CN110964975B - 一种非调质钢及其制备方法和注塑机用拉杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非调质钢及其制备方法和注塑机用拉杆。按照重量百分比，该非调质钢包括如下的化学成分：碳：0.40‑0.45％、硅：0.30‑0.60％、锰：1.30‑1.60％、铬：0.15‑0.35％、铝：0.010‑0.030％、磷：≤0.030％、硫：≤0.035％、钒：0.010‑0.100％、铌：0.010‑0.040％、钛：0.010‑0.040，余量为铁以及不可避免的杂质元素。本发明提供的非调质钢，具有良好的力学性能和加工性能，能够满足注塑机用拉杆的加工需求。

Description

一种非调质钢及其制备方法和注塑机用拉杆

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种非调质钢及其制备方法和注塑机用拉杆，尤其涉及一种满足注塑机中哥林柱拉杆需求的切削用非调质钢以及其制备工艺，和采用该非调质钢得到的哥林柱拉杆。

背景技术

注塑机中的拉杆(亦被称为“哥林柱拉杆”)是注塑机中最主要的承力件，也是决定注塑机使用性能和使用寿命的关键因素。

作为承力部件，注塑机拉杆对钢材的力学性能要求较高。同时，由于拉杆的高长径比，需要钢材具有非常好的加工性能，尤其表面硬度不可过高，否则难以满足切削加工的要求。目前市场上注塑机拉杆主要使用高标准的42CrMo或4145H等普通钢进行调质，然后切削加工使用。但是由于调质过程中会增加能耗并污染环境，因此不需要调质处理的、可直接切削用非调质钢逐渐取代普通钢已经是目前的主流发展趋势。

目前国内生产易切削非调质钢的传统工艺包括电炉冶炼、精炼、模铸、轧制和冷却，其中冷却多采用堆冷、坑冷等冷却方式。实践证明，上述传统工艺所开发的非调质钢在用于小尺寸产品时，基本能达到产品性能要求和加工工艺要求，但是用于注塑机拉杆(直径为70-140mm)等大尺寸产品时，力学性能和切削加工性能均难以满足要求。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种非调质钢，其具有良好的力学性能和加工性能，能够满足注塑机拉杆的设计要求。

本发明还提供上述非调质钢的制备方法，采用该制备方法，能够获得具有良好力学性能和加工性能的非调质钢。

本发明还提供一种注塑机用拉杆，是采用上述非调质钢经切削加工得到。

为实现上述目的，本发明提供的一种非调质钢，按照重量百分比包括如下的化学成分：

碳：0.40-0.45％、硅：0.30-0.60％、锰：1.30-1.60％、铬：0.15-0.35％、铝：0.010-0.030％、磷：≤0.030％、硫：≤0.035％、钒：0.010-0.100％、铌：0.010-0.040％、钛：0.010-0.040，余量为铁以及不可避免的杂质元素。

目前市场上的非调质钢，多是在碳锰钢的基础上添加一定量的V，研究表明，V元素会以碳氮化合物沉淀析出的形式来提高碳锰钢的性能。而本发明是采用了V-Nb-Ti复合添加的方式，采用微合金强化，充分发挥细晶强化和沉淀强化的效果，其中Ti属于高温稳定型碳化物，在铸坯加热时可以有效防止晶粒的过度粗化，同时Nb的加入可提高奥氏体再结晶温度，在轧制后期，可以使奥氏体充分扁平化而不发生再结晶转变，畸变的奥氏体在后续相变中，更加有利于细小铁素体和细小珠光体团簇产生，也就避免了单一V的加入所造成钢材性能在强韧性的匹配上显得过度单一的问题。

因此，V-Nb-Ti的加入和配合，使得铁素体组织更加均匀、细小，使珠光体形态由片层状向球状态退化态转变。经实际测试，最终所得非调质钢的微观结构中，铁素体的晶粒度更高，反应在机械性能上，具有该化学成分的非调质钢具有更加优异的塑韧性，从而具有突出的力学性能和加工性能。

在本发明具体实施过程中，通常控制非调质钢具有如下的化学成分，以进一步提高非调质钢的力学性能和加工性能，使其尤其能够满足注塑机用拉杆的机械性能要求和切削加工要求：

碳：0.40-0.45％、硅：0.40-0.60％、锰：1.30-1.50％、铬：0.15-0.25％、铝：0.010-0.025％、磷：0.001-0.030％、硫：0.001-0.035％、钒：0.010-0.100％、铌：0.010-0.035％、钛：0.010-0.020，余量为铁以及不可避免的杂质元素。

本发明实施例所提供的非调质钢，其微观结构为铁素体与珠光体的复合组织，且铁素体的面积比例为5-10％；主要表现为细小的铁素体、细小的珠光体团簇和细小的珠光体片间距。经测试，铁素体晶粒度在12级以上。

进一步的，非调质钢具有良好的力学性能，其屈服强度大于810MPa、抗拉强度大于990MPa、延伸率大于20％、面缩率(减面率)不低于60％、冲击吸收功大于65J；同时该非调质钢具有良好的加工性能，其心部硬度大于270HBW、表面硬度不大于310HBW，且表面硬度与心部硬度之间的差值不大于30HBW，因而能够满足注塑机用拉杆的力学性能要求和切削加工要求。

配合上述化学成分组成，本发明还进一步对非调质钢的生产工艺进行了改进。具体的，本发明实施例所提供的非调质钢，是通过包括有如下步骤的方法加工得到：

将配制的原料进行冶炼和铸造，得到满足化学成分要求的铸坯；对铸坯依次进行热处理、轧制处理和冷却处理，再经切割、堆冷，得到非调质钢，其中：

冷却处理采用弱冷和强冷交替冷却的方式，使经轧制处理所得棒材经过至少四段穿水冷却，其中第一段穿水冷却为弱冷，最后一段穿水冷却为强冷。

具体的，非调质钢的制备工艺可在传统非调质钢的生产工艺基础上进行改进，包括首先配制原料，并将配制好的原料进行常规冶炼和铸造，得到满足上述化学成分要求的铸坯。然后对铸坯进行热处理，确保铸坯均匀透烧，使铸坯的心部(芯部)温度和表面温度趋于一致，具体热处理可包括在1100-1200℃下进行的加热段和均热段。其次对铸坯进行轧制和控冷，具体在轧制过程中，开轧温度具体可以为1000-1200℃，终轧温度具体可以控制在850℃以下；铸坯经轧制之后得到的钢材为棒状，且径向截面呈圆形，业内一般称其为棒材或圆钢；对棒材所实施的冷却处理，具体可采用弱冷穿水和强冷穿水交替冷却的方式，使棒材经过至少四段穿水冷却，其中第一段穿水冷却为弱冷，最后一段穿水冷却为强冷。最后将棒材锯切、散开，冷却至室温后打包。

本发明还提供上述非调质钢的制备方法，包括：

将配制的原料进行冶炼和铸造，得到满足化学成分要求的铸坯；

对铸坯依次进行热处理、轧制处理和冷却处理，再经切割、堆冷，得到非调质钢；其中，

冷却处理采用弱冷和强冷交替冷却的方式，使经轧制处理所得棒材经过至少四段穿水冷却，其中第一段穿水冷却为弱冷，最后一段穿水冷却为强冷。

本发明实施例的非调质钢棒材的制备方法，在轧制(精轧)步骤后设置冷却步骤，并且冷却方式一改现有技术中采用先强后弱的冷却方式，采用先弱后强，弱强交替的方式进行。

发明人分析认为，棒材的表面组织基本是由第一道穿水冷却的强度所决定的，在先强后弱的冷却方式下，棒材表面往往会得到大量的马氏体和贝氏体组织，其硬度较高，残余应力较大，难以满足后续的切削加工使用条件。而先弱后强的冷却方式，在第一道穿水冷却时采用弱冷，可以控制棒材皮下得到全部的铁素体+珠光体组织，随后芯部热量向表面扩散使表面温度升高，之后在下一道穿水时采用强冷使得棒材的表面温度迅速降低。由此再采用弱-强交替冷却的方式，使得棒材芯部和表面温度趋于一致而保证力学性能的均匀性并同时控制硬度的均匀性。上述分析也与最终非调质钢产品的性能测试结果一致。

具体的，上述冶炼和铸造的工艺可以采用非调质钢的常规加工工艺，比如可按照电炉冶炼→钢包炉冶炼→精炼炉冶炼→连铸→切割→冷却(缓冷)→检验→判定的流程，得到化学成分均一且满足上述化学成分要求的铸坯。

在轧制前，首先对铸坯进行热处理，热处理具体可以在1100-1200℃下完成，进一步包括1100-1150℃下进行的加热段，以及在1150-1200℃下进行的均热段。为保证铸坯均匀透烧，在本发明具体实施过程中，通常热处理包括1100-1150℃下进行的加热段，以及在1150-1170℃下进行的均热段，且加热段和均热段的总时间不少于2.5小时。

进一步的，热处理还包括在750-830℃下进行的预热段，使铸坯的表面和心部温度趋于一致，然后再进行上述的加热段和均热段。

热处理完成后，即可进行轧制处理。本发明中，通常控制开轧温度为1000-1200℃，比如1100℃左右，终轧温度控制在850℃以下。

轧后对棒材进行冷却处理，本发明采用弱冷和强冷交替冷却的方式，使棒材经过至少四段穿水冷却，比如采用“弱冷-强冷-弱冷-强冷”方式的四段穿水冷却，再比如采用“弱冷-强冷-弱冷-强冷-弱冷-强冷”方式的六段穿水冷却。在本发明具体实施过程中，考虑到时间成本和经济成本，基本采用上述四段穿水冷却的方式，即可得到满足要求的非调质钢。

具体的，弱冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低110-180℃，比如在5秒左右的时间内表面温度降低130-160℃；强冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低305-395℃，比如在5秒左右的时间内表面温度降低320-380℃。在上述弱冷-强冷交替穿水冷却的情况下，可以使棒材在穿过第一道水箱时激冷层区域相变完成，得到铁素体+珠光体的组织，之后再通过后续的强冷来控制棒材内部的组织转变，最终可以降低表面硬度，且保证棒材内部的力学性能。

本发明具体实施例中，轧后的冷却控制强度主要依赖于水流量大小，而水流量的大小则通过水箱阀门的开启程度进行控制。将阀门开启到一定程度后，将棒材穿入水中进行穿水冷却，实现上述弱冷或强冷。具体阀门开启程度可根据实际经验经简单计算确定。

在本发明具体实施过程中，经过了上述冷却处理后的棒材表面温度一般降低至200-300℃，返温温度(俗称“返红温度”)一般可达到585-610℃，然后可按照产品要求进行切割，比如采用锯切，然后下冷床堆冷至室温，最终经检验、精整、包装、称重、入库，从而完成整个非调质钢的加工制程。

本发明还提供一种注塑机用拉杆，是采用上述非调质钢经切削加工得到。本发明对于上述切削加工不做特别限定，可以采用本领域常规的切削加工工艺，不赘述。

本发明提供的非调质钢，其屈服强度大于810MPa、抗拉强度大于990MPa、延伸率大于20％、面缩率不低于60％、冲击吸收功大于65J，因此具有良好的力学性能；同时，该非调质钢的表面硬度不大于310HBW，心部硬度大于270HBW、且表面硬度与心部硬度之间的差值不大于30HBW，因此该非调质钢具有良好的加工性能，能够满足注塑机用拉杆对于非调质钢的机械性能需求和切削加工需求。

本发明提供的非调质钢的制备方法，通过合理控制轧制前的热处理以及轧制后的冷却处理，以确保非调质钢的力学性能和表面硬度，从而能够得到具有良好力学性能和加工性能的非调质钢。

本发明提供的注塑机用拉杆，由于采用上述非调质钢经切削加工得到，因此具有良好的力学性能，从而能够提高注塑机的使用性能和使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1中棒材皮下1mm处显微组织照片；

图2为本发明实施例1中棒材半径1/2处显微组织照片；

图3为图1和图2中显微组织照片的相比例分析报告。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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1-5

本实施例1-5中，非调质钢的生产工艺包括：将配制的原料进行冶炼和铸造，得到满足化学成分要求的铸坯；对铸坯依次进行热处理和轧制，得到的棒材经冷却处理，最后再经切割、堆冷，得到非调质钢。其中：

冶炼具体包括电炉冶炼(EAF)、钢包炉冶炼(LF)和精炼炉冶炼(VD)。在电炉冶炼过程中，采用全铁水冶炼；在钢包炉冶炼过程中，使用碳化硅、硅铁粉脱氧，加入石灰造白渣，白渣保持时间不少于20分钟，以使得白渣能够较为彻底的清除夹杂物；在精炼炉冶炼过程中进行脱气处理，确保含氢量控制在1.5ppm以下，精炼时间不少于45分钟。

连铸步骤中，通过侵入式水口将中间包中的铁水引入结晶器，并在浸入式水口与中间包的结合部位吹氩气，避免引入空气。连铸过程中，过热度严格控制在20-35℃，拉速控制在0.5m/min～0.6m/min，以保证铸坯质量。

连铸后对铸坯进行切割。切割后，需检查铸坯表面无明显缺陷，取铸坯低倍样观察，确保铸坯无裂纹，无缩孔，中心疏松不大于3级，该要求是为了保证后续轧制出的棒材表面与低倍的质量，铸坯检查合格后，送往加热炉进行热处理。

本实施例采用步进式加热炉进行热处理，热处理依次包括预热段、加热段和均热段，其中控制预热段温度为750℃-830℃，预热段时间以铸坯表面和心部温度基本一致为宜；加热段温度为1100℃-1150℃，均热段温度为1150℃-1170℃，且加热段和均热段的总时间不少于2.5小时，确保铸坯表面和心部温度趋于一致。

轧制时，控制开轧温度为1100℃左右，终轧温度控制在850℃以下，得到棒材，其为圆柱状，长度为2.2-3.5m，直径为70-140mm。

轧后控冷采用“弱冷-强冷-弱冷-强冷”的四段穿水冷却的方式进行，具体使棒材依次穿过四道水箱，平均穿过每道水箱所用的时间为5秒左右。在此过程中，通过控制水箱阀门开度调节水流量，进而控制冷却强度，其中弱冷穿水使棒材表面温度在5秒内降低150℃左后，强冷穿水使棒材表面温度在5秒内降低350℃左右。

冷却处理完成后，棒材表面温度降低至200-300℃，在继续传送至锯床之前，返温温度为590-600℃，随后按照实际产品形状和尺寸需求，将棒材锯切、下冷床堆冷，最后进行质量检验(超声及红外探伤)、精整、判定、包装、称重、入库。

对按照上述生产步骤所得到的非调质钢进行化学成分分析，分析结果如表1所示。

表1化学成分检测结果(单位：wt％)

对实施例1-5所得到的非调质钢进行力学性能(机械性能)测试，测试结果如表2所示。

由表2中的力学性能测试结果可知，实施例1-5中的非调质钢，屈服强度大于810MPa、抗拉强度大于990MPa、延伸率大于20％、面缩率大于等于60％、冲击吸收功大于65J。因此，本实施例所提供的非调质钢具有良好的力学性能，尤其能够达到注塑机用拉杆的力学性能要求。

表2力学性能测试结果

本发明实施例中，表面硬度的表征手段不同于常规检测，常规硬度检测为截面硬度，通过棒材横截面(径向截面)上不同位置的硬度差来反映材料截面硬度的均匀性。而本发明实施例的表面硬度检测位置为皮下1mm处，具体测试方式为：在棒材表面沿轧制方向磨掉1mm之后，使用布氏硬度仪在磨出的平台处进行检测，具体硬度检测结果可参见表3。

表3硬度测试结果(单位：HBW)

由表3的硬度测试结果可知，本实施例中的非调质钢，具有较低的表面硬度和心部硬度，其中，心部硬度一般在270-280HBW而表面硬度不大于310HBW；并且从心部到表面的硬度较为均匀，差值较小，一般从表面到心部的硬度差不超过30HBW，因此该非调质钢具有良好的加工性能，不仅能够满足切削加工使用，而且能够避免因硬度变化较大对刀具所带来的不利影响。

实施例1中，沿棒材(非调质钢)表面轧制方向磨掉1mm之后，其显微组织照片如图1所示；棒材半径1/2处显微组织照片如图2所示；其它实施例的棒材在相应位置的显微组织照片与图1和图2一致。

如图1和图2所示，无论是在棒材表面还是在心部，实施例1-5所得非调质钢的金相组织为铁素体和珠光体的复合组织，并且晶粒细小、均匀。按照GB T 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》测定铁素体晶粒度为12级以上。

请参考图3，进一步分析测量图1和图2中的金相组织，其中图1(视场1)中铁素体的比例为5.11％左右；图2(视场2)中铁素体的比例为8.27％左右；铁素体的平均比例为6.69％。

结合图1至图3、表2中的力学性能测试结果以及表3中的硬度测试结果可推断，本发明实施例在进行冷却处理过程中，棒材经先弱冷后强冷的交替冷却方式处理，相比于传统非调质钢在轧制后采用堆冷、坑冷等冷却工艺，由于本实施例的冷却速度相对更快，所以在由奥氏体向珠光体和铁素体转变时，抑制了先析铁素体的析出和长大，从而呈现出少量的铁素体以细小的形态沿晶析出，得到少量铁素体+伪共析珠光体的显微组织，所以能够得到力学性能表现更佳、且表面硬度和心部硬度较为均匀的非调质钢，该非调质钢能够满足注塑机用拉杆等大尺寸产品的使用需求和加工需求，而表2中的机械性能测试结果和表3中的硬度测试结果也证实了上述推断。

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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种非调质钢，其特征在于，按照重量百分比，所述非调质钢包括如下的化学成分：

碳：0.40-0.45％、硅：0.40-0.60％、锰：1.30-1.50％、铬：0.15-0.25％、铝：0.010-0.025％、磷：0.001-0.030％、硫：0.001-0.035％、钒：0.010-0.100％、铌：0.010-0.035％、钛：0.010-0.020，余量为铁以及不可避免的杂质元素；所述非调制钢的心部硬度大于270HBW；

所述非调质钢是通过包括有如下步骤的方法加工得到：

将配制的原料进行冶炼和铸造，得到满足化学成分要求的铸坯；对所述铸坯依次进行热处理、轧制处理和冷却处理，再经切割、堆冷，得到所述非调质钢，其中：

所述冷却处理采用弱冷和强冷交替冷却的方式，使经轧制处理所得棒材经过至少四段穿水冷却，其中第一段穿水冷却为弱冷，最后一段穿水冷却为强冷；所述弱冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低110-180℃；所述强冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低305-395℃。

2.根据权利要求1所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的微观组织为铁素体与珠光体的复合组织，且铁素体的面积比例为5-10％；铁素体的晶粒度在12级以上。

3.根据权利要求1-2任一项所述的非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的屈服强度大于810MPa、抗拉强度大于990MPa、延伸率大于20％、面缩率不低于60％、冲击吸收功大于65J、表面硬度不大于310HBW，且表面硬度与心部硬度之间的差值不大于30HBW。

4.一种权利要求1-3任一项所述非调质钢的制备方法，其特征在于，包括：

将配制的原料进行冶炼和铸造，得到满足化学成分要求的铸坯；

对铸坯依次进行热处理、轧制和冷却处理，再经切割、堆冷，得到所述非调质钢；其中，

所述冷却处理采用弱冷和强冷交替冷却的方式，使经轧制处理所得棒材经过至少四段穿水冷却，其中第一段穿水冷却为弱冷，最后一段穿水冷却为强冷；

所述弱冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低110-180℃；所述强冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低305-395℃。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括在1100-1150℃下进行的加热段，以及在1150-1200℃下进行均热段，且加热段与均热段的总时间不少于2.5小时。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述弱冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低110-180℃，所述强冷穿水是使棒材表面温度在4-8秒内降低305-395℃。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述轧制过程中，控制开轧温度为1000-1200℃，终轧温度在850℃以下。

8.一种注塑机用拉杆，其特征在于，是采用权利要求1-3任一项所述非调质钢经切削加工得到。

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