CN111304516A - 一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺 - Google Patents

一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.25‑0.40％，Si 0.20‑0.40％，Mn 1.50‑1.80％％，V 0.07‑0.10％，Al 0.020‑0.040％，P≤0.010％，S≤0.010％，H≤2ppm，O≤10ppm，余为Fe。由本发明的组分配比结合控轧控冷工艺，无需经过调质处理即可达到所需求的性能水平，同时‑20℃低温韧性满足产品的使用需求，降低了生产成本、生产难度，具有经济、节能和环保的优点。本钢种可适用于寒冷地区建筑用吊钩。

Description

一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺
技术领域
本发明涉及一种低温用非调质钢领域，具体涉及一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺。
背景技术
吊钩，是起重机械中最常见的一种吊具，由于受到外力的直接作用，其质量的稳定性直接影响到设备及人身的安全。吊钩用钢根据其使用环境必须满足一定的强度(屈服强度、抗拉强度)及韧性的要求，而在寒冷地区(如-20℃)，随着温度的降低，钢材的脆性逐渐增大，可能导致低温脆断，因此对钢材的低温冲击韧性要求严格。
吊钩常用低碳合金钢制作，为了提高钢的低温冲击韧性，大多通过淬火+回火的调制处理工艺获得合适的综合力学性能，如“CN201711251082.7大型高强度合金钢吊钩锻件及制作方法”、“CN201710044503.2一种提高耐蚀铸钢件强度和低温冲击韧性的热处理工艺”、“CN201310372864.1改善高强钢低温冲击韧性的方法”等中，正火+回火热处理效果直接影响钢锻件的低温冲击韧性。但调质工艺能耗大，生产工艺复杂、周期长，并会产生大量的环境污染物。此外，调质产品还存在淬火开裂、弯曲变形等缺点。
此外在“CN201810642103.6一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法”中通过重新设计成分和优化改进工艺，满足低温冲击韧性，但是该钢种为了保障良好的低温冲击韧性，防止包晶反应，碳含量控制在0.08％以下。但其难以满足吊钩钢的强度要求。因为吊钩在使用时反复受到拉伸和冲击，因此选用的材料要有较高的强度和韧性，在高寒地区(-20℃)使用时的低温冲击性能也是必须考虑的。
非调质钢是在中碳低合金钢的成分基础上添加微合金化元素改变组织的相变机理，并通过控轧控冷使产品无需经过调质即可达到或接近调质钢的水平。非调质钢的使用不但节约了调质处理的能源消耗，保证了产品的使用性能，还大大地降低了生产成本，缩短了生产周期，符合国家绿色、节能、环保新材料的要求，是机械行业用钢的发展趋势。虽然非调质钢的强度可以达到调质钢的水平，但由于其组织的韧性低于回火马氏体，再加上析出物的沉淀强化，它的韧性难以达到调质钢的水平，从而限制了其应用。如“微合金化非调质钢35MnVN低温冲击韧性研究，丁厚福等”中，非调质钢存在冲击韧性和塑性不足等问题。且目前的非调质钢类产品开发设计研究主要集中在常温下的强度及韧性，对于高低温冲击韧性的研究很少，且尚未见相关研究非调质钢在吊钩中的应用。
本发明涉及一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢，通过化学成分的优化设计和控轧控冷工艺的结合，无需经过调质处理即可达到所需求的性能水平，同时较高的低温韧性满足产品的使用需求，降低了生产成本、生产难度，具有经济、节能和环保的优点。
发明内容
本发明的目的是研制开发一种高强度、高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺，替代传统调质钢的使用，在保证产品所需力学性能、冷弯性能以及寒冷地区使用性能的同时，具有经济、节能、环保的优点。
本发明所采取的技术方案是：
一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺，其化学成分按重量百分比计为：C 0.25-0.40％，Si 0.20-0.40％，Mn 1.50-1.80％，V 0.07-0.10％，Al 0.020-0.040％，P≤0.010％，S≤0.010％，H≤2ppm，O≤10ppm，余为Fe。
C 0.25-0.40％
C：碳是非调质钢中提高强度性价比最高的元素，随着C含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增多，钢的强度和硬度随之提高，但钢的塑性、韧性随之降低。综合考虑产品的强度、韧性及成本，C含量限定在0.25-0.40％范围内。
Si 0.20-0.40％
Si：Si在铁中的固溶度较大，能显著强化铁素体，具有较强的固溶强化效果。Si可以增加非调质钢中铁素体的体积分数，有利于改善钢的韧性，但Si含量过高，反而对韧性不利。Si含量限定为0.20-0.40％。
Mn:1.50-1.80％
Mn：锰铁合金的价格较低，而Mn元素对于非调质钢的强度和韧性都有良好的作用，增加Mn的含量，有利于珠光体团变细小，并减小珠光体片层间距，但Mn含量过高尤其是≥2.0％时，将明显提高珠光体的体积分数，且钢中易出现贝氏体组织，从而恶化钢的韧性，因此Mn含量限定为1.50-1.80％。
P≤0.010％
P：P能够提高钢的强度，但同时P元素易于在晶界偏聚，从而降低钢的韧性，特别是使钢的脆性转变温度急剧提高，因此低P对于钢的低温韧性是必要的，但实际生产中P的降低意味着生产成本的增加，综合考虑，P含量限定为≤0.010％。
S≤0.010％
S：硫通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能发生影响，增加钢中的含硫量，硫化物含量随之增加，钢的韧性降低；此外，由于硫化物易于变形，在轧制过程中呈现长条状，使钢的力学性能呈现方向性。综合考虑S含量对钢力学性能的影响及降低S含量带来的成本，S含量限定为≤0.010％。
Al:0.020％-0.040％
Al：Al作为脱氧元素，可以降低钢中的氧含量，配合生产工艺，可将钢中的大尺寸氧化物夹杂降至极低，从而保证钢产品的使用性能。但Al含量过高，一方面氧含量的减低并不显著，另一方面给生产过程二次氧化、连铸浇铸顺行等的控制带来难度。综合考虑，将Al含量限定在0.020-0.040％。
V:0.07％-0.10％
V：微合金化元素V是非调质钢中的重要强化元素，与C结合形成细小弥散分布的碳化物第二相强化钢基体，但V含量过高，强化效果减弱，且会降低钢的韧性，再加上V元素价格高，综合考虑钢的性能要求，将V的含量限定在0.07％-0.10％。
生产一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺，包括以下步骤：电炉冶炼-LF精炼-真空处理-连铸-缓冷-检验-加热炉加热-控轧-冷却-退火-包装-称重-入库。
(1)电炉冶炼
电炉出钢P≤0.008％，偏心炉底出钢，控制出钢下渣量；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料，脱氧剂使用铝粒，加入量0.8-1.0kg/t。
(2)LF精炼
LF精炼前期调整Al含量目标0.040％，要求一次到位，精炼中、后期不再加入含铝材料；使用碳化硅扩散脱氧，控制炉渣碱度4.0-5.0。
(3)真空处理
真空处理过程，保证高真空(≤67Pa)时间≥10min；破空后定氢，用碳化稻壳对钢水进行覆盖，并保证软吹时间控制在20分钟以上。
(4)连铸
连铸采用结晶器电磁搅拌，二冷采用弱冷方式，保证了产品成分的均匀性，同时防止冷却裂纹的产生。
(5)缓冷
连铸出坯后入坑缓冷，要求入坑温度≥450℃，防止热应力裂纹的产生。
(6)轧制工艺
控制开轧温度1030-1100℃，轧制过程水冷，控制终轧温度780-850℃，降低奥氏体区轧制温度，提高轧材晶粒度，进一步改善产品的韧性。上冷床温度800-850℃。
轧制过程水冷控轧可进一步细化晶粒，并避免出现马氏体、贝氏体等异常组织，对钢的强度及韧性均有好处，保证终轧温度。
(7)退火
将轧材入退火炉，在500℃保温6h，随炉冷却。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺，通过组分配比、控轧控冷工艺的结合，使该非调质钢类产品在保证使用强度的前提下同时具有较高的低温冲击韧性以及吊钩所要求的冷弯性能，保证-20℃的冲击韧性，满足寒冷地区吊钩的需求。且在达到调质钢的力学性能的前提下，进一步缩短了产品加工流程，生产成本更低且节能环保。
附图说明
图1为实施例1生产的吊钩用非调质钢的金相组织；
图2为实施例1生产的吊钩用非调质钢180°冷弯产品图。
具体实施方法
以下结合具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明的保护范围并非限于下列实施例。下述实施例中未注明的具体条件，没有特别限制的为常规条件，本领域技术人员可根据实际情况灵活选择。所用材料(如增碳剂、渣料等)或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢，其化学成分按重量百分比计为：C0.34％，Si 0.30％，Mn 1.61％，V 0.094％，Al 0.026％，P 0.009％，S 0.003％，H 1.0ppm，O 7ppm，余为Fe。
电炉出钢量100t，出钢P 0.007％，出钢过程依次加入80kg铝粒、合金、增碳剂、渣料。
LF精炼前期调整Al含量0.039％，使用碳化硅扩散脱氧，炉渣碱度4.5，LF精炼结束S含量0.004％。
真空处理过程，高真空(≤67Pa)时间14min；破空后定氢目标1.0ppm，用碳化稻壳对钢水进行覆盖，软吹时间23分钟。
连铸断面220mm×260mm，采用结晶器电磁搅拌，二冷采用弱冷方式。连铸出坯后入坑缓冷24h，入坑温度510℃。
轧制规格为φ20mm，控制开轧温度为1070℃，精轧使用4个水箱水冷，终轧温度810℃，上冷床温度825℃，轧材避风堆冷。
将轧材入退火炉，在500℃保温6h，随炉冷却。
吊钩件由退火材冷弯制成。
实施例2：
一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢，其化学成分按重量百分比计为：C0.35％，Si 0.30％，Mn 1.63％，V 0.093％，Al 0.029％，P 0.009％，S 0.002％，H 1.0ppm，O 7ppm，余为Fe。
电炉出钢量100t，出钢P 0.007％，出钢过程依次加入80kg铝粒、合金、增碳剂、渣料。
LF精炼前期调整Al含量0.040％，使用碳化硅扩散脱氧，炉渣碱度4.4，LF精炼结束S含量0.004％。
真空处理过程，高真空(≤67Pa)时间13min；破空后定氢目标1.0ppm，用碳化稻壳对钢水进行覆盖，软吹时间25分钟。
连铸断面220mm×260mm，采用结晶器电磁搅拌，二冷采用弱冷方式；连铸出坯后入坑缓冷25h，入坑温度500℃。
轧制规格为φ18mm，控制开轧温度为1060℃，精轧使用4个水箱水冷，终轧温度801℃，上冷床温度817℃，轧材避风堆冷。
将轧材入退火炉，在500℃保温6h，随炉冷却。
吊钩件由退火材冷弯制成。
对比例1：
化学成分按重量百分比计为：C 0.20％，Si 0.31％，Mn 1.30％，V 0.093％，Al0.030％，P 0.008％，S 0.003％，H 1.0ppm，O 7ppm，余为Fe。
炼钢工艺及轧钢工艺与实施例1相同。
对比例2：
化学成分按重量百分比计为：C 0.45％，Si 0.30％，Mn 1.60％，V 0.093％，Al0.025％，P 0.009％，S 0.003％，H 1.0ppm，O 7ppm，余为Fe。
炼钢工艺及轧钢工艺与实施例1相同。
对比例3：
化学成分按重量百分比计为：C 0.35％，Si 0.30％，Mn 1.59％，V 0.093％，Al0.025％，P 0.009％，S 0.003％，H 1.0ppm，O 7ppm，余为Fe。
炼钢工艺与实施例1相同。
轧制规格为φ20mm，控制开轧温度为1060℃，精轧使用2个水箱轻微穿水，终轧温度895℃，上冷床温度905℃，轧材避风堆冷。将轧材入退火炉，在500℃保温6h，随炉冷却，其他操作与实施例1相同。
根据实施例1、实施例2、对比例1、对比例2、对比例3的组分和工艺生产的轧材力学性能如表1所示，180°冷弯合格结果如图2所示。可见本发明的成分及生产工艺协同后可保证产品的性能要求。
表1实施例轧材机械性能
Figure BDA0002400520980000061
注：试件弯曲180°后外表面不出现断裂、裂纹、鳞落即认为冷弯性能合格。
以上皆为本发明优选的具体实施例而已，但本发明并不局限于上述具体实施例。本领域技术人员完全可以在不背离本发明技术思想的情况下，可以对前述实施例方案中的部分技术特征做出显而易见的改进、变更和修改，本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢，其特征在于：该钢的化学成分按重量百分比计：C 0.25-0.40％，Si 0.20-0.40％，Mn 1.50-1.80％％，V 0.07-0.10％，Al0.020-0.040％，P≤0.010％，S≤0.010％，余为Fe。
2.如权利要求1所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢，其特征在于：非调质钢中H≤2ppm，O≤10ppm。
3.一种如权利要求1或2所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于，生产工艺包括下列步骤：电炉冶炼-LF精炼-真空处理-连铸-缓冷-检验-加热炉加热-控轧-冷却-退火。
4.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述电炉冶炼时，电炉出钢P≤0.008％，偏心炉底出钢，控制出钢下渣量；出钢过程依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料，脱氧剂使用铝粒，加入量0.8-1.0kg/t。
5.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述LF精炼前期调整Al含量目标，要求一次到位，精炼中、后期不再加入含铝材料；使用碳化硅扩散脱氧，控制炉渣碱度4.0-5.0。
6.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述真空处理过程，保证高真空≤67Pa处理时间≥10min；破空后定氢，用碳化稻壳对钢水进行覆盖，并保证软吹时间控制在20分钟以上。
7.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述连铸采用结晶器电磁搅拌，二冷采用弱冷方式；连铸出坯后入坑缓冷。
8.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述控轧工艺中控制开轧温度1030-1100℃，轧制过程水冷，控制终轧温度780-850℃，上冷床温度800-850℃。
9.如权利要求3所述的高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢的生产工艺，其特征在于：所述退火为500℃保温6h，随炉冷却。
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