CN110791708A - 一种汽车零部件用非调质钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车零部件用非调质钢及其生产工艺，非调质钢中Ni≤0.20％、Ti0.010～0.025％、Nb0.012～0.025％、N0.013～0.019％，工艺包括转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸和轧制。本发明非调质钢通过成分的合理设计，添加微量的Ni、Nb、Ti、N等元素来细化晶粒、提高材料的强度及韧性，精炼通过窄成分控制技术，连铸过程使用轻压下并采用合理的参数减少铸坯低倍缺陷，有利于提高材料致密度，轧制过程通过高温扩散工艺来均匀组织，并通过控冷控轧技术来细化晶粒，提高强度，最后使得材料的综合性能得到了极大提高。

Description

一种汽车零部件用非调质钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种汽车零部件用非调质钢及其生产工艺。

背景技术

非调质钢是20世纪70年代初首先由西德开发，所谓非调质钢就是在中碳钢中添加微量元素(Nb、V、Ti、N等)通过控轧控冷，在铁素体和珠光体中弥散析出碳(氮)化物为强化相，使之在轧制后不经调质处理即可获得合结钢调质处理后所达到的力学性能的钢种。由于只需控制轧制工艺及轧后的冷却速度就可以获得所需要的强度与韧性，并通过加入适当的S提高了切削性能，省略了调质处理工序，节约了能源，而且还消除了淬火时由于变形、开裂以及为解决变形而增加的校直工序，采用非调质钢可以比低合金结构钢在零件加工过程中节约能源20％，节约材料1％，提高生产效率10-15％，缩短生产周期30-36％，经济效益相当可观，是一种新型的环保型钢，发展非调质钢既符合我国的资源优势，又符合社会可持续发展要求。

因此随着汽车工业的快速发展，易切削非调质钢广泛用于制作曲轴、连杆、转向节、前梁等要求有强度和一定韧性的零部件。

易切削非调质钢与常规合金结构钢相比，在化学成分上除对S有上下限要求外，还对[N]、[O]有要求，且对实际晶粒度、力学性能、热轧后的硬度等技术指标都有要求。这样就导致了该钢种的生产工艺(特别是冶炼工艺)与常规的合金结构钢是不相同的。近几十年来，我国非调质钢虽然得到了一定的发展，但由于多方面的原因，实物质量仍存在一定问题，非调质钢的冶炼质量虽然能够满足现行技术标准的要求，但相对来讲还存在钢水纯净度差(特别是氧含量高)、微合金化技术(特别是控N控O技术)不好、力学性能不理想等缺点。冶炼工艺中的氧、氮含量的控制、成分微调、组织均匀性控制和连铸、轧制工艺等还需深入研究。

如果克服上述困难，成为行业的一大难点。

发明内容

针对非调质钢背景技术中存在的缺点，本发明的目的是提出一种添加多种微合金元素的非调质钢及其生产工艺，最终改善材料组织并获得稳定的强韧性力学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种汽车零部件用非调质钢，该非调质钢按重量百分比其成分为：C 0.36～0.40％、Si0.55～0.70％、Mn 1.35～1.50％、P≤0.025％、S 0.040～0.065％、Ni≤0.20％、Cr 0.10～0.20％、Al 0.010～0.030％、V 0.08～0.13％、N 0.013～0.019％，余量是Fe和不可避免的杂质。

作为优选的，该非调质钢按重量百分比其成分为：C 0.36～0.39％、Si 0.57～0.67％、Mn 1.38～1.48％、P≤0.020％、S 0.045～0.060％、Ni 0.10～0.15％、Cr 0.10～0.15％、Al 0.012～0.025％、V 0.09～0.12％、Ti 0.010～0.025％、Nb 0.012～0.025％、N0.014～0.018％，余量是Fe和不可避免的杂质。

该非调质钢新添元素作用

(1)加Ti的目的为了细化晶粒，起到细晶强化的作用；

(2)加Ni是为了降低脆性转折温度，提高材料的韧性，尤其是低温下的韧性；

(3)加Nb是为了在阻止材料加热过程中晶粒高温长大的趋势，达到细化晶粒及弥散强化的双重目的。

本发明加入钒、钛、铌等微量合金元素，并通过合理增N，控制N含量，促进VN、TiN、NbN的析出，从而起到析出强化的作用，并配合N含量的合理控制，使得效果最优化，各项性能指标也更优。

本发明通过上述非调质钢成分的优选，结合冶炼工艺、轧制工艺等条件的优选，使最终得到的钢相比于传统工艺制备的非调质钢，在各项性能指标上均能取得更优的效果。

上述成分非调质钢的生产工艺包括转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸和轧制工序，其工艺流程具体为：

(1)转炉冶炼

120t转炉冶炼，控制转炉终点：碳含量0.06～0.32％、P≤0.012％，控制出钢温度1625±20℃，出钢1/4开始依次往钢包中加入合金及渣料，钢水在氩站喂入铝线。

作为优选，渣料为加入700千克石灰及450千克合成渣；铝线为350～400米。

作为优选，出钢过程采用带有红外监控的滑板自动挡渣工艺，防止出钢下渣。

(2)LF精炼

为增加钢水氮含量，上LF后先喂入氮锰线，LF过程用铝粒及碳化硅进行渣面脱氧，待炉渣黄白后再加依次调整Mn、Cr、Ni、V、Nb、S、Al、Ti元素成分，其中Mn含量按照1.28％～1.32％控制，为RH过程喂入氮锰线增锰留下空间，Cr、Ni、V、Nb按照目标值控制，S按照0.052～0.058％进行控制，Al、Ti按照工艺上限0.020～0.025％控制，确保经过RH真空处理后不再需要加铝、加钛。

作为优选，用铝粒30～60千克及碳化硅80～120千克进行渣面脱氧。

作为优选，LF精炼过程实现C、Cr、Ni元素含量的精确控制，减少炉与炉之间的成分差异，从而确保材料性能的稳定性和一致性，其中C控制精准±0.01％，Cr、Ni元素控制±0.02％。

(3)RH真空处理

RH环流时间≥32min，其中高真空(≤1.33mbar)时间≥15min，RH全程使用氮气代替氩气以作为提升气，最后使钢水在低真空(100Mpa)下循环12min以便于钢水增氮，并在RH处理结束后按目标喂加MnN线，然后喂入200mm硅钙线，软吹10min后根据钢水硫含量使用硫铁线调整硫，喂线后再静软吹15min～30min。

(4)连铸

连铸采用大断面浇注提高材料压缩比，同时采用结晶器电磁搅拌(电流200±10A，频率2HZ)加末端电磁搅拌(电流150±10A，频率6HZ)加轻压下(压下量12mm)的模式来减少材料的中心偏析、疏松等缺陷，提高材料的致密度和成分均匀性。

由于该钢种微量合金元素种类多，硫含量高，裂纹敏感，因此对铸坯进行缓冷，要求连铸采用过渡冷床出坯，出坯后入坑缓冷，要求出坑温度≤100℃。

(5)轧制

轧钢过程采用高温扩散加热工艺，要求加热温度1220～1260℃，加热时间320～360min从而起到减轻轧材偏析，均匀组织，防止带状组织超标的目的，并执行控轧控冷工艺，要求终轧温度≤930℃，上冷床温度≤850℃，达到细化晶粒，提高强度的目的。

本发明的有益效果是：考虑到非调质钢对强度、韧性、低倍质量、高倍组织等综合性能的高要求，本发明做了如下努力工作：

①、本发明在钢成分中增加Ti、Ni、Nb等微量合金元素，使得材料的晶粒得到细化，提高了材料的强度、韧性等综合力学性能。

②、本发明加入钒、钛、铌等微量合金元素，并通过合理增N，如在RH过程采用氮气做为提升气体，并对真空度进行合理的控制，同时配合用氮锰线进行钢水增氮，使得钢水氮含量得到稳定控制，为材料中细小的TiN、NbN、VN弥散析出创造了有利条件，从而起到析出强化的作用，有效的提高了材料的强度。

本发明氮加入的多少是对产品性能起到关键影响，氮加入多了，易形成大颗粒的TiN夹杂，不仅起不到提高强度的目的，还会增加其脆性。氮加入量太少则会强度不够，而且本发明采用RH用底吹气作提升气体增氮+氮锰增氮的方式代替传统的单一加氮锰增氮的方式，本发明比传统工艺增氮更稳定，更利于材料的综合力学性能的提高。

③、连铸过程选用合理的结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下工艺参数，使得材料的成分偏析得到了有效控制。

④、轧制过程采用高温扩散加热工艺，使得材料的成分偏析得到了减轻，组织均匀性得到很好改善，从而低倍缺陷及带状组织都有了明显改进。经下游客户进一步锻造后，再加上吹风冷却，其强度与韧性会得到进一步提高。

⑤、通过控轧控冷，材料组织得到均匀及细化，提高了材料的强韧性。

通过上述努力，材料的组织均匀性、致密性、稳定性及强韧性等综合力学性能得到了有效提升。

本发明较传统工艺的优点：①、采用RH用底吹气作提升气体增氮+氮锰增氮的方式代替传统的单一加氮锰增氮的方式，本发明比传统工艺增氮更稳定。②、在传统工艺基础上增加电磁搅拌电流，增加轻压下压下量，同时实现成分的窄范围控制，使得材料的组织及成分更均匀，提高了材料的综合性能。③、采用高温加热：加热温度1220～1260℃，传统工艺一般加热温度1200℃，比传统工艺更利用组织的均匀性提高；④、采用低温控轧，传统工艺不用控制，较传统工艺比有更好的强韧性。经下游客户进一步锻造后，加上吹风冷却，其强度与韧性会得到进一步提高。

具体实施方式

根据表1的钢材目标成分，采用“转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理→连铸机浇注→轧制”的工艺路线来进行生产，其生产控制方法如下。

实施例1

120t转炉工艺

1、转炉终点：C含量0.12％，P含量0.009％，出钢温度1642℃。

2、转炉出钢1分30秒后根据残余合金成分含量，并通过计算后加入对应量的铁合金及精炼渣700千克、石灰450千克。

3、转炉出钢结束后，将钢水吊运至氩站，然后在氩站喂入Al线380米。

LF精炼炉工艺

上LF后喂入氮锰线1200m，LF精炼过程用铝粒50Kg、SiC 100Kg进行钢渣的扩散脱氧，LF炉出钢前锰含量控制1.29％，然后喂入铝线、加入钛铁，出LF时取样检测，钢水中铝含量0.024％，钛含量0.025％，硫含量0.055％。

RH真空处理工艺

RH环流时间33min，其中高真空(≤1.33mbar)时间16min,RH提升气全程使用氮气，最后12min使用低真空(100Mpa)，并在RH处理结束后喂加MnN线240m，然后喂入200mm硅钙线对钢水进行钙处理，软吹10min后喂入硫线100m，喂线后再静软吹22min。

连铸浇注工艺

连铸采用300*325mm大断面浇注，提高材料压缩比，减少材料的低倍缺陷，同时结晶器及末端电磁搅拌均采用大电流，其中结晶器电磁搅拌电流200A，末端电磁搅拌电流150A，轻压下采用12mm大压下量的模式来降低铸坯的低倍缺陷级别。

连铸坯进坑缓冷，铸坯进坑温度520℃，出缓冷坑温度78℃。

轧制工艺

轧钢过程采用高温扩散加热工艺，均热段温度1250℃，加热时间335min，其中在高温段加热时间(均热段及加热I段)180min，终轧前中间料等待3min，终轧温度915℃，上冷床温度820℃。

实施例2

转炉工艺

1、转炉终点：C含量0.13％，P含量0.008％，出钢温度1619℃。转炉出钢结束后，将钢水吊运至氩站，然后在氩站喂入Al线370米，其它同实施例1。

LF精炼炉工艺

上LF后喂入氮锰线1180m，LF炉出钢前锰含量控制1.28％，然后喂入铝线、加入钛铁，出LF时取样检测，钢水中铝含量0.023％，钛含量0.022％，硫含量0.056％，其它同实施例1。

RH真空处理工艺

RH环流时间34min，其中高真空(≤1.33mbar)时间17min,RH提升气全程使用氮气，最后12min使用低真空(100Mpa)，并在RH处理结束后喂加MnN线260m，然后喂入200mm硅钙线对钢水进行钙处理，软吹10min后喂入硫线60m，喂线后再静软吹20min。

连铸浇注工艺

连铸坯进坑缓冷，铸坯进坑温度530℃，出缓冷坑温度82℃，其它同实施例1。

轧制工艺

轧钢过程采用高温扩散加热工艺，均热段温度1253℃，加热时间345min，其中在高温段加热时间(均热段及加热I段)190min，终轧前中间料等待3min，终轧温度925℃，上冷床温度826℃。

实施例3

转炉工艺

1、转炉终点：C含量0.08％，P含量0.013％，出钢温度1633℃。转炉出钢结束后，将钢水吊运至氩站，然后在氩站喂入Al线400米，其它同实施例1。

LF精炼炉工艺

上LF后喂入氮锰线1240m，LF炉出钢前锰含量控制1.31％，然后喂入铝线、加入钛铁，出LF时取样检测，钢水中铝含量0.025％，钛含量0.023％，硫含量0.053％，其它同实施例1。

RH真空处理工艺

RH环流时间34min30S，其中高真空(≤1.33mbar)时间17min,RH提升气全程使用氮气，最后12min使用低真空(100Mpa)，并在RH处理结束后喂加MnN线160m，然后喂入200mm硅钙线对钢水进行钙处理，软吹10min后喂入硫线120m，喂线后再静软吹20min。

连铸浇注工艺

连铸坯进坑缓冷，铸坯进坑温度550℃，出缓冷坑温度93℃，其它同实施例1。

轧制工艺

轧钢过程采用高温扩散加热工艺，均热段温度1247℃，加热时间348min，其中在高温段加热时间(均热段及加热I段)186min，终轧前中间料等待3min，终轧温度919℃，上冷床温度831℃。

对比例1

对比例1与实施例2相比，区别在于：不加入Ti、V、Ni、Nb微量合金元素，其它操作同实施例2。

对比例2

对比例2与实施例2相比，区别在于：不采用RH用氮气底吹气作提升气体增氮+氮锰增氮的方式而是采用传统的单一在RH加氮锰增氮的方式，其它操作同实施例2。

对比例3

对比例3与实施例2相比，主要区别在于：轧制工艺不同，工艺条件为加热温度1180℃，终轧温度970℃，上冷床温度910℃，其它操作同实施例2。

对比例4

对比例4与实施例1相比，主要区别在于：控制非调质钢中的氮含量0.0192％，其它操作同实施例2。

(1)化学成份如下表1(wt％)：

表1

项目	C	Si	Mn	Cr	P	S	Al	Ni	V	O	N	Ti	Nb
														实施例1	0.38	0.63	1.45	0.13	0.012	0.056	0.018	0.12	0.10	0.00072	0.0163	0.020	0.022
实施例2	0.39	0.62	1.45	0.12	0.011	0.055	0.020	0.11	0.10	0.00068	0.0158	0.019	0.023
														实施例3	0.37	0.65	1.46	0.14	0.014	0.053	0.021	0.12	0.11	0.00081	0.0166	0.022	0.019
对比例1	0.38	0.61	1.46	0.02	0.013	0.059	0.015	0.001	0.004	0.0015	0.0142	0.0027	/
														对比例2	0.39	0.62	1.36	0.11	0.015	0.043	0.012	0.10	0.09	0.0011	0.0131	0.023	0.018
对比例3	0.36	0.65	1.48	0.13	0.017	0.047	0.015	0.13	0.10	0.0009	0.0149	0.020	0.017
														对比例4	0.37	0.63	1.45	0.14	0.016	0.048	0.016	0.12	0.10	0.0010	0.0192	0.021	0.018

(2)晶粒度、金相组织及低倍检测情况如下表2：

表2

(3).力学性能如下表3：

表3(轧制后的圆钢Φ90mm)

结果表明：通过添加Ni、Ti、Nb元素，控制增N方式和增N量，并通过轧钢控轧控冷工艺的实施，使得材料晶粒细化，强度指标及塑韧性指标均得到了有效提高，通过采用合适的轻压下、电磁搅拌参数及高温扩散加热工艺，使得材料的组织均匀性、致密性都得到了极大的提高。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种汽车零部件用非调质钢，其特征在于，该非调质钢按重量百分比其成分为：C0.36～0.39％、Si 0.57～0.67％、Mn 1.38～1.48％、P≤0.020％、S 0.045～0.060％、Ni0.10～0.15％、Cr 0.10～0.15％、Al 0.012～0.025％、V 0.09～0.12％、Ti 0.010～0.025％、Nb0.012～0.025％、N 0.014～0.018％，余量是Fe和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于：该生产工艺包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、连铸浇注和轧制工序，其工艺流程包括为：

(1)转炉冶炼，控制转炉终点：C 0.06～0.32％、P≤0.012％，控制出钢温度1625±20℃，出钢1/4开始依次往钢包中加入合金及渣料，出钢后钢水在氩站喂入铝线；

(2)上LF精炼后先喂入氮锰线，LF精炼过程用铝粒及碳化硅进行渣面脱氧，依次调整元素成分；

(3)RH环流时间≥32min，其中高真空处理时间≥15min，RH全程使用氮气作为提升气，最后使钢水在低真空100Mpa下循环以便于钢水增氮；在RH处理结束后按目标喂加MnN线，然后喂入硅钙线，软吹后根据钢水硫含量使用硫铁线调整硫；

(4)连铸浇注，对铸坯进行缓冷；

(5)轧钢过程采用高温扩散加热工艺，并执行控轧控冷工艺。

3.如权利要求2所述的汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于，步骤(2)LF精炼调整元素成分中，Mn含量按照1.28％～1.32％控制，S按照0.052～0.058％进行控制，Cr、Ni、V、Nb按照目标值控制，Al、Ti按照工艺上限0.020～0.025％控制，确保RH真空处理后不再加铝、加钛。

4.如权利要求2所述的汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于，步骤(3)所述钢水在低真空100Mpa下循环12min，确保钢水中能稳定增氮；喂入硅钙线后，软吹10min，喂入硫铁线后再静软吹15min～30min。

5.如权利要求2所述汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述的步骤(4)连铸采用大断面浇注提高材料压缩比，采用结晶器电磁搅拌加末端电磁搅拌及铸坯轻压下并选用合适的参数。

6.如权利要求2所述汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于：对铸坯进坑缓冷，要求出坑温度≤100℃。

7.如权利要求5所述汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述的所述的结晶器电磁搅拌参数设置为：电流200±10A，频率2HZ；末端电磁搅拌参数：电流150±10A，频率6HZ；轻压下采用压下量12mm的模式。

8.如权利要求2所述的汽车零部件用非调质钢的生产工艺，其特征在于，步骤(5)所述的轧钢过程采用高温扩散加热工艺：加热温度1220～1260℃，加热时间320～360min；执行控轧控冷工艺，要求终轧温度≤930℃，上冷床温度≤850℃。