、N)充分溶解于奥氏体中，呈弥散分布；在所述轧制步骤，保持开轧温度在1020-1100℃、终轧温度在800-900℃，压下量≥15；通过多道反复形变再结晶，充分细化奥氏体晶粒，同时使铁素体晶粒充分细化；在所述轧后冷却步骤，控制其轧后冷却速度为1-10℃/s，以控制C、N及V微合金元素析出物的颗粒大小和数量、晶粒大小、珠光体的相对量；从而获得适用汽车紧固件螺杆的非调质钢热轧钢。

一种根据上述技术方案的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.35％、Si：0.45％、Mn：1.30％、P：0.015％、S：0.020％、Cr：0.20％、V：0.08％、N：0.0080％、Al：0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1250℃，保持开轧温度为1100℃、终轧温度为900℃，压下量为15；控制轧后冷却速度为10℃/s；热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为70％，获得机械性能参数为：Rm：920MPa，Rel：650MPa，A：25％，Z：50％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的非调质圆钢。

一种根据上述技术方案的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其非调质钢之质量百分比化学成份为C：0.38％、Si：0.50％、Mn：1.35％、P：0.020％、S：0.020％、Cr：0.15％、V：0.10％、N：0.0100％、Al：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1200℃，保持开轧温度为1080℃、终轧温度为880℃，压下量18；轧后冷却速度为8℃/s，热轧材晶粒度9.0级，珠光体比例为73％，获得机械性能参数为Rm：940MPa，Rel：660MPa，A：23％，Z：48％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的非调质圆钢。

一种根据上述技术方案的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其非调质钢之质量百分比化学成份为C：0.40％、Si：0.55％、Mn：1.40％、P：0.010％、S：0.025％、Cr：0.16％、V：0.12％、N：0.0120％、Al：0.010％、其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1180℃，保持开轧温度为1060℃，终轧温度为850℃，压下量20；轧后冷却速度5℃/s；热轧材晶粒度9.5级，珠光体比例为75％，获得机械性能为：Rm：950MPa，Rel：670MPa，A：22％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质圆钢。

一种根据上述技术方案的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其非调质钢之质量百分比化学成份为C：0.42％、Si：0.60％、Mn：1.45％、P：0.030％、S：0.025％、Cr：0.14％、V：0.12％、N：0.0140％、Al：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1150℃，保持开轧温度为1040℃、终轧温度为850℃，压下量18；轧后冷却速度为2℃/s；热轧材晶粒度9.0级，珠光体比例为76％，获得机械性能参数为Rm：950MPa，Rel：680MPa，A：22％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢。

一种根据上述技术方案的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其非调质钢之质量百分比化学成份为C：0.45％、Si：0.65％、Mn：1.50％、P：0.010％、S：0.035％、Cr：0.10％、V：0.15％、N：0.0150％、Al：0.015％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1150℃，保持开轧温度为1020℃、终轧温度为800℃，压下量20；轧后冷却速度为1℃/s；热轧材晶粒度9.5级，珠光体比例80％，获得机械性能参数为Rm：980MPa，Rel：690MPa，A：20％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢。

本发明从优化中碳非调质钢的成分入手，科学调整其成分及其含量，并控制其生产加工的钢坯加热温度、优化轧制步骤参数和控制轧后冷却速度，从而获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性中碳非调质钢，其思路和理论依据如下：

C：碳含量是影响非调质钢强度的主要元素。随着碳含量的增加，使钢中的铁素体和珠光体变细，并由于珠光体量增加，使钢的强度提高，因此，非调质钢的碳含量设计为0.35-0.45％，可以保证珠光体比例在70-80％。

Si：Si在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能；同时，在钢中加入适量的Si有利于改善钢的韧性；但当Si含量超过0.70％时，强度增加，韧性下降。因此，设计的钢中Si含量为0.45-0.65％。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，但含量低于0.80％时，其强化效果不明显；Mn还能扩大γ区域，增加钢中Mn含量，将降低钢的共析成分碳的含量，导致珠光体量的增多，提高钢的强度，同时降低钢的相变温度，减缓奥氏体向珠光体的转变速度，细化铁素体晶粒、珠光体团和珠光体片层间距，提高钢的强度，但当钢中Mn含量超过1.5％时，有促进钢贝氏体化的作用，因此设计的钢中Mn含量为1.30-1.50％。

P：P能强化铁素体相，提高钢的强度；同时，P能降低钢的塑性和韧性，提高钢的脆性。因此，设计钢中P含量为0.010-0.030％。

S：在钢中添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，在切削加工时，使切削容易断开，改善工件光洁度；同时，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数，从而细化了铁素体-珠光体组织，因此设计的S含量为0.015-0.035％。

Cr：钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度，但钢中过高的Cr使C曲线明显右移，易获得贝氏体组织，因此设计的Cr含量为0.10-0.30％。

Al：Al在钢中易于形成细小的AlN颗粒阻碍奥氏体晶粒粗大化，因此，有时要在钢中主动地加入一部分Al，但过高的Al不利于钢的冶炼生产，所以设计的Al含量为0.005-0.015％。

V：V作为主要添加的合金元素，可以使γ相向α相的相变温度降低，形成较弥散的珠光体。钒在奥氏体中固溶温度较低，但扩散速度相当快，在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，随着钢中钒含量的增加，钢的强度呈直线上升，但更多的钒含量对钢的进一步强化作用并不大，因此设计V的含量为0.05-0.15％。

N：N在钢中主要是加强沉淀强化效果和细化晶粒作用，N与V有很强的亲和力，可以形成极稳定的间隙相。氮化物和碳化物可以互相溶解，形成碳氮化物，氮化物之间也可以互相溶解，形成复合氮化物，这些化合物常以细小质点存在，产生弥散强化效果，提高钢的强度。钢中的VN，不但是强化相，还可以抑制奥氏体晶界的迁移，细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体晶粒和珠光体团，在相变时，又起核心作用，进一步使铁素体晶粒细化。但钢中过高的N含量对连铸生产不利，易形成连铸坯裂纹，因此，设计的N含量为0.0080-0.0150％。

本发明汽车紧固件螺杆用中碳非调质钢的生产方法所设计的轧后冷却速度范围为1-10℃/s，在该轧后冷却速度范围内，增加轧后冷却速度，能使钢中的C、N及V微合金元素过饱和度增大，第二相粒子快速析出，这些细小粒子一般达到nm级，常常在铁素体晶内析出，并在这里较快地成长，因此，适当的冷却速度对其析出物的颗粒大小和数量、晶粒大小、珠光体的相对量都具有一定的影响，这必将影响钢的机械性能；但当冷却速度增大到一定程度后(≥10.0℃/s)，使共析相变也被抑制，奥氏体被过冷到M_S点(马氏体相变开始温度)以下的温度。这时，由于温度很低使得铁原子和碳原子的扩散已不能进行或不易进行，故奥氏体只能以不发生原子扩散、不产生化学成分变化的方式，通过切变而由面心立方点阵改组为略有一定正方度的体心立方点阵，即转变为马氏体，其转变产物马氏体的化学成分与母相奥氏体的成分相同。同时，母相固溶体严重过饱和，溶质原子的扩散被抑制，造成大量第二相不能相变析出。

本发明从优化中碳非调质钢的成分入手，调整成分，严格控制钢中C、Si、Mn、V、N等元素的含量，通过控制碳含量在0.35-0.45％，可以得到铁素体-珠光体组织，且珠光体比例控制在70-80％，有利于提高钢的强度；控制钢中的V和N含量，使其在轧后冷却过程中析出碳氮化钒，在钢中产生析出强化，有利于提高钢的强度；同时，析出的细小析出相可以阻止铁素体晶粒位错运动而提高钢的屈服强度；另外，这些细小析出相还能阻止形变奥氏体的再结晶和细化晶粒，有利获得强韧性良好的非调质钢；同时通过控制钢坯加热温度、优化轧制工艺和控制轧后冷却速度，获得细小的铁素体和珠光体组织，促进增多弥散分布的(C、N)V析出相，使非调质钢的抗拉强度大于900MPa，屈服强度大于650MPa，延伸率大于20％，断面收缩率大于45％，最终获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性非调质钢。

本发明汽车紧固件螺杆用非调质钢的生产工艺线路简单，可操作性强，易于控制降低了生产成本，节约能源。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步描述：

实施例1：

本发明一种汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，含有

C：0.35％、Si：0.45％、Mn：1.30％、P：0.015％、S：0.020％、Cr：0.20％、V：0.08％、N：0.0080％、Al：0.005％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1250℃，开轧温度：1100℃，终轧温度：900℃，压下量：15；轧后冷却速度：10℃/s，其热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为70％，获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢，其机械性能参数为Rm：920MPa，Rel：650MPa，A：25％，Z：50％。

实施例2:

本发明一种汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，含有

C：0.38％、Si：0.50％、Mn：1.35％、P：0.020％、S：0.020％、Cr：0.15％、V：0.10％、N：0.0100％、Al：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1200℃，开轧温度：1080℃，终轧温度：880℃，压下量：18；轧后冷却速度：8℃/s。热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为73％，获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢，其机械性能参数为机械性能为Rm：940MPa，Rel：660MPa，A：23％，Z：48％。

实施例3:

本发明一种汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，含有

C：0.40％，Si：0.55％，Mn：1.40％，P：0.010％，S：0.025％，Cr：0.16％，V：0.12％，N：0.0120％，Al：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1180℃，开轧温度：1060℃，终轧温度：850℃，压下量：20；轧后冷却速度：5℃/s。热轧材晶粒度为9.5级，珠光体比例为75％，机械性能为Rm：950MPa，Rel：670MPa，A：22％，Z：45％。

实施例4:

本发明一种汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，含有

C：0.42％、Si：0.60％、Mn：1.45％、P：0.030％、S：0.025％、Cr：0.14％、V：0.12％、N：0.0140％、Al：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1150℃，开轧温度：1040℃，终轧温度：850℃，压下量：18；轧后冷却速度：2℃/s。热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为76％，获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢，机械性能参数为Rm：950MPa，Rel：680MPa，A：22％，Z：45％。

实施例5:

本发明一种汽车紧固件螺杆用中碳非调质钢及其生产方法，含有

C：0.45％、Si：0.65％、Mn：1.50％、P：0.010％、S：0.035％、Cr：0.10％、V：0.15％、N：0.0150％、Al：0.015％，其余为铁和不可避免的杂质；连铸坯加热温度：1150℃，开轧温度：1020℃，终轧温度：800℃，压下量：20；轧后冷却速度：1℃/s。热轧材晶粒度为9.5级，珠光体比例为80％，获得适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢，其机械性能参数为Rm：980MPa，Rel：690MPa，A：20％，Z：45％。

以下表1是本发明5个实施例与现有三种汽车非调质紧固件螺栓用钢为对比钢的化学成份数据，表中除所示化学成分，余量为Fe和不可避免的杂质。

表2是表1所列本发明5个实施例与现有三种汽车非调质紧固件螺栓用钢为对比钢的综合性能数据。

表1

表2

Claims

1.汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，包括非调质钢化学成分及其钢坯加热、轧制和轧后冷却生产步骤，其特征在于，所述非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.35-0.45％、Si：0.45-0.65％、Mn：1.30-1.50％、P：0.010-0.030％、S：0.015-0.035％、Al：0.005-0.015％、Cr：0.10-0.30％、V：0.05-0.15％、N：0.0080-0.0150％，其余量为Fe和不可避免的夹杂；在所述钢坯加热步骤，控制钢坯加热温度为1150-1250℃，使钢坯中的V(C、N)充分溶解于奥氏体中，呈弥散分布；在所述轧制步骤，保持开轧温度在1020-1100℃、终轧温度在800-900℃，压下量≥15；通过多道反复形变再结晶，充分细化奥氏体晶粒，同时使铁素体晶粒充分细化；在所述轧后冷却步骤，控制其轧后冷却速度为1-10℃/s，以控制C、N及V微合金元素析出物的颗粒大小和数量、晶粒大小、珠光体的相对量；从而获得适用汽车紧固件螺杆的非调质钢热轧钢。

2.一种根据权利要求1所述的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其特征在于，所述非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.35％、Si：0.45％、Mn：1.30％、P：0.015％、S：0.020％、Cr：0.20％、V：0.08％、N：0.0080％、Al：0.005％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1250℃，保持开轧温度为1100℃、终轧温度为900℃，压下量为15；控制轧后冷却速度为10℃/s；热轧材晶粒度9.0级，珠光体比例为70％，获得机械性能参数为Rm：920MPa，Rel：650MPa，A：25％，Z：50％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质圆钢。

3.一种根据权利要求1所述的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其特征在于，所述非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.38％、Si：0.50％、Mn：1.35％、P：0.020％、S：0.020％、Cr：0.15％、V：0.10％、N：0.0100％、Al：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1200℃，保持开轧温度1080℃、终轧温度880℃，压下量18；轧后冷却速度为8℃/s，热轧材晶粒度为9.0级，珠光体比例为73％，获得机械性能参数为Rm：940MPa，Rel：660MPa，A：23％，Z：48％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质圆钢。

4.一种根据权利要求1所述的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其特征在于，非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.40％、Si：0.55％、Mn：1.40％、P：0.010％、S：0.025％、Cr：0.16％、V：0.12％、N：0.0120％、Al：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1180℃，保持开轧温度为1060℃、终轧温度为850℃，压下量20；轧后冷却速度为5℃/s；热轧材晶粒度9.5级，珠光体比例为75％，获得机械性能为Rm：950MPa，Rel：670MPa，A：22％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质圆钢。

5.一种根据权利要求1所述的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其特征在于，非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.42％、Si：0.60％、Mn：1.45％、P：0.030％、S：0.025％、Cr：0.14％、V：0.12％、N：0.0140％、Al：0.010％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1150℃，保持开轧温度为1040℃、终轧温度为850℃，压下量18；轧后冷却速度为2℃/s；热轧材晶粒度9.0级，珠光体比例为76％，获得机械性能参数为Rm：950MPa，Rel：680MPa，A：22％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢。

6.一种根据权利要求1所述的汽车紧固件螺杆用非调质钢及其生产方法，其特征在于，非调质钢之质量百分比化学成分为C：0.45％、Si：0.65％、Mn：1.50％、P：0.010％、S：0.035％、Cr：0.10％、V：0.15％、N：0.0150％、Al：0.015％，其余为铁和不可避免的杂质；控制钢坯加热温度为1150℃，保持开轧温度为1020℃、终轧温度为800℃，压下量20；轧后冷却速度为1℃/s；热轧材晶粒度9.5级，珠光体比例为80％，获得机械性能参数为Rm：980MPa，Rel：690MPa，A：20％，Z：45％的一种适用汽车紧固件螺杆的高强韧性能的中碳非调质钢热轧圆钢。