CN107557681A - 一种具有优异变形性能的中低碳钢线材及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有优异变形性能的中低碳钢线材及其生产方法，所述中低碳钢线材主要化学成分控制为：C：0.15‑0.25%，Mn：0.30‑1.50%，Si：0‑0.20%，P≤80ppm，S≤30ppm，N≤40ppm；所述生产方法包括开坯、轧制、冷却工序。本发明通过轧制工艺提高晶粒度级别、降低珠光体片层间距；通过钢坯精整达到钢坯表面无明显缺陷，通过优化轧辊表面质量降低表面缺陷深度。本发明方法轧制后的线材易于球化处理，且球化级别高，表面缺陷少，对冷变形的适应性广，可以满足变形量92%以下的冷成型要求。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种具有优异变形性能的中低碳钢线材及其生产方法。
背景技术
中低碳钢线材一般的用途是制作标准件如螺栓和螺母及其他的异形件，需要良好的变形性能。球状珠光体组织被认为是最适合冷变形的组织。一般的中低碳钢经过热轧成盘条，通常是铁素体+珠光体组织，需要经过球化处理获得球化组织。
目前汽车零部件中的异形件和非标件开始大量使用。其中有一些非标件冷变形量非常大，甚至相当于80-90%冷变形量。这样的冷变形量对球化组织要求非常严格。我国标准JB/T5074-2007中规定了中低碳钢的球化组织级别，附图1为中碳钢最高的两个级别5级和6级。在进行冷变形生产时发现，一般的线材均难以获得较高级别的球化组织。能够使中低碳钢稳定获得五级及以上的球化组织级别，是线材深加工中的一个难题。
另外在下游客户的冷变形过程中，表面缺陷造成的开裂往往是零件失效的主要原因。一些文章认为，表面开裂分析中有80%的原因可能或部分是表面缺陷的原因。这其中，以线材表面的裂纹缺陷为主。一些学者对线材的表面缺陷和变形能力进行了研究。研究表明裂纹深度小于50μm才能有效降低因表面缺陷引起的开裂。
所以获得良好的冷变形性能主要是控制良好的表面质量，提高线材的球化能力。
专利申请号01126592.9公开了一种超高碳钢基材及其制备方法，具有无晶界碳化物网络，等轴晶状的均匀珠光体，其珠光体团尺寸在10微米以下，珠光体片间距在1微米以下。采用喷射成形工艺，直接得到具有超塑性的超高碳钢基材。该发明的材质与本发明有别，生产工艺也不一样。专利申请号200680049193.3公布了一种易成型性优良的碳钢板及其制备方法，添加了Ti和B，碳化物的平均粒径小于或等于1μm；并且铁素体的平均粒径小于或等于5μm。该发明添加了Ti、B元素与本专利不同。专利申请号200780004015.3公布了一种精冲加工性优良的钢板及其制造方法，得到一种平均粒径超过10微米且小于20微米的铁素体为主的结构，本发明主要是为了得到铁素体和珠光体的结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有优异变形性能的中低碳钢线材；本发明还提供了一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，使用该工艺生产的盘条表面质量良好，且容易获得较高的球化级别。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种具有优异变形性能的中低碳钢线材，所述中低碳钢线材主要化学成分控制为：C：0.15-0.25%，Mn：0.30-1.50%，Si：0-0.20%，P≤80ppm，S≤30ppm，N≤40ppm。
本发明所述中低碳钢线材直径为Φ10-20mm。
本发明所述中低碳钢线材晶粒度为8-10级；表面缺陷深度＜50μm、长度＜2mm。
本发明还提供了一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，所述生产方法包括开坯、轧制、冷却工序。
本发明所述开坯工序，钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度＜0.2mm。
本发明所述轧制工序，轧制过程中保证轧辊的过钢量＜1000吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
本发明所述冷却工序，表面冷却速度V（℃/s）=D×0.3～0.5，其中D为线材的直径，单位为mm。
本发明所述冷却工序，得到铁素体+珠光体组织，得到的珠光体组织均匀细小，珠光体片层间距约为1-2μm。
本发明的设计思路如下：
一般加工冷变形量特别大的零件均需要考虑C含量，这类零件的碳含量一般在0.10%以下。但是随着下游客户对零部件性能的提高，制作复杂零件的强度要求也在提高。近些年，已经开始使用中低碳钢制作套筒类变形量较大的零件。本发明中所述的冷变形钢，由于含有C和Mn元素，下游客户在加工成特别复杂的零件，比如套筒类零部件时，需要再进行一次球化退火处理。而最终成品的性能与球化处理的好坏直接相关。
通过下游客户反馈以及实验所得的结果，在球化级别较高的炉次中，碳化物的分布是非常关键的。其中重要的指标是晶粒度的大小和珠光体的片层间距以及分布情况。
晶粒度的大小与球化有很大关系，原始组织晶粒度粗大往往也伴随着碳化物分布过于集中，不利于球化时的分散，这也是组织遗传现象的一种。特别粗大的晶粒即使退火后也存在碳化物的聚集与碳化物缺少的地方，容易造成局部的硬度不均匀，而硬度不均匀直接导致后续变形不良。
线材轧制过程中的晶粒度控制主要与轧制的变形量、轧制道次以及轧制时的温度有关。一般通过轧制过程来控制晶粒度大小。但通过一些模拟实验和实际生产的经验认为，轧制后的冷却速度也对晶粒度有影响。如试验某中碳钢在轧后不同冷却速度下得到的晶粒度的差别表明，冷却速度越快，晶粒度越细小，不同冷速下的晶粒度见表1所示。图2、图3分别列出了某中碳钢轧后在0.5℃/S、3℃/S冷速下获得的金相组织图。以上结果表明，控制晶粒度时，要选择合适的冷却速度。
表1 某中碳钢轧后不同冷却速度下的晶粒度，珠光体片层间距
线材冷却速度越大，晶粒细化越多，但超过一定的冷却速度时，晶粒细化的效果也在减弱，且冷却速度较快时，容易产生贝氏体和马氏体等异常组织，不利于组织均匀。经过模拟试验，参考不同钢种的CCT曲线得出了一些经验公式，如当线材的表面冷却速度相当于直径的0.3-0.5倍数值时，线材有一定的晶粒细化能力，获得的组织为均匀的铁素体和珠光体组织，且片层间距较细。该公式对中低碳钢比较适用。
碳化物的分布也有很大的影响，比如组织的带状，偏析等缺陷也会导致后续球化的不均匀，与粗大晶粒的影响类似。影响材料偏析带状的原因有很多，多数学者认为这种不均匀情况与钢中的残余元素如P和S有密切关系，S容易形成MnS，MnS轧制后容易形成条形，而先共析铁素体会在条型的MnS夹杂上诱导析出，形成长条形的铁素体区。钢中的P也是容易形成偏聚的元素，且容易导致钢铁偏脆，高温性能不好等。所以钢中的P、S含量也影响球化后组织的均匀分布。
钢中的珠光体片层间距影响较大，因为组织遗传的作用，如果碳化物片层较粗大，球化后的碳化物也容易粗大，而粗大的碳化物也容易分布不均，即使分布均匀，由于碳化物的尺寸加大，变形的阻力也加大，容易导致应力集中，对变形不利。因此，球化后总是希望得到细小均匀分布的碳化物。
所以为了保证球化后较好的效果，球化前的热轧线材应该满足组织晶粒度较细，带状和偏析轻微，珠光体片层间距小等要求。
影响变形的另外一个重要的因素就是表面质量，因为表面裂纹导致的开裂屡见不鲜。表面的应力分布与心部不同，表面受到很大的拉应力，且表面处于不受约束的状态，很容易成为应力释放的起点。表面的裂纹缺陷很容易在大应力下扩展。大量的经验表明缺陷深度大于50μm已经能给变形制造“麻烦”，一般生产中应保证缺陷深度小于50μm。
线材控制表面缺陷，主要是控制轧制前钢坯的表面质量以及轧制过程中的划伤等。轧制前的钢坯需要精整后去除表面缺陷，轧制过程中需要确认轧制路线上与线材接触的设备表面不能出现磨损。钢坯精整前后的裂纹检测结果如表2所示。
表2钢坯精整前后发现的缺陷测量
本发明具有优异变形性能的中低碳钢线材检测方法参考：显微组织参考GB/T13298、GB/T13299，晶粒度检测参考GB/T6394，裂纹的检测参考GB/T226的酸洗方法；以及参考GB/T6478中提到的类似检验方法。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明中低碳钢线材主要化学成分为：C：0.15-0.25%，Mn：0.30-1.50%，Si：0-0.20%，P≤80ppm，S≤30ppm，N≤40ppm。2、本发明通过轧制工艺提高晶粒度级别、降低珠光体片层间距。3、本发明通过钢坯精整达到钢坯表面无明显缺陷，通过优化轧辊表面质量降低表面缺陷深度。4、本发明方法轧制后的线材易于球化处理，且球化级别高，表面缺陷少，对冷变形的适应性广，可以满足变形量92%以下的冷成型要求。
附图说明
图1为JB/T5074-2007中碳钢组织球化级别最高的两级，5级和6级图；
图2为某中碳钢轧后在0.5℃/S冷速下获得的金相组织图；
图3为某中碳钢轧后在3.0℃/S冷速下获得的金相组织图；
图4为实施例1所得到的线材金相组织图，硝酸酒精侵蚀；
图5为实施例2所得到的线材金相组织图，硝酸酒精侵蚀；
图6为实施例3所得到的线材金相组织图，硝酸酒精侵蚀；
图7为实施例4所得到的线材金相组织图，硝酸酒精侵蚀；
图8为实施例5所得到的线材金相组织图，硝酸酒精侵蚀。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例具有优异变形性能的中低碳钢线材为SWRCH22A，主要化学成分及质量百分含量为：C：0.20%，Mn：0.80%、P：60ppm、N：30ppm、S：20ppm。
以Φ16mm线材为例，生产方法包括开坯、轧制、冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）开坯工序：钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度为0.1mm。
（2）轧制工序：轧制过程中保证轧辊的过钢量为900吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
（3）冷却工序：表面冷却速度为6℃/s。
实际检测晶粒度为9级，珠光体片层间距为1.5μm，检测到的表面缺陷深度均小于50μm，长度不超过2mm；线材金相组织见图4。
通过该工艺生产的线材，容易球化，可以保证球化后的球化组织级别大于5级，表面缺陷少，能够满足变形量90%以下的冷加工要求。
实施例2
本实施例具有优异变形性能的中低碳钢线材为SWRCH18A，主要化学成分及质量百分含量为：C：0.16%，Mn：0.40%、P：45ppm、N：20ppm、S：15ppm。
以Φ10mm线材为例，生产方法包括开坯、轧制、冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）开坯工序：钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度为0.15mm。
（2）轧制工序：轧制过程中保证轧辊的过钢量为980吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
（3）冷却工序：表面冷却速度为5℃/s。
实际检测晶粒度为8.5级，珠光体片层间距为2μm，检测到的表面缺陷深度均小于50μm，长度不超过2mm；线材金相组织见图5。
通过该工艺生产的线材，容易球化，可以保证球化后的球化组织级别大于5级，表面缺陷少，能够满足变形量92%以下的冷加工要求。
实施例3
本实施例具有优异变形性能的中低碳钢线材为SWRCH25k，主要化学成分及质量百分含量为：C：0.25%，Mn：0.70%、Si：0.15%、P：55ppm、N：40ppm、S：25ppm。
以Φ20mm线材为例，生产方法包括开坯、轧制、冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）开坯工序：钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度为0.05mm。
（2）轧制工序：轧制过程中保证轧辊的过钢量为800吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
（3）冷却工序：表面冷却速度为8℃/s。
实际检测晶粒度为10级，珠光体片层间距为1.0μm，检测到的表面缺陷深度均小于50μm，长度不超过2mm；线材金相组织见图6。
通过该工艺生产的线材，容易球化，可以保证球化后的球化组织级别大于5级，表面缺陷少，能够满足变形量90%以下的冷加工要求。
实施例4
本实施例具有优异变形性能的中低碳钢线材为ML15Mn，主要化学成分及质量百分含量为：C：0.16%，Mn：1.50%、Si：0.15%、P：40ppm、N：30ppm、S：20ppm。
以Φ14mm线材为例，生产方法包括开坯、轧制、冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）开坯工序：钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度为0.07mm。
（2）轧制工序：轧制过程中保证轧辊的过钢量为930吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
（3）冷却工序：表面冷却速度为7℃/s。
实际检测晶粒度为9.5级，珠光体片层间距为1.5μm，检测到的表面缺陷深度均小于50μm，长度不超过2mm；线材金相组织见图7。
通过该工艺生产的线材，容易球化，可以保证球化后的球化组织级别大于5级，表面缺陷少，能够满足变形量92%以下的的冷加工要求。
实施例5
本实施例具有优异变形性能的中低碳钢线材为ML15Al，主要化学成分及质量百分含量为：C：0.15%，Mn：0.30%、Si：0.20%、P：80ppm、N：25ppm、S：30ppm。
以Φ18mm线材为例，生产方法包括开坯、轧制、冷却工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）开坯工序：钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度为0.12mm。
（2）轧制工序：轧制过程中保证轧辊的过钢量为500吨，对轧制通道内的磨损严格控制。
（3）冷却工序：表面冷却速度为5.4℃/s。
实际检测晶粒度为9级，珠光体片层间距为1.5μm，检测到的表面缺陷深度均小于50μm，长度不超过2mm；线材金相组织见图8。
通过该工艺生产的线材，容易球化，可以保证球化后的球化组织级别大于5级，表面缺陷少，能够满足变形量91%以下的冷加工要求。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种具有优异变形性能的中低碳钢线材，其特征在于，所述中低碳钢线材主要化学成分控制为：C：0.15-0.25%，Mn：0.30-1.50%，Si：0-0.20%，P≤80ppm，S≤30ppm，N≤40ppm。
2.根据权利要求1所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材，其特征在于，所述中低碳钢线材直径为Φ10-20mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材，其特征在于，所述中低碳钢线材晶粒度为8-10级；表面缺陷深度＜50μm、长度＜2mm。
4.基于权利要求1-3任意一项所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括连铸坯开坯、轧制、冷却工序。
5.根据权利要求4所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，其特征在于，所述开坯工序，钢坯经过开坯后，对钢坯进行精整处理，精整后的钢坯，缺陷深度＜0.2mm。
6.根据权利要求4所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，轧制过程中保证轧辊的过钢量＜1000吨。
7.根据权利要求4-6任意一项所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，其特征在于，所述冷却工序，表面冷却速度V（℃/s）=D×0.3～0.5，其中D为线材的直径，单位为mm。
8.根据权利要求4-6任意一项所述的一种具有优异变形性能的中低碳钢线材的生产方法，其特征在于，所述冷却工序，得到铁素体+珠光体组织，珠光体片层间距约为1-2μm。
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