CN110453150A - 一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种Cr‑B系低碳高强度冷镦钢盘条及其制造方法。Cr‑B系低碳高强度冷镦钢盘条的主要化学成分范围为C：0.16～0.24％，Cr：0.55～0.90％，Ti：0.032～0.065％，B：0.0020～0.0040％，N≤80ppm，并控制Ti/N>4。制造方法包括转炉冶炼工序、LF精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序。本发明通过优化Cr、B、Ti、N等元素的成分设计，有效的提高了钢的淬透性，提高了钢的冷镦性能，实现了低碳冷镦钢盘条不退火生产12.9级高强度紧固件，显著降低了下游行业生产高强度紧固件的加工成本。

Description

一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条及其制造方法
技术领域
本发明属于冷镦钢技术领域，涉及一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条，还涉及一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法。
背景技术
冷镦钢又称冷镦成型用钢，冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载使其成型，广泛用于生产螺钉，销钉，螺母等紧固件的生产，广泛用于汽车、造船、设备制造、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。冷镦工艺可节省原料，降成本，而且通过冷作硬化提高工件的抗拉强度，改善性能，冷镦用钢必须其有良好的冷顶锻性能，对钢材的表面质量要求严格，经常采用优质碳钢，若钢的含碳钢大于0.25％，应进行球化退火热处理，以改善钢的冷镦性能。目前我国国内应用较为广泛的冷镦钢盘条的钢种根据强度级别可分类为低碳优质碳素结构钢、中碳优质碳素结构钢、低碳合金结构钢和中碳合金钢四类。冷镦钢行业通常将C含量<0.25％的冷镦钢成为低碳冷镦钢，将C含量0.25～0.48％的冷镦钢成为中碳冷镦钢。
高强度冷镦钢通常是指用于生产8.8级以上的螺钉类产品或8级以上的螺母类产品，而随着紧固件行业自身及下游汽车、高铁、航空、风电、工程机械等行业的发展，高强度紧固件逐渐以12.9级以上螺钉类产品或12级以上螺母类产品为主，其中12.9级螺钉类产品和10级螺母类产品成为主流。不同强度级别的紧固件需要选用不同的冷镦钢钢种，并采用不同的加工工艺。通常6.8级以下的紧固件多采用非热处理型中碳和低碳冷镦钢制造，成品紧固件无需淬火回火处理；而12.9级高强度紧固件用钢通常为中碳优质碳素结构钢或中碳合金钢，成品紧固件需进行淬火回火处理。
目前，国内多数钢厂提供中碳Cr-Mo冷镦钢(代表性牌号包括ML35CrMo、SCM435、35CrMo等)、中碳Cr冷镦钢(代表性牌号包括ML40Cr、40Cr等)和中碳B冷镦钢(代表性牌号包括10B33、10B30等)三个系列，以满足下游用户10.9或12.9级紧固件的生产需求。
由于C是影响钢材冷塑性变形的最主要元素，含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。实践证明，含碳量每提高0.1％，其屈服强度σs约提高27.4Mpa；抗拉强度σb提高58.8～78.4Mpa。由此可见，钢中含碳量对于钢材的冷塑性变形性能的影响是很大的。
在生产实际中，对于冷镦和冷挤变形程度高达65％～80％的冷镦钢，当其含碳量大于0.25％时，要求盘条在冷镦和冷挤压前必须要进行球化退火。虽然在现有技术中，也存在关于含碳量大于0.25％，免球化退火的方案，如CN201110311073.9 10.9级含硼免球化退火冷镦钢盘条及其制造方法。但其仅能用于生产外六角螺栓、六角螺母等紧固件，无法满足法兰类紧固件的生产；并且在下游用户生产过程中的冷镦开裂率会升高。在现有技术中，存在低碳含量的冷镦钢，如CN201510525604.2一种含硼冷镦钢的生产方法，但其淬火性能不够突出，其仅能达到10.9级螺栓的要求。在CN201010127837.4高强度紧固件用含硼冷镦钢及其制备工艺中，低碳钢的含硼冷镦钢仅能够满足8.8级螺栓强度要求，难以达到更高的要求。而在CN200710053097.2一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法中，其虽然可以达到10.9级～12.9级，但在其钢成分中，还需加入Nb、V元素，其指出Nb、V复合微合金化对该性能有重要的影响，铌、钒元素价格昂贵。所以，还需要开发一种，无需加入铌、钒等昂贵元素，仍能使低碳含量的冷镦钢生产12.9级高强度紧固件用钢标准，是目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明通过优化Cr、B、Ti、N等元素的成分设计，尤其通过Ti/N控制在>4的条件的限定，可有效的提高了钢的淬透性，提高了钢的冷镦性能，结合制造工艺，实现了低碳冷镦钢盘条不退火生产12.9级高强度紧固件，显著降低了下游行业生产高强度紧固件的加工成本。
一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于化学成分设计、转炉冶炼工序、LF精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序。下面对本发明的盘条制造方法做详细叙述。
化学成分设计：
本发明所述盘条化学成分设计按重量百分数计为C：0.16～0.24％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.65～0.90％，Cr：0.55～0.90％，Al：0.020～0.040％，Ti：0.032～0.065％，B：0.0020～0.0040％，P≤0.025％，S≤0.025％，Ni≤0.20％，Cu≤0.20％，N≤80ppm，Ti/N>4。本发明盘条成分相对于中碳Cr-Mo冷镦钢，大幅度降低了C含量，并取消了Mo元素的加入，但加入了一定量的B元素；而相对于中碳Cr钢大幅度降低了C含量，有效降低了Cr的含量，但加入了一定量的B元素；相对于中碳B冷镦钢大幅度降低了C含量，但加入了一定量的Cr元素。
综合来看，本发明盘条有效降低了C元素含量，使其塑性大幅度提高；优化了Cr元素的含量，也进一步改善了塑性，但保持了钢的淬透性；优化了B元素的含量，使其与Cr元素协同改善钢的淬透性，进一步增强了钢的淬火性能。通过该成分设计，为实现低碳冷镦钢盘条不退火生产12.9级高强度紧固件创造了最根本的条件。
本发明中将Ti/N控制在>4的水平，有效的将钢中大多数N化合成TiN，有效保证了钢中B元素主要以原子的形态固溶在钢中，进而大大提高了钢的淬火性能。如果不控制Ti/N>4，则会使钢中B元素大量被N氧化为BN，从而大大降低钢的淬透性。产品应用等级难以达到12.9级的要求。
转炉冶炼工序：
转炉冶炼工序全程底吹氩搅拌，出钢温度≥1600℃，出钢碳控制在0.08％～0.12％范围内，同时出钢P≤0.010％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
LF精炼工序：
LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并于中期补喂适当的铝线；LF冶炼后期依次加入钛铁、硼铁，并调整至目标成分；软吹前喂入适量纯钙线。
其中钛铁选用钛线，在LF精炼出站前8分钟通过喂丝机加料，可提高钛铁收得率，以便后期固氮(一般操作选用块状钛铁，收得率低，难以获得很高的固氮效果，钛铁极易氧化，如果的加入时间过早也难以获得很高的固氮效果，进而增加钢水中氮和硼反应的风险，以致降低钢的淬火性能)；硼铁选用硼线，在LF出站时再通过喂丝机加料(一般操作选用块状硼铁，收得率低，难以获得很高的收得率，硼铁极易氧化，如果的加入时间过早也难以获得很高的收得率，以致降低钢的淬火性能)；所以选用钛线、硼线在同样的目标成分条件下可以获得更高比例的溶解硼，也就是更多的有效硼，从而提高淬火性能。
方坯连铸工序：
方坯连铸工序连铸过热度控制在15～25℃，执行慢节奏恒拉速控制，二冷采用弱冷；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，保持0.5～0.8Pa的微正压；使用专用保护渣。
盘条轧制工序：
盘条精轧机组采用800～830℃低温控轧，轧后800～830℃低温吐丝，随后采用0.3～0.5℃/s的冷却速度缓冷至650℃以下再集卷打捆。
本发明将轧制后的冷镦钢盘条无需退火处理，经过淬火、回火热处理(淬火温度880±10℃，淬火介质为淬火油，回火温度500±10℃)生产紧固件，生产得到的紧固件能达到12.9级的要求。
具体实施方式
本发明：Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条(Φ12.0mm)的具体成分如下：
Wt，％
C Si Mn P S Cr B Ti Al
0.16-0.21 0.15-0.30 0.75-0.90 ≤0.025 ≤0.025 0.55-0.90 0.0020-0.0040 0.032-0.065 0.020-0.040
备注：N≤80ppm，Ti/N>4。
盘条制造流程：转炉冶炼工序—LF精炼工序—方坯连铸工序—盘条轧制。
实施例1
1、成分设计
化学成分设计按重量百分数计为C：0.16％，Si：0.20％，Mn：0.80％，Cr：0.75％，Al：0.030％，Ti：0.045％，B：0.0025％，P：0.016％，S：0.014％，N：36ppm，Ti/N：12.5。
2、转炉冶炼
转炉加入炼钢原料(炼钢原料为铁水、生铁和废钢，其中生铁占炼钢原料总重的9％，废钢占炼钢原料总重的3％，炼钢原料的总装入量130t/炉)，冶炼转炉冶炼全程底吹氩搅拌，出钢温度1628℃，出钢C控制在0.10％，出钢P≤0.008％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
3、LF精炼
LF精炼时间36分钟，LF冶炼前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并于中期补喂适当的铝线；LF冶炼后期依次加入钛铁、硼铁，并调整至目标成分；软吹前喂入适量纯钙线，软吹时间25分钟。
4、方坯连铸
方坯连铸工序采用全程保护浇铸，中包使用覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，连铸中包采用整体式塞棒中包，中包使用时间10小时，水口直径35mm，水口使用时间6h，连铸过热度控制在22℃。采用拉速1.60m/min恒拉速控制；结晶器采用电磁搅拌，其中电流200±10A，频率3±0.2Hz；二冷采用弱冷配水模式，比水量0.60L/kg；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，保持0.5～0.8Pa的微正压；除此之外，使用专用保护渣。
5、盘条轧制
盘条采用高速线材生产线轧制，轧后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，其中盘条精轧机组采用800～820℃低温控轧，吐丝温度815～830℃，随后采用0.3～0.4℃/s的冷却速度缓冷至650℃以下再集卷打捆，其余轧制参数均采用常规工艺即可。
实施例2
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.21％，Cr：0.55％，其他条件同实施例1。
实施例3
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为Ti：0.033％，B：0.0035％，N：78ppm，Ti/N：4.2，其他条件同实施例1。
对比例1
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.15％，其他条件同实施例1。
对比例2
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为Cr：0.50％，其他条件同实施例1。
对比例3
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为Ti：0.028％，N：90ppm，Ti/N：3.1，其他条件同实施例1。
本发明实施例与对比例盘条热轧态冷顶锻性能及热处理后(淬火温度880±10℃，淬火介质为淬火油，回火温度500±10℃)拉伸性能比较如下表1：
表1
类别 牌号 规格(mm) 1/4冷顶锻 屈服强度，MPa 抗拉强度，MPa
实施例1 51B20 Φ12.0 合格 1140 1250
实施例2 51B20 Φ12.0 合格 1190 1293
实施例3 51B20 Φ12.0 合格 1144 1255
对比例1 51B20 Φ12.0 不合格 1065 1187
对比例2 51B20 Φ12.0 不合格 1030 1170
对比例3 51B20 Φ12.0 不合格 1020 1161
备注：1.盘条热轧态1/4冷顶锻性能合格，可保证不退火生产12.9级高强度紧固件。
2. 12.9级高强度紧固件要求抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1080MPa。

Claims (7)

1.一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条，其特征在于：冷镦钢盘条化学成分为：按重量百分数计为C：0.16～0.24％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.65～0.90％，Cr：0.55～0.90％，Al：0.020～0.040％，Ti：0.032～0.065％，B：0.0020～0.0040％，P≤0.025％，S≤0.025％，Ni≤0.20％，Cu≤0.20％，N≤80ppm，Ti/N>4。
2.一种Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：包括转炉冶炼工序、LF精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序。
3.根据权利要求2所述的Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：转炉冶炼工序全程底吹氩搅拌，出钢温度≥1600℃，出钢碳控制在0.08％～0.12％范围内，同时出钢P≤0.010％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
4.根据权利要求2所述的Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并于中期补喂适当的铝线；LF冶炼后期依次加入钛铁、硼铁，并调整至目标成分，其中钛铁选用钛线，在LF精炼出站前8分钟通过喂丝机加料；硼铁选用硼线，在LF出站时再通过喂丝机加料；软吹前喂入适量纯钙线。
5.根据权利要求2所述的Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：方坯连铸工序连铸过热度控制在15～25℃，执行慢节奏恒拉速控制，二冷采用弱冷；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，保持0.5～0.8Pa的微正压；使用专用保护渣。
6.根据权利要求2所述的Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：盘条精轧机组采用800～830℃低温控轧，轧后800～830℃低温吐丝，随后采用0.3～0.5℃/s的冷却速度缓冷至650℃以下再集卷打捆。
7.根据权利要求1-6任一项所述Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条生产高强度紧固件中的应用，其特征在于：Cr-B系低碳高强度冷镦钢盘条无需退火，经过淬火、回火生产12.9级高强度紧固件。
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