CN109763061A

CN109763061A - 一种非调质钢及其制备方法

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Publication number: CN109763061A
Application number: CN201711100874.4A
Authority: CN
Inventors: 程勇; 刘家善; 周志伟; 俞杰; 包耀宗; 王乾; 周旭; 徐益峰; 刘栋林
Original assignee: SUZHOU SUXIN SPECIAL STEEL CO Ltd
Current assignee: SUZHOU SUXIN SPECIAL STEEL CO Ltd
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: CN109763061B

Abstract

本发明提供一种非调质钢及其制备方法。本发明的非调质钢，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.46‑0.55％，硅：0.20‑0.60％，锰：1.20‑1.60％，铬：0.00‑0.30％，铝：0.010‑0.030％，镍：0.10‑0.30％，铜：0.00‑0.20％，磷：0.000‑0.030％，硫：0.020‑0.050％，钒：0.050‑0.250％，铌：0.020‑0.050％，钛：0.010‑0.030％，硼：0.0005‑0.0030％，氮0.012‑0.020％，余量为铁。本发明的非调质钢的强度高、韧性好，经表面淬火后的表面硬度高，完全能够满足高强度高韧性和表面耐磨的直接切削用非调质钢的要求。

Description

一种非调质钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢材，具体涉及一种非调质钢及其制备方法。

背景技术

目前，新能源汽车电机轴主要采用调质40Cr和20CrMnTiH来保证心部的韧性和表面的强度；其中，调质40Cr主要采用调质及表面淬火工艺，而20CrMnTiH主要采用渗碳淬火及低温回火工艺。然而，调质处理、渗碳淬火及低温回火热处理需要耗费大量的能源和时间，从而提高了零件的生产周期和生产成本；此外，材料在渗碳淬火过程中容易产生变形等问题。

非调质钢是在中碳锰钢的基础上加入微合金化元素，该元素在加热过程中溶于奥氏体中并以细小的碳化物的氮化物形式在先析出的铁素体和珠光体中析出，析出物与母相保持共格关系，使钢强化。非调质钢的显微组织主要包括铁素体组织和珠光体组织，其力学性能主要取决于基体显微组织和析出相的强化，可区分为热锻用非调质钢、直接切削用非调质钢、冷作强化非调质钢和高韧性非调质钢。目前，国内非调质钢的抗拉强度Rm通常为800-900Mpa，表面硬度HRC通常为50-56。

公开号为CN 104651753 A的专利公开了一种重型汽车平衡轴用非调质钢，该非调质钢按质量百分比计包括以下成分：C：0.20-0.35％，Si：0.20-0.45％，Mn：1.50-2.30％，P≤0.010％，S≤0.080％，Cr：0.30-0.70％，V：0.05-0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.20％，Mo≤0.20％，Ti≤0.035％，Alt：0.010-0.040％，N：0.008-0.020％，O≤0.0015％，H≤0.00010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，As≤0.015％，Pb≤0.010％，其余为Fe。上述非调质钢的抗拉强度可达960-1000Mpa，屈服强度可达700-750Mpa，然而该材料的强度和表面硬度仍有待进一步提高。

发明内容

本发明提供一种非调质钢及其制备方法，该非调质钢的强度高、韧性好，经表面淬火后的表面硬度高，完全能够满足高强度高韧性和表面耐磨的直接切削用非调质钢的要求。

本发明提供一种非调质钢，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.46-0.55％，硅：0.20-0.60％，锰：1.20-1.60％，铬：0.00-0.30％，铝：0.010-0.030％，镍：0.10-0.30％，铜：0.00-0.20％，磷：0.000-0.030％，硫：0.020-0.050％，钒：0.050-0.250％，铌：0.020-0.050％，钛：0.010-0.030％，硼：0.0005-0.0030％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

在本发明中，若无特殊说明，含量均为质量含量。

本发明的非调质钢将碳的含量设置在0.46-0.55％的范围内，通过与其他微合金元素的匹配，克服了传统非调质钢强度与韧性不匹配的问题，使非调质钢同时具备较高的强度和韧性；特别是，该非调质钢材料经表面淬火后，表面硬度HRC可达58-63。优选地，非调质钢中的碳含量可以为0.48-0.51％。

本发明的非调质钢通过控制合金元素硅的含量在0.20-0.60％、锰的含量在1.20-1.60％、铬的含量在0.00-0.30％、铝的含量在0.010-0.030％、铜的含量在0.00-0.20％的范围内，确保非调质钢材料具有良好的固溶强化效果。优选地，非调质钢中的硅含量可以为0.35-0.55％；锰含量可以为1.37-1.57％；铬含量可以为0.10-0.30％，进一步为0.15-0.24％；铝含量可以为0.010-0.020％。

本发明的非调质钢通过加入0.050-0.250％的钒、0.020-0.050％的铌、0.010-0.030％的钛和0.012-0.020％的氮，能够显著细化非调质钢的晶粒，并且可在热压力加工和冷却过程中发挥微合金元素的析出强化作用，提高材料的强韧性。优选地，非调质钢中的钒含量可以为0.13-0.20％；铌含量可以为0.028-0.030％；钛含量可以为0.010-0.020％。

本发明的非调质钢通过增加一定含量的硼元素，改善了非调质钢的淬透性，保证了零件的淬硬层的深度。具体地，非调质钢中的硼含量可以为0.0005-0.0030％，优选为0.0012-0.0015％。

本发明的非调质钢通过加入0.020-0.050％的硫，可显著提高材料的切削性能，改善零件的表面光洁度，提高零件的疲劳寿命。优选地，非调质钢中的硫含量可以为0.023-0.042％。

本发明的非调质钢通过将磷含量控制在0.000-0.030％(即将磷含量控制在0.030％以下)，降低了钢材的低温脆性。同时，本发明的非调质钢通过加入0.10-0.30％的镍，可有效地强化铁素体，在提高材料强度的前提下，提高材料的韧性并降低脆韧性转变温度，使材料具有良好的低温韧性；优选地，非调质钢中的镍含量可以为0.16-0.23％。

进一步地，本发明的非调质钢，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.46-0.55％，硅：0.20-0.60％，锰：1.20-1.60％，铬：0.10-0.30％，铝：0.010-0.030％，镍：0.10-0.30％，硫：0.020-0.050％，钒：0.050-0.250％，铌：0.020-0.050％，钛：0.010-0.030％，硼：0.0005-0.0030％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

更进一步地，本发明的非调质钢，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.48-0.51％，硅：0.35-0.55％，锰：1.37-1.57％，铬：0.15-0.24％，铝：0.010-0.020％，镍：0.16-0.23％，硫：0.023-0.042％，钒：0.13-0.20％，铌：0.028-0.030％，钛：0.010-0.020％，硼：0.0012-0.0015％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

本发明的非调质钢的心部组织包括含量为90％以上的珠光体组织和含量为10％以下的铁素体组织；特别是，该非调质钢心部组织珠光体团的尺寸为15-25微米；具有上述心部组织的非调质钢能够提供更高的强度。

此外，经表面淬火后，本发明的非调质钢的表面组织包括含量为90％以上的隐晶马氏体和含量为10％以下的残余奥氏体组织；特别是，隐晶马氏体组织的碳含量为0.5％左右；具有上述表面组织的非调质钢能够提供更高的表面硬度。

本发明的非调质钢的屈服强度Rel大于800Mpa，进一步为836-872Mpa；抗拉强度Rm大于1100Mpa，进一步为1103-1169Mpa；断后伸长率A≥14％，进一步为14-17％；断面收缩率Z≥48％，进一步为48-51％；冲击吸收功Aku2≥40J，进一步为40-45J；经表面淬火后，非调质钢的表面硬度HRC为58-63。

本发明还提供上述非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

1)按所述成分进行配料，对配料进行EAF冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸，制得钢坯；

2)对所述钢坯进行控温轧制、控速冷却，得到所述非调质钢。

在本发明中，非调质钢制备方法的核心在于控温轧制和控速冷却；其中，控温轧制是将终轧温度控制为780-850℃；控速冷却是将冷却速度控制为3-5℃/s。非调质钢制备过程中的其它工艺步骤均可以为本领域的常规工艺，其对本发明非调质钢的微观结构和性能的影响相对较小，在此不赘述。

在一实施方式中，非调质钢的制备方法可以包括如下步骤：

EAF→LF→VD→连铸→切割→冷却(缓冷)→检验→判定→加热→控温轧制→控速冷却→切割→堆冷→检验→超声+红外探伤→(精整)→判定→包装→称重→入库。

进一步地，本发明的制备方法还可以包括步骤3)：对所述非调质钢进行表面淬火，使非调质钢的表面硬度HRC达到58-63。本发明对表面淬火的方式不作严格限制，可以为本领域常规的表面淬火方式，例如表面感应淬火等。

本发明的制备方法通过在线控轧控冷实现对材料的强化，区别于传统非调质钢在轧制过程中无需进行过多控制，本发明非调质钢的制备方法对终轧温度和轧后的冷却速度的控制要求较为严格；具体地，本发明将终轧温度控制在780-850℃，可将材料的奥氏体晶粒度控制在8级左右，实现良好的细晶强化作用；此外，本发明将轧后的冷速控制在3-5℃/s，可在抑制共析铁素体析出的同时显著细化组织，同时还可确保微合金元素的碳氮化物在冷却过程中以弥散的析出，提高了非调质钢的强度和韧性。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明通过化学成分设计和轧制过程控制来改善钢材的各项性能指标，使其基本性能完全满足高强度高韧性直接切削用非调质钢的要求，能够直接替代淬火及低温回火工艺制造的20CrMnTiH材料。

2、本发明在化学成分设计中通过调整合金元素锰含量的范围，改善了非调质钢的强度；通过添加微合金元素V、Nb、Ti等，细化了非调质钢的晶粒，改善了材料的强韧性；通过增加一定含量的Ni，改善了中碳非调质钢的韧性；通过增加一定含量的B元素，改善了非调质钢的淬透性。

3、本发明针对非调质钢的特定化学成分，将终轧温度控制在780-850℃，可将材料的奥氏体晶粒度控制在8级左右，实现良好的细晶强化作用；同时，将轧后的冷速控制在3-5℃/s，可在抑制共析铁素体析出的同时显著细化组织，同时还可确保微合金元素的碳氮化物在冷却过程中以弥散的析出，提高了非调质钢的强度和韧性。

4、本发明的非调质钢的屈服强度Rel大于800Mpa，抗拉强度Rm大于1100Mpa，断后伸长率A≥14％，断面收缩率Z≥48％，冲击吸收功Aku2≥40J；此外，经表面淬火后，非调质钢的表面硬度HRC可达58-63，综合性能优异。

附图说明

图1为实施例1的非调质钢心部组织的金相图；

图2为实施例1的非调质钢表面组织的金相图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.48％，硅：0.35％，锰：1.57％，铬：0.23％，铝：0.014％，镍：0.23％，硫：0.032％，钒：0.13％，铌：0.03％，钛：0.017％，硼：0.0015％，氮0.02％，余量为铁。

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

1)按上述成分进行配料，对配料进行EAF冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸，制得钢坯；

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为780℃，控速冷却是将冷却速度控制为3.3℃/s，得到非调质钢圆钢。

进一步地，可以对上述非调质钢圆钢进行粗加工和热处理(表面淬火+低温回火)，得到非调质钢轴件。

图1为上述非调质钢圆钢心部组织的金相图(500倍)。如图1所示，上述非调质钢圆钢的心部组织由含量为90％以上的珠光体组织和含量为10％以下的铁素体组织组成；此外，非调质钢圆钢心部组织的珠光体团较小，尺寸为15-25微米。

图2为上述非调质钢轴件表面组织的金相图(500倍)。如图2所示，上述非调质钢轴件的表面组织由含量为90％以上的隐晶马氏体和含量为10％以下的残余奥氏体组织组成；经检测，隐晶马氏体组织的碳含量为0.5％左右。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例2

本实施例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.49％，硅：0.55％，锰：1.37％，铬：0.15％，铝：0.014％，镍：0.2％，硫：0.042％，钒：0.13％，铌：0.028％，钛：0.017％，硼：0.0012％，氮0.013％，余量为铁。

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为880℃，控速冷却是将冷却速度控制为4.0℃/s，得到非调质钢圆钢。

经检测，上述非调质钢圆钢的心部组织由含量为90％以上的珠光体组织和含量为10％以下的铁素体组织组成，心部组织的珠光体团尺寸为15-25微米；上述非调质钢轴件的表面组织由含量为90％以上的隐晶马氏体和含量为10％以下的残余奥氏体组织组成，隐晶马氏体组织的碳含量为0.5％左右。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例3

本实施例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.5％，硅：0.35％，锰：1.45％，铬：0.2％，铝：0.014％，镍：0.21％，硫：0.023％，钒：0.15％，铌：0.03％，钛：0.017％，硼：0.0012％，氮0.018％，余量为铁。

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为830℃，控速冷却是将冷却速度控制为4.2℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例4

本实施例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.51％，硅：0.45％，锰：1.41％，铬：0.24％，铝：0.014％，镍：0.16％，硫：0.025％，钒：0.13％，铌：0.028％，钛：0.017％，硼：0.0012％，氮0.012％，余量为铁。

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为815℃，控速冷却是将冷却速度控制为3.7℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例5

本实施例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.48％，硅：0.4％，锰：1.43％，铬：0.23％，铝：0.014％，镍：0.18％，硫：0.027％，钒：0.2％，铌：0.028％，钛：0.017％，硼：0.0012％，氮0.015％，余量为铁。

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为850℃，控速冷却是将冷却速度控制为5.0℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例6

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行正常轧制、控速冷却，其中正常轧制的温度为1000℃，控速冷却是将冷却速度控制为1℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例7

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为950℃，控速冷却是将冷却速度控制为3.3℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

实施例8

本实施例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制、控速冷却，其中控温轧制是将终轧温度控制为850℃，控速冷却是将冷却速度控制为4℃/s，得到非调质钢圆钢。

本实施例的非调质钢的性能检测结果见表1。

对照例1

本对照例的调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.42％，硅：0.25％，锰：0.67％，铬：1.08％，铝：0.014％，镍：0.01％，硫：0.032％，钒：0.01％，铌：0.002％，钛：0.002％，硼：0.0003％，氮0.005％，余量为铁。

本对照例的调质钢的制备方法主要包括调质和表面淬火，采用本领域的常规工艺方法进行。

经检测，上述调质钢心部组铁素体的含量为30％以上，珠光体团尺寸为30微米以上；此外，上述调质钢表面组织的碳含量为0.3％左右。

本对照例的调质钢的性能检测结果见表2。

对照例2

本对照例的调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.40％，硅：0.25％，锰：0.55％，铬：1.00％，铝：0.014％，镍：0.01％，硫：0.03％，钒：0.01％，铌：0.002％，钛：0.002％，硼：0.0003％，氮0.005％，余量为铁。

本对照例的调质钢的性能检测结果见表2。

对照例3

本对照例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.48％，硅：0.35％，锰：0.90％，铬：0.2％，铝：0.014％，镍：0.021％，硫：0.045％，钒：0.15％，铌：0.002％，钛：0.017％，硼：0.0003％，氮0.018％，余量为铁。

本对照例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制(控轧)、控速冷却(控冷)，其中控温轧制是将终轧温度控制为780℃，控速冷却是将冷却速度控制为3.3℃/s，得到非调质钢圆钢。

经检测，上述非调质钢圆钢心部组铁素体的含量为30％以上，珠光体团尺寸为30微米以上；此外，上述非调质钢轴件表面组织的碳含量为0.4％左右。

本对照例的非调质钢的性能检测结果见表2。

对照例4

本对照例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.46％，硅：0.45％，锰：1.49％，铬：0.24％，铝：0.014％，镍：0.16％，硫：0.025％，钒：0.22％，铌：0.0003％，钛：0.017％，硼：0.0012％，氮0.012％，余量为铁。

本对照例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

2)对上述钢坯进行控温轧制(控轧)、控速冷却(控冷)，其中控温轧制是将终轧温度控制为830℃，控速冷却是将冷却速度控制为4.2℃/s，得到非调质钢圆钢。

本对照例的非调质钢的性能检测结果见表2。

对照例5

本对照例的非调质钢，按重量百分比计由以下成分组成：碳：0.38％，硅：0.4％，锰：1.43％，铬：0.23％，铝：0.014％，镍：0.18％，硫：0.027％，钒：0.01％，铌：0.028％，钛：0.017％，硼：0.0003％，氮0.015％，余量为铁。

本对照例的非调质钢的制备方法，包括如下步骤：

经检测，上述非调质钢圆钢心部组铁素体的含量为30％以上，珠光体团尺寸为30微米以上；此外，上述非调质钢轴件表面组织的碳含量为0.2％左右。

本对照例的非调质钢的性能检测结果见表2。

表1各实施例的非调质钢的性能检测结果

表2各对照例的钢材的性能检测结果

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种非调质钢，其特征在于，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.46-0.55％，硅：0.20-0.60％，锰：1.20-1.60％，铬：0.00-0.30％，铝：0.010-0.030％，镍：0.10-0.30％，铜：0.00-0.20％，磷：0.000-0.030％，硫：0.020-0.050％，钒：0.050-0.250％，铌：0.020-0.050％，钛：0.010-0.030％，硼：0.0005-0.0030％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.46-0.55％，硅：0.20-0.60％，锰：1.20-1.60％，铬：0.10-0.30％，铝：0.010-0.030％，镍：0.10-0.30％，硫：0.020-0.050％，钒：0.050-0.250％，铌：0.020-0.050％，钛：0.010-0.030％，硼：0.0005-0.0030％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，按重量百分比计含有以下成分：碳：0.48-0.51％，硅：0.35-0.55％，锰：1.37-1.57％，铬：0.15-0.24％，铝：0.010-0.020％，镍：0.16-0.23％，硫：0.023-0.042％，钒：0.13-0.20％，铌：0.028-0.030％，钛：0.010-0.020％，硼：0.0012-0.0015％，氮0.012-0.020％，余量为铁。

4.根据权利要求1至3任一所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的心部组织包括含量为90％以上的珠光体组织和含量为10％以下的铁素体组织。

5.根据权利要求1至3任一所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的屈服强度Rel大于800Mpa。

6.根据权利要求1至3任一所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的抗拉强度Rm大于1100Mpa。

7.权利要求1至6任一所述的非调质钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述控温轧制是将终轧温度控制为780-850℃。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述控速冷却是将冷却速度控制为3-5℃/s。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤3)：对所述非调质钢进行表面淬火，使非调质钢的表面硬度HRC达到58-63。