CN111349856A - 一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷镦钢技术领域，具体公开一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条及其制备方法，所述冷镦钢盘条化学成分的重量百分比为C 0.33～0.38%，Si≤0.30%，Mn 0.80～1.10%，P≤0.020%，S≤0.020%，Cr 0.10～0.30%，Nb 0.010～0.050%，Ti 0.020～0.050%，Al 0.020～0.050%，B 0.0010～0.0035%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。制备过程通过RH真空精炼去除钢中的氢，将热轧坯在缓冷坑放置进一步降低氢含量，通过加热、轧制工序控制，获得的热轧盘条具有易球化退火和较好的冷加工性能，热处理后强韧性和耐延迟断裂性能良好。

Description

一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条及其制备方法
技术领域
本发明属于线材生产领域，涉及一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条及其制备方法。
背景技术
节能和环保是关系人类社会可持续发展的重大问题，降低燃油消耗和尾气排放已成为汽车行业发展共同关注的焦点。减小汽车自身重量是减少燃油消耗及降低尾气排放的最有效措施之一。减少车身重量的一个主要途径就是使用轻量化材料，按照目前技术实现汽车轻量化，最有效的途径是采用铝材代替钢材。锁铆铆接（自冲铆铆接，SPR）技术是实现汽车轻量化的关键技术，为汽车轻量化车身的制造开辟了新的途径，对铆钉用钢提出广阔的市场空间。自冲铆接（SPR）工艺于1978年提出，通过半空心铆钉完全穿透下层板形成自锁来实现连接。1993年，英国亨罗布（Henrob）公司对该方法进行改进，提出了不穿透下层板的SPR工艺，也是当前汽车制造领域大规模应用的SPR工艺。
根据锁铆铆钉铆接过程可知，铆钉需要具备较高的硬度，一般均在380HV以上，以防止铆钉在刺入的过程中镦粗而无法刺入，还需要铆钉具有良好的韧性以便铆钉腿逐渐张开形成铆扣，防止铆钉变形时自身产生裂纹或者刺穿下层板料。承受变形应力的超高强度铆钉需要具备一定的耐延迟断裂性能，防止铆钉腿部断裂，失去铆接作用。目前市面上部分锁铆铆钉采用中碳钢或中碳合金钢生产，如采用SWRCH35K、SWRCH45K、SCM435。当采用SWRCH35K、SWRCH45K生产锁铆铆钉时，为达到高硬度要求，回火温度较低，产品塑性指标较差，且耐延迟断裂性能不好。而采用合金钢SCM435时，由于含有较高的合金元素，在铆钉冷镦成形时，对冷镦原料组织要求较高，且原料成本相对较高。为解决以上矛盾问题，发明了一种铌钛硼复合微合金化的中碳冷镦钢热轧盘条，用于生产超高强度锁铆铆钉，该产品具有良好的韧性和耐延迟断裂性能。
授权公告号为CN 105063480 B 公开了《一种高强度含硼冷镦钢的生产方法》，其特征在于，所述高强度含硼冷镦钢的组分为：C的质量分数为0.34%～0.36%，Si的质量百分数为0.15%～0.30，Mn的质量分数为0.80%～1.00%，Ti的质量百分数为0.03%～0.08%，Al的质量百分数为0.025%～0.045%，P的质量百分数为＜0.025%，S的质量百分数为＜0.025%，B的质量百分数为0.0012%～0.0021%，其余为Fe和不可避免的杂质：所述一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，方法如下：转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩控冷工序，使用的铸坯规格为150mm×150mm、高线开轧温度为960℃～990℃，轧制的线材规格为：5.5mm≤直径≤20mm；线材制成的产品经880℃保温1小时再水淬，460℃保温1小时再回火处理，抗拉强度达到1240～1310MPa，σ0.2屈服强度台阶明显，且在1100MPa～1210MPa的范围内，伸长率12.5～17.0%，面缩率62～68%，Aku冲击功为170～230J，洛氏硬度HR在40～43的范围内。该发明涉及的线材耐延迟断裂性能不能满足锁铆铆钉的生产要求。
申请公布号为CN 110453150 A公布了《一种Cr、B系低碳高强度冷镦钢盘条及其制造方法》，该发明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。由于C含量是决定钢淬硬性的决定元素，C含量0.16～0.24%范围，钢淬火后硬度很难保证50HRC以上，再进行回火时，则无法生产530～580HV级别超高强度铆钉。此外，该发明涉及的线材耐延迟断裂性能不能满足锁铆铆钉的生产要求。
授权公布号为CN104046903 B 公布了《13.9级和14.9级耐延迟断裂高强度紧固件用盘条及其制造方法》，该发明其化学成分重量百分比为：C：0.38～0.45%，Si：0.05～0.20%，Mn：0.30～0.60%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：0.85～1.35%，Mo：0.45～0.65%，V：0.20～0.50%，Nb：0.01～0.05%，B：0.002～0.010%，Al：0.005～0.020%，其余Fe和不可避免的杂质。该发明采用Nb-V-B复合微合金化，且加入了大量的Cr、Mo合金元素，由于较高的合金元素加入，不但生产成本较高，且产品即使球化退火后仍具有较高的硬度，冷镦模具损耗较高，不利于生产大变形量零件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适合采用冷镦工艺的超高强度、高韧性且具有良好耐延迟断裂性能的自冲铆钉用冷镦钢盘条及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其特征在于，所述冷镦钢盘条化学成分及其重量百分含量为：C:0.33～0.38%，Si≤0.30%，Mn:0.80～1.10%，P≤0.020%，S≤0.020%，Cr:0.10～0.30%，Nb:0.010～0.050%，Ti:0.020～0.050%，Al:0.020～0.050%，B:0.0010～0.0035%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
现对于现有技术，本发明的成分设计中各元素的作用及配比依据如下：
C含量控制0.33～0.38%，在满足淬硬性的前提下，具有良好冷加工变形能力，因此，将C的含量设计为0.33～0.38%。
Mn具有较强的固溶强化效果，可以提高钢的强度和韧性，但当Mn含量过高时，会加剧钢的偏析，使盘条的铁素体-珠光体带状加重，恶化韧性，因此将Mn的含量设计为0.80～1.10%；
Si可起到固溶强化效果，但Si过高不利于冷镦成型，因此不易加入过高含量Si，其成分范围为Si≤0.30%。
Cr在合金结构钢中起到提高淬透性作用，与C形成各种碳化物，提高钢抗回火软化能力，但Cr亦增加钢的回火脆性倾向，因此将Cr的含量设计为0.10～0.30%；
Nb显著提高钢再结晶温度，在钢中主要与碳、氮结合形成细小的碳氮化物，起到细晶强化和析出强化的目的；析出的铌的碳氮化物，能够捕获扩散氢，起到氢陷阱作用，利于提高成品零件的耐延迟断裂性能；为了保证其细晶强化效果，同时考虑生产成本，将Nb的含量设计为0.010～0.050%。
Ti在钢中主要起细化晶粒作用，通过碳氮化物质点的弥散析出及Ti的固溶，极大地提高钢的强韧性；Ti与N的结合，还可保证硼的淬透性作用；过高的Ti含量则会增加钢中TiO2夹杂物数量和疲劳裂纹源，因此将Ti的含量设计为0.020～0.050%。
Al主要用来脱氧，以保证Ti、Nb的收得率。因此，将Al的含量设计为0.020～0.050%。
S、P偏聚在晶界会降低钢的韧性，因此，将P的含量控制在0.020%以下，将S的含量控制在0.020%以下，越低越好。
优选的，H的重量含量为H≤1.0ppm。
H会降低钢的耐延迟断裂性能，因此，将H的含量控制在1.0ppm以下，越低越好。
优选的，所述S的重量百分含量为S≤0.010%。
S偏聚在晶界会降低钢的韧性，优选的S含量可以使其危害降低到忽略不计。
本发明还提供了上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备方法，包括如下步骤：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度不超过70pa，RH精炼纯脱气时间不低于15min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯；
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间不低于48－72小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1140～1200℃，加热时间80～130min，加热炉残氧量1～4%；
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度800～850℃；吐丝温度780～830℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.50～0.80℃/s。
本发明提供的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备方法，通过RH真空精炼保证了连铸中包浇铸钢水低氢含量，使得中包钢水氢含量不超过1.0ppm；开坯后的热轧坯入缓冷坑放置，放置过程中氢扩散逸出，进一步降低了钢中氢含量；通过控制钢坯加热工序加热温度实现微合金元素的固溶和奥氏体组织的均匀化，同时为了避免奥氏体晶粒过于粗大和脱碳层的增加，严格控制加热时间和加热炉残氧量；通过控制线材轧制工序进精轧温度和吐丝温度，使奥氏体晶粒得到充分细化；通过控制吐丝后盘条冷速，使盘条的缓慢冷却，避免异常淬火组织出现，同时抑制晶粒的长大，从而保证钢种后续易于退火和冷加工。
优选的，步骤（1）中，RH进站钢水和处理后钢水均进行定氢。
对钢水进行定氢目的是对LF炉外精炼工序控制提供信息反馈，同时指导RH精炼工艺控制调整。
在本发明设计的成分的基础上，通过上述制备方法，获得的冷镦钢热轧盘条的微观组织由铁素体+珠光体组成，晶粒度大于9级，盘条具有易球化退火和较好的冷加工性能。对3#剪试样（取样位置为轧线进精轧前3#剪位置，取样时已快速冷却至进精轧温度，取样后空冷至室温）和盘条进行热处理后，硬度达到530～580HV，室温冲击功Akv达到57～71J，采用恒载荷缺口拉伸试验评价产品的抗延迟断裂性能，加载应力系数为0.65（即加载应力为缺口试样抗拉强度的0.65倍）时，产品满足100h不断裂，盘条热处理后具有较好的强韧性和耐延迟断裂性能。
附图说明
图1为超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的横截面金相组织；
图2为超高强度锁铆铆钉用冷镦钢3#剪试样横截面金相组织；
图3为超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条奥氏体晶粒度；
图4为超高强度锁铆铆钉用冷镦钢3#剪试样奥氏体晶粒度；
图5为超高强度锁铆铆钉用冷镦钢3#剪热处理试样室温冲击断口微观形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.33%，Mn 1.10%，Si 0.24%，P 0.020%，S 0.005%，Cr 0.30%，Nb 0.030%，Al 0.023%，Ti0.020%，B 0.0020%，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度70pa，RH精炼纯脱气时间20min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间48小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1180℃，加热时间100min，加热炉残氧量1.0%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度830℃；吐丝温度800℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.50℃/s，得到规格为Ф6.5mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样，图1为盘条横截面金相组织，图2为3#剪试样横截面金相组织，图3为盘条奥氏体晶粒度，图4为3#剪试样奥氏体晶粒度，图5为3#剪热处理试样室温冲击断口微观形貌。
实施例2
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.35%，Mn 0.95%，Si 0.17%，P 0.012%，S 0.010%，Cr 0.20%，Nb 0.020%，Al 0.041%，Ti0.027%，B 0.0022%，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度67pa，RH精炼纯脱气时间15min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间49小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1200℃，加热时间80min，加热炉残氧量1.2%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度850℃；吐丝温度800℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.55℃/s，得到规格为Ф5.5mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样。
实施例3
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.38%，Mn 0.87%，Si 0.01%，P 0.009%，S 0.008%，Cr 0.27%，Nb 0.035%，Al 0.033%，Ti0.034%，B 0.0010%，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度70pa，RH精炼纯脱气时间17min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间52小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1160℃，加热时间110min，加热炉残氧量2.2%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度810℃；吐丝温度820℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.75℃/s，得到规格为Ф8.0mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样。
实施例4
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.34%，Mn 1.00%，Si 0.30%，P 0.008%，S 0.020%，Cr 0.19%，Nb 0.050%，Al 0.020%，Ti0.042，B 0.0016%，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度68pa，RH精炼纯脱气时间15min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间59小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1140℃，加热时间130min，加热炉残氧量4.0%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度800℃；吐丝温度830℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.70℃/s，得到规格为Ф9.0mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样。
实施例5
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.37%，Mn 0.80%，Si 0.22%，P 0.013%，S 0.007%，Cr 0.10%，Nb 0.016%，Al 0.050%，Ti0.031，B 0.0035，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度70pa，RH精炼纯脱气时间22min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间65小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1150℃，加热时间115min，加热炉残氧量3.1%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度840℃；吐丝温度820℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.80℃/s，得到规格为Ф10.0mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样。
实施例6
本发明实施例提供超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其成分按重量百分比为：C0.36%，Mn 0.88%，Si 0.06%，P 0.011%，S 0.003%，Cr 0.26%，Nb 0.010%，Al 0.031%，Ti0.050，B 0.0021%，其余为铁和不可避免的杂质元素。
上述超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备步骤如下：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度70pa，RH精炼纯脱气时间17min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯。
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间72小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1170℃，加热时间105min，加热炉残氧量2.3%。
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度820℃；吐丝温度780℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.65℃/s，得到规格为Ф8.0mm的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢热轧盘条，盘条轧制过程取3#剪试样。
实施例1－6制备的盘条或3#剪试样热处理后通过维氏硬度检验、室温冲击试验和抗延迟断裂性能试验评价其性能，热处理工艺参数为：淬火温度870℃±20℃，淬火加热保温时间60±5min，淬冷介质为油，回火温度300℃±10℃，回火加热保温时间60±5min。
抗延迟断裂性能试验条件和设备如下：
抗延迟断裂性能试验用试样尺寸加工依据《金属室温缺口拉伸试验方法》（HB5214），试样尺寸为M8×1.25的直径为3mm圆形缺口试样。试验溶液采用pH值为3.5±0.5的Walpole溶液（浓盐酸14.6mL+无水乙酸钠16.4g+去离子水1000mL），试验时每12h更换一次溶液；缺口试样的抗拉强度在MTS万能试验机上进行测定，缺口样品拉伸速率0.005mm/min。
室温冲击试验方法和设备如下：
按照GB/T229规定进行标准尺寸V缺口室温冲击试验；试验在型号为JBW-300CD的微机全自动控制冲击试验机上进行。
实施例1－6制备的盘条的显微组织、晶粒度以及热处理后的硬度、抗延迟断裂性能检测结果示于表1中，实施例1－6的3#剪试样热处理后的冲击性能、抗延迟断裂性能检测结果示于表1中。
表1 实施例1-6盘条的显微组织、晶粒度、性能测试结果以及3#剪试样性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其特征在于，所述冷镦钢盘条化学成分及其重量百分含量为：C:0.33～0.38%，Si ≤0.30%，Mn:0.80～1.10%，P≤0.020%，S≤0.020%，Cr:0.10～0.30%，Nb:0.010～0.050%，Ti:0.020～0.050%，Al:0.020～0.050%，B:0.0010～0.0035%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其特征在于，H的重量含量为H≤1.0ppm。
3.根据权利要求1所述的一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条，其特征在于，所述S的重量百分含量为S≤0.010%。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的方法，包括如下步骤：
（1）转炉冶炼的钢水通过LF炉外精炼后进行RH真空精炼，RH工序真空槽真空度不超过70pa，RH精炼纯脱气时间不低于15min，RH精炼的钢水通过连铸工序制备成大方坯；
（2）将步骤（1）得到的大方坯进行开坯后，热轧坯入缓冷坑放置，放置时间48－72小时；
（3）钢坯加热：将步骤（2）放置处理后的热轧坯在加热炉中加热，加热温度1140～1200℃，加热时间80～130min，加热炉残氧量1～4%；
（4）线材轧制：将步骤（3）加热后的热轧坯进行轧制，进精轧温度800～850℃；吐丝温度780～830℃，吐丝后盘条进入SM辊道，冷速0.50～0.80℃/s。
5.根据权利要求4所述的一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，RH进站钢水和处理后钢水均进行定氢。
6.根据权利要求4所述的一种超高强度锁铆铆钉用冷镦钢盘条的制备方法，其特征在于，盘条轧制规格为Ф5.5～10.0mm。
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