CN105063481B - 一种免退火含硼冷镦钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免退火含硼冷镦钢的生产方法，属于冶金工业生产的金属材料领域。本发明原料组分包括C、Si、Mn、Ti、Al、P、S、B，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明既保证了免退火冷镦钢的淬透性，又使钢不容易产生裂纹，使钢中硼含量的加入范围更加合理，本发明采用最佳成份组合，不仅满足了用户的使用要求，而且使钢材的成本降低约70元/吨钢。此外，线材热处理后的性能，满足用户8.8级产品甚至9.8级产品的性能要求。

Description

一种免退火含硼冷镦钢的生产方法

技术领域

本发明涉及一种免退火含硼冷镦钢的生产方法，属于冶金工业生产的金属材料领域。

背景技术

冷镦钢是在室温条件下，采用一次或多次冲击加载直接成型生产螺钉、螺母、销钉等紧固件或冷镦成型零部件的一类低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。它广泛应用于汽车、机械、建筑、电器等行业领域。冷镦钢冷成型性能好，具有优良的综合力学性能。

低碳含硼钢是近年来发展起来用于冷成型的新钢种，其具有以下特点：硼是最有效的提高淬透性的元素，极微量的硼即能显著提高钢的淬透性，可节约大量昂贵的合金元素镍、钼等，经济效果明显。

10B21钢种也可以做10.8级的冷镦钢，据《金属制品》2009年第5期万国喜等人的“10B21高强度冷镦钢线材的生产”报道，10B21钢的化学成分为：C 的质量分数为0. 20% ~0. 23%，Si的质量分数为≤0.08%， Mn的质量百分数为0.80% ~ 1. 00%，Al的质量百分数为0. 025% ~ 0. 045% ，P的质量百分数< 0. 020%，S的质量百分数为< 0. 015%，B的质量百分数为0. 0010% ~ 0. 0035% 。由于该成分设计中不含Ti，实际生产中钢中氮元素与钛元素结合生成TiN，因此很难保证钢中单质硼的存在。

含硼冷镦钢10B21也可以制作8.8级的冷镦钢，据《钢铁研究》2014年第6期帅习元等人的“含硼冷镦钢10B21冷镦开裂原因分析”报道，武钢10B21钢的化学成分为：C 的质量分数为0. 19% ~ 0. 23%，Si的质量分数为≤0.25%， Mn的质量百分数为0.65% ~ 0.90%，P的质量百分数< 0. 020%，S的质量百分数为< 0. 020%，B的质量百分数为0. 0008% ~ 0.0030% 。该成分设计中既不含铝也不含钛，因此容易引起钢中B元素的氧化和氮化，对硼元素作用的发挥会产生影响。

据《金属热处理》2013年第7期麻晗等人的“节能型钢筋、线材的研发与生产实践”报道，江苏沙钢的10B21钢的化学成分为：C 的质量分数为0. 19% ~ 0. 23%，Si的质量分数为≤0.10%， Mn的质量百分数为0.70% ~ 0.90%，Al的质量百分数为0. 03% ，P的质量百分数≤

0. 015%，S的质量百分数为≤ 0. 010%，B的质量百分数为0. 0010% ~ 0. 0030%，Ti的质量百分数为≤ 0. 04%。该成分设计中，B元素的含量波动较大，对产品质量的稳定会产生不利影响。

据张家港联峰钢铁研究所有限公司于2014年3月12日申请的专利“一种超低硬度免退火冷镦钢生产方法（专利申请号为201410088703.4）”介绍，该冷镦钢的成分设计为：C的质量分数为0. 19% ~ 0. 22%，Si的质量分数为≤0.08%， Mn的质量百分数为0.80% ~1.00%，Al的质量百分数为≥0. 025% ，P的质量百分数≤ 0. 015%，S的质量百分数为≤ 0.010%，B的质量百分数为≤0. 0035% ，Ti的质量百分数为0.025% ~ 0. 050%。该成分设计中，钢中铝含量偏高，成本相对来说会高一些。此外，钢中的S、P元素虽然是有害元素，但其含量要求过严，会较大幅度增加钢材的成本。

虽然含硼冷镦钢有淬透性好、成本低的特点，但由于硼元素是一个敏感元素，其成分范围需要较好的确定。钢中硼含量过低，达不到提高钢材淬透性的作用；硼含量过高，又会使钢发脆，钢材在生产过程中容易产生裂纹。因此，需要将钢中硼含量控制在合理的范围内。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种免退火含硼冷镦钢线材，采用该线材制作的冷镦钢，具有免球化退火且降低冷镦钢模具磨损，低成本、高质量的一种免退火含硼冷镦钢的生产方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种将免退火含硼冷镦钢的成分控制在如下范围：C的质量分数为0.23%~0. 25%，Si的质量分数为≤0.07%， Mn的质量百分数为0.80% ~ 1. 00%，Ti的质量百分数为0. 025%~ 0. 040% ，Al的质量百分数为≥0. 020% ，P的质量百分数< 0. 025%，S的质量百分数为<0. 025%，B的质量百分数为0. 0010% ~ 0. 0019% ，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种免退火含硼冷镦钢的生产方法，方法如下：原料经转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷工序，线材热轧后的抗拉强度为470-530MPa的范围内，断面收缩率为58-66%的范围内，硬度70-78HRB。

所述线材经相应的工业热处理后，抗拉强度为930-1010MPa，硬度在28-33HRC的范围内，断面收缩率≥52%，伸长率≥12%，冲击功≥30J，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8.8级甚至9.8级螺栓的要求。

本发明的优点在于：既保证了免退火冷镦钢的淬透性，又使钢不容易产生裂纹，使钢中硼含量的加入范围更加合理，将钢中硼含量的范围确定为：B的质量百分数为0. 0010%~ 0. 0019% 。对比张家港联峰钢铁研究所有限公司生产的钢材，碳含量范围控制不同，且由于硫、磷含量范围控制较合理，铝含量下限较低，不仅满足了用户的使用要求，而且使钢材的成本降低约70元/吨钢。此外，线材热处理后的性能，满足用户8.8级产品甚至9.8级产品的性能要求。

本发明的合金设计方案根据如下：

C：碳是钢的主要强化元素之一。碳含量过低，则冷镦钢在热处理后后的强度和硬度低，但是如果碳含量过高,则热轧线材强度高,塑性低,冷墩易开裂，且模具寿命低。因此,综合考虑，碳含量应控制在0.23～0.25%。

Si:硅元素可以降低钢的硬度，有利于用户实现免退火直接拉拔加工线材。因此将钢中Si的含量控制在≤0.07%。

Mn:锰是固溶强化元素，过低的锰钢中Mn/S比低，给钢的连铸生产带来质量隐患，但过多的锰会降低线材的塑性和韧性。因此，锰含量可控制在0.80% ~ 1. 00%。

Ti:钛元素溶于钢中可提高钢的强度与韧性，特别是可以固氮，消除钢中氮元素的危害，但过高会提高钢材的成本，因此将钛元素控制在：0. 025% ~ 0. 040%。

Al:铝是强脱氧剂，铝含量越高，则钢中氧含量越低，钢材的质量越好。将铝元素控制在：Al≥0. 020%。

B: 虽然含硼冷镦钢有淬透性好、成本低的特点，但由于硼元素是一个敏感元素，其成分范围需要较好的确定。钢中硼含量过低，达不到提高钢材淬透性的作用；硼含量过高，又会使钢发脆，钢材在生产过程中容易产生裂纹。另外，如果加入钢中的硼元素被氧化或氮化，都会使硼失去淬透性，因此含硼冷镦钢要加入铝元素防止硼被氧化，加入钛元素以防止硼元素被氮化。

在本钢种工业开发前，曾做过100kg真空炉冶炼实验，然后轧制成钢板，结果见表1，4#钢产生了裂纹。可见，钢中硼含量对钢的性能有重要影响，含量过高，就会使钢在加工过程中容易产生裂纹。

对1#、2#、3#、4#钢都进行了淬透性试验，结果表明： 2#、3#、4#钢的淬透性达到35mm以上，但1#钢的淬透层只有13mm，因此在生产大规格线材（直径>14mm）时，这样的硼含量不能满足生产要求。

综合考虑，将本钢种中硼含量控制在0. 0010% ~ 0. 0019%的范围内。

P：钢中磷为有害元素，越低越好，但考虑到钢中磷含量过低，制造成本增加，因此要求P的质量百分数< 0. 025%。

S：钢中硫为有害元素，越低越好，但考虑到钢中硫含量过低，制造成本增加，因此要求S的质量百分数< 0. 025%。

本发明生产前述含硼免退火冷墩钢线材的方法，该方法包括依次进行的转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷工序，方法步骤如下：

（1）在冶炼工序中，转炉出钢温度1630-1660℃，出钢碳含量在0.06-0.13%的范围内，出钢的磷含量在0.009-0.019%的范围内。

（2）在精炼工序中，精炼就位温度在1512-1579℃的范围内，精炼离位温度在1564-1607℃的范围内。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。

（3）连铸生产中过热度控制在15-25℃之间，拉速在1.9m/min-2.1m/min之间。

（4）在高线控轧工序中，开轧温度为980-1010℃，吐丝温度为860-890℃。

（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，辊道速度在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为0.5-3℃/S。

轧制的线材规格为：5.5mm≤直径≤20mm。

按照本发明生产的含硼免球化退火冷墩钢，线材热轧后的抗拉强度为470-530MPa的范围内，断面收缩率为58-66%的范围内，硬度70-78HRB，与张家港联峰钢铁研究所有限公司生产的产品性能相当。但由于钢中铝含量较低，且硫、磷范围控制合理，因此成本更低。由于该线材的强度低，冷镦性能好，批量生产的冷镦钢1/3冷镦检测全部合格。

材料制成的产品经用户工业热处理后，抗拉强度为930-1010MPa，硬度在28-33HRC的范围内，断面收缩率≥52%，伸长率≥12%，冲击功≥30J，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8.8级甚至9.8级螺栓的要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.23%；Si:0.06%;Mn:0.85%;P:0.023%;S:0.017%;Al:0.022%;Ti:0.029%;B:0.0017%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1635℃， 出钢碳含量为0.07%，出钢的磷含量为0.018%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1536℃，精炼离位温度在1573℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为22℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为990℃，吐丝温度为880℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.4℃/S。

实施例2

本实施例含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.24%；Si:0.05%;Mn:0.92%;P:0.020%;S:0.015%;Al:0.023%;Ti:0.037%;B:0.0016%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1640℃， 出钢碳含量为0.08%，出钢的磷含量为0.016%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1569℃，精炼离位温度在1588℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为24℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为980℃，吐丝温度为870℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.2℃/S。

实施例3

本实施例含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.24%；Si:0.06%;Mn:0.92%;P:0.019%;S:0.012%;Al:0.024%;Ti:0.033%;B:0.0018%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1655℃， 出钢碳含量为0.09%，出钢的磷含量为0.015%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1571℃，精炼离位温度为1583℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为19℃，拉速为2.1m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为990℃，吐丝温度为880℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.8℃/S。

实施例4

本实施例含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.25%；Si:0.05%;Mn:0.86%;P:0.022%;S:0.017%;Al:0.021%;Ti:0.028%;B:0.0016%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1653℃，出钢碳含量为0.10%，出钢的磷含量为0.017%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1575℃，精炼离位温度为1599℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为22℃，拉速为1.9m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为990℃，吐丝温度为880℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.2℃/S。

实施例5

本实施例10.9级含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.24%；Si:0.06%;Mn:0.94%;P:0.019%;S:0.015%;Al:0.021%;Ti:0.032%;B:0.0017%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1651℃， 出钢碳含量为0.09%，出钢的磷含量为0.016%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1546℃，精炼离位温度为1593℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为24℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为980℃，吐丝温度为870℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.6℃/S。

表2列出了实施例1-5冷墩钢原始线材与张家港联峰钢铁研究所有限公司于2014年3月12日申请的专利“一种超低硬度免退火冷镦钢生产方法”（专利申请号为201410088703.4）产品力学性能的对比。由对比可见，本发明的碳含量与其不同，且钢中铝含量下限较低，硫、磷有害元素范围控制合理，吨钢成本约低70元/吨，但线材产品的原始性能（轧态性能）与该公司的产品相当，线材热处理后的性能，满足用户8.8级产品甚至9.8级产品的性能要求。

按照本发明生产的含硼免球化退火冷墩钢，线材热轧后的抗拉强度为470-530MPa的范围内，断面收缩率为58-66%的范围内，硬度70-78HRB，与张家港联峰钢铁研究所有限公司生产的产品性能相当。但由于钢中铝含量较低，且硫、磷范围控制合理，因此成本更低。由于该线材的强度低，冷镦性能好，批量生产的冷镦钢1/3冷镦检测全部合格。

经由对实施例1-5所得产品进行用户所要求的热处理制度测试,材料的抗拉强度为930-1010MPa，硬度在28-33HRC的范围内，断面收缩率≥52%，伸长率≥12%，冲击功≥30J，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8.8级甚至9.8级螺栓的要求。

Claims (1)

1.一种免退火含硼冷镦钢的生产方法，其特征在于，钢材包括C的质量百分数为0.23%~0.25%，与之相对应的B的质量百分数为0.0010%~0.0019%，Si的质量分数为≤0.07%，Mn的质量百分数为0.80%~1.00%，Ti的质量百分数为0.025%~0.040%，Al的质量百分数为≥0.020%，P的质量百分数＜0.025%，S的质量百分数＜0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质；所述免退火含硼冷镦钢的生产方法包括：依次进行的转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷，方法步骤如下：

（1）在冶炼工序中，转炉出钢温度1630-1660℃，出钢碳含量在0.06~0.13%的范围内，出钢的磷含量在0.009-0.019%的范围内；

（2）在精炼工序中，精炼就位温度在1512-1579℃的范围内，精炼离位温度在1564-1607℃的范围内，在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金；

（3）连铸生产中过热度控制在15~25℃之间，拉速在1.9m/min~2.1m/min之间；

（4）在高线控扎工序中，开扎温度为980-1010℃，吐丝温度为860-890℃；

（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为0.5-3℃/s；

轧制的线材规格为：5.5mm≤直径≤20mm；

生产的含硼免球化退火冷镦钢，线材热轧后的抗拉强度为470-530MPa的范围内，断面收缩率为58-66%的范围内，硬度70-78HRB，钢中铝含量较低，且硫、磷范围控制合理，冷镦性能好，批量生产的冷镦钢1/3冷镦检测全部合格；

材料制成的产品经用户工业热处理后，抗拉强度为930-1010MPa，硬度在28-33HRC的范围内，断面收缩率≥52%，伸长率≥12%，冲击功≥30J，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8.8级甚至9.8级螺栓的要求。