CN111549287A - 中碳钢及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种中碳钢及其生产工艺，属于中碳钢的生产工艺技术领域。中碳钢的生产工艺包括：对连铸坯或轧制坯进行四段加热和轧制，再对轧制钢进行冷却以获得组织结构均匀的铁素体和珠光体组织。四段加热中，二加热段的加热温度为1100±15℃，加热时间为D×(0.15‑0.25)min。均热段的加热温度为1090±15℃，加热时间为D×(0.10‑0.20)min。通过控制每个阶段的加热温度、高温段的加热时间以及冷却方式，使得钢表面的铁素体、珠光体转变区域充分形成晶粒均匀、组织均匀的铁素体和珠光体，降低钢的脱碳倾向，中碳钢的总脱碳层深度控制在0.30mm或0.4％Dmm以内，硬度≤260HBW。

Description

中碳钢及其生产工艺
技术领域
本申请涉及中碳钢的生产工艺技术领域，且特别涉及一种中碳钢及其生产工艺。
背景技术
脱碳是中碳钢较为常见的一种表面缺陷，表面的碳含量相对于基体会减少。中碳钢产品一般要经过淬火获得较高的硬度，由于含碳量的减少，经淬火后硬度不高，即存在淬火软点，在后续应用过程中，在存在交变应力的情况下，材料会容易出现裂纹，使其过早疲劳失效。此外，由于脱碳导致表层碳含量呈梯度变化，造成不同位置淬火时膨胀的系数不一样，组织转变时体积变化的程度也不一样，从而出现应力集中的现象，导致表面不同区域直接产生微裂纹，这些裂纹成为应力集中区，为后续裂纹的产生埋下隐患，最终引起产品的失效断裂，降低材料的疲劳极限。因此降低中碳钢脱碳层厚度一直是冶金工作者需要解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的包括提供一种中碳钢及其生产工艺，以将中碳钢的总脱碳层深度控制在0.30mm或0.4％Dmm以内。
第一方面，本申请实施例提供了一种中碳钢的生产工艺，包括：对连铸坯或轧制坯进行四段加热和轧制，再对轧制钢进行冷却，得到的中碳钢的组织结构为铁素体和珠光体组织。四段加热包括预热段、一加热段、二加热段以及均热段。预热段的加热温度不大于750℃。一加热段的加热温度为800±50℃。二加热段的加热温度为1100±15℃，加热时间为D×(0.15-0.25)min。均热段的加热温度为1090±15℃，加热时间为D×(0.10-0.20)min。其中，D为轧制坯的厚度，单位为mm。冷却轧制钢的步骤包括：轧制钢在450℃-600℃的条件下进行缓冷或堆冷，缓冷或堆冷时间不小于48小时。
本申请采用四段加热，通过控制连铸坯或轧制坯每个阶段的加热温度、高温段的加热时间以及冷却方式，使得钢表面的铁素体、珠光体转变区域充分形成晶粒均匀、组织均匀的铁素体和珠光体，降低钢的脱碳倾向，中碳钢的总脱碳层深度控制在0.30mm或0.4％Dmm以内，中碳钢的硬度≤260HBW。
在本申请的部分实施例中，二加热段和均热段的总加热时间控制在D×(0.25-0.40)min之内。
在分别控制二加热段和均热段的加热时间的基础上，进一步控制二加热段和均热段的总加热时间，即控制高温段的加热时间，以较大程度降低钢坯表面的脱碳程度。
在本申请的部分实施例中，轧制坯的厚度D为150mm-250mm。
本申请实施例中的中碳钢的轧制坯的厚度一般为150mm-250mm，该尺寸的轧制坯的二加热段的加热时间可以为30-50min，均热段的加热时间可以为20-40min。
在本申请的部分实施例中，中碳钢的组织结构中，表面铁素体含量为30％-50％，基体中铁素体含量为10％-30％。该中碳钢总脱碳少，硬度较高。
在本申请的部分实施例中，按重量百分比计，中碳钢包括C：0.30-0.50％，Si：0.40-0.70％，Mn：1.00-1.45％，P≤0.020％，S：0.025-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.10％，Al≤0.030％，V≤0.02％，Ti≤0.03％，其余为Fe。
本申请实施例采用的中碳钢的成分为上述范围时，通过本申请提供的生产工艺能够将钢的总脱碳深度控制在0.30mm或0.4％Dmm以内。
在本申请的部分实施例中，轧制坯进行四段加热的空气过剩系数为1.05-1.15。在本申请的部分实施例中，轧制坯的一加热段和二加热段的残氧量为2％-5％。
本申请通过控制空气过剩系数来控制空气与燃料之间的比例，调整加热炉内的加热气氛，进而控制残氧量来控制燃料与空气量，以较大程度保证炉内温度的稳定。
在本申请的部分实施例中，轧制坯进行四段加热的入炉温度为300℃-600℃。
在本申请的生产工艺中，上述入炉温度能够减少钢的总在炉时间，降低脱碳的概率。
在本申请的部分实施例中，对轧制坯进行四段加热之前，还包括：对连铸坯进行加热、开坯轧制以及剥皮处理。可选地，剥皮处理的步骤包括：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯进行单面剥皮，第一道剥皮深度为0.7±0.1mm，第二道剥皮深度为0.5±0.1mm。
对坯料进行剥皮处理，剥去坯料表面的氧化皮，目的在于去除坯料上的脱碳层。采用两道次剥皮工艺能够进一步提高剥皮效果，减少脱碳。
第二方面，本申请提供了一种中碳钢，中碳钢表面的铁素体比例为30％-50％，基体中铁素体含量为10％-30％；中碳钢的硬度≤260HBW。
通过本申请提供的生产工艺得到的中碳钢表面的组织结构中，表面铁素体比例为30％-50％，本申请提供的中碳钢具有较高的硬度，能够提高中碳钢制成的零件的寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例3提供的中碳钢的微观结构图；
图2为本申请对比例1提供的中碳钢的微观结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂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。
下面对本申请实施例的一种中碳钢及其生产工艺进行具体说明。
本申请实施例提供了一种中碳钢及其生产工艺，本申请为了提供脱碳较小的中碳钢，通过调整该中碳钢的成分及工艺，以得到具有一定组织结构的中碳钢，使得中碳钢总脱碳层深度≤0.4％Dmm或≤0.35mm，其中，D为轧制坯的厚度，单位为mm。
本申请提供的中碳钢的组分含量以重量百分比计包括：C：0.30-0.50％，Si：0.40-0.70％，Mn：1.00-1.45％，P≤0.020％，S：0.025-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.10％，Al≤0.030％，V≤0.02％，Ti≤0.03％，其余为Fe。该组分含量有助于中碳钢表面铁素体的形成。
本申请实施例中，中碳钢的生产工艺包括：连铸坯加热、开坯轧制、轧制坯剥皮、轧制坯加热、轧制、冷却。其中，连铸坯加热、开坯轧制为本技术领域的通用技术，本申请对其不进行限定。
得到轧制坯后，对其进行剥皮处理，剥去坯料表面的氧化皮，目的在于去除坯料上的脱碳层。本申请实施例中轧制剥皮的步骤包括：对开坯轧制后的钢坯进行单面剥皮，剥皮深度为1.2±0.2mm。为了提高剥皮效果，减少脱碳，采用两道次工艺进行剥皮。其中，第一道剥皮深度为0.7±0.1mm，第二道剥皮深度为0.5±0.1mm。
本申请实施例中轧制坯加热的步骤包括：本申请采用四段式加热工艺，通过对每段加热温度及加热时间的控制，使得合金成分充分溶解扩散，减少表层脱碳倾向。四段加热包括预热段、一加热段、二加热段以及均热段。
预热段的加热温度不大于750℃，该加热温度不高，使得轧制坯能够缓慢加热，以抑制过大的热应力而导致内裂。可选地，预热段的加热温度为600℃、650℃、700℃、720℃或740℃。
一加热段的加热温度为800±50℃，该温度与预热段温度相差不大，以对轧制坯进行缓慢加热，避免热应力过大。可选地，一加热段的加热温度为750℃、780℃、800℃、820℃或850℃。
本申请中，二加热段和均热段为高温段，而轧制坯长时间在高温环境中容易脱碳。目前的加热温度和时间为提前设定，或采用统一的加热参数进行加热，在对不同的轧制坯进行加热时，无法实现相同的加热效果，容易造成加热温度过高导致脱碳较多的情况。为了降低钢坯表面脱碳倾向，二加热段的加热温度为1100±15℃，加热时间为D×(0.15-0.25)min，均热段的加热温度为1090±15℃，加热时间为D×(0.10-0.20)min。其中，D为轧制坯的厚度，单位为mm。可选地，二加热段的加热温度为1085℃、1090℃、1100℃、1110℃或1115℃，加热时间为D×0.15min、D×0.20min或D×0.25min；均热段的加热温度为1075℃、1080℃、1090℃、1100℃或1105℃，加热时间为D×0.10min、D×0.15min或D×0.20min。
本申请将轧制坯的厚度作为加热时间的系数，通过控制加热时间，在保证轧制坯的合金成分充分溶解的同时，避免轧制坯处在高温环境下的时间太长，而加重轧制坯表面脱碳。进一步地，二加热段和均热段的总加热时间控制在D×(0.25-0.40)min之内。即在单独控制二加热段和均热段的加热时间的基础上，还控制两段的总加热时间，以较大程度降低钢坯表面的脱碳程度，使得钢坯具有较好的硬度。可选地，二加热段和均热段的总加热时间为D×0.25min、D×0.30min、D×0.35min或D×0.40min。
在本申请的部分实施例中，轧制坯的厚度为150mm-250mm。可选地，轧制坯的厚度为180mm、200mm或220mm。可选地，二加热段的加热时间为30-50min，均热段的加热时间为20-40min。其中，二加热段的加热时间为35min、40min或45min，均热段的加热时间为25min、30min或35min。二加热段和均热段的总加热时间为50-90min。可选地，总加热时间为50min、60min、70min、80min或90min。
为了减少总在炉时间，降低脱碳的概率，钢坯采用红送装炉，入炉温度为300℃-600℃。可选地，入炉温度为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃。在本申请的部分实施例中，加热炉采用混合煤气加热，混合煤气主要含有CO、CH4、H2S等可燃气体，通过计算气体燃料所需的理论空气，以及将空气过剩系数设定在1.05-1.15，调整相应的空燃比，即混合气中空气与燃料之间的质量的比例，将加热炉内的加热气氛控制为弱氧化气氛，从而将炉内加热段的残氧量控制在2％-5％。可选地，空气过剩系数设定为1.05、1.10或1.15，炉内加热段的残氧量控制为2％、3％、4％或5％。
轧制钢加热后，对钢坯进行轧制，在本申请的实施例中，可以将钢坯轧制为圆钢、方钢等。该轧制工艺为本技术领域的通用技术，本申请对其不做限定。下面以圆钢为例进行说明。
对圆钢进行冷却的步骤包括：圆钢在450℃-600℃的条件下进行缓冷或堆冷，缓冷或堆冷时间不小于48小时，获得组织结构均匀的铁素体和珠光体组织。可选地，缓冷或堆冷的温度为450℃、500℃、550℃或600℃。
为了减少轧后圆钢的脱碳，关键在于控制冷却过程表面组织转变，在450-600℃范围将轧制圆钢吊入缓冷坑或不通风的堆冷区域进行缓慢冷却，缓冷或堆冷时间不小于48h，确保轧制的圆钢表面在铁素体、珠光体转变区域充分形成晶粒均匀、组织均匀的铁素体和珠光体组织。由本申请提供的生产工艺制得的中碳钢表面的铁素体比例控制在30％-50％左右，控制住中碳钢脱碳层的厚度，同时中碳钢具有较好的硬度效果。本申请通过控制表层铁素体含量，圆钢加工成其它零件后，防止零件表面硬度偏低、影响零件的使用寿命。可选地，中碳钢表面的铁素体比例控制在30％、35％、40％、45％或50％。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.37％，Si：0.45％，Mn：1.35％，P：0.020％，S：0.025-0.060％，Cr：0.20％，Mo：0.10％，Al：0.030％，V：0.02％，Ti：0.03％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。轧制坯的厚度D为210mm。
2.轧制坯剥皮：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯的四个轧制面进行单面剥皮，总剥皮深度为1.2mm，第一道剥皮深度为0.7mm，第二道剥皮深度为0.5mm。
3.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1102℃，加热时间为78min。
4.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф80mm，圆钢入坑缓冷温度521℃-547℃，缓冷时间54h。
采用金相显微镜对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为34％，基体中铁素体含量为18％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.28mm，无全脱碳。
实施例2
本实施例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.42％，Si：0.57％，Mn：1.37％，P：0.011％，S：0.042％，Cr：0.14％，Mo：0.03％，Al：0.017％，V：0.005％，Ti：0.004％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。轧制坯的厚度D为210mm。
2.轧制坯剥皮：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯的四个轧制面进行单面剥皮，总剥皮深度为1.3mm，第一道剥皮深度为0.8mm，第二道剥皮深度为0.5mm。
3.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1099℃，加热时间为94min。
4.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф75mm，圆钢入坑缓冷温度483℃-522℃，缓冷时间71h。
采用金相显微镜对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为36％，基体中铁素体含量为19％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.25mm，无全脱碳。
实施例3
本实施例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.40％，Si：0.60％，Mn：1.40％，P：0.015％，S：0.055％，Cr：0.10％，Mo：0.02％，Al：0.019％，V：0.004％，Ti：0.001％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。轧制坯的厚度D为220mm。
2.轧制坯剥皮：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯的四个轧制面进行单面剥皮，总剥皮深度为1.1mm，第一道剥皮深度为0.6mm，第二道剥皮深度为0.5mm。
3.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1096℃，加热时间为106min。
4.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф90mm，圆钢入坑缓冷温度502℃-553℃，缓冷时间60h。
采用金相显微镜对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为37％，基体中铁素体含量为21％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.31mm，无全脱碳。
对比例1
本对比例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.38％，Si：0.44％，Mn：1.24％，P：0.010％，S：0.034％，Cr：0.08％，Mo：0.02％，Al：0.012％，V：0.003％，Ti：0.003％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。
2.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1094℃，加热时间为87min。
3.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф80mm，圆钢入坑缓冷温度521℃-547℃，缓冷时间58h。
对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为52％，基体中铁素体含量为18％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.45mm，无全脱碳。
对比例2
本对比例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.43％，Si：0.57％，Mn：1.37％，P：0.011％，S：0.042％，Cr：0.14％，Mo：0.03％，Al：0.017％，V：0.005％，Ti：0.004％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。
2.轧制坯剥皮：对开坯轧制后的钢坯的四个轧制面进行单面剥皮单次剥皮，剥皮深度为0.7mm。
3.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1178℃，加热时间为65min。
4.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф85mm，圆钢入坑缓冷温度493℃-522℃，缓冷时间71h。
对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为46％，基体中铁素体含量为19％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.52mm，出现脱碳。
对比例3
本对比例提供一种中碳钢及其生产工艺，按质量百分比计，中碳钢的成分包括C：0.40％，Si：0.60％，Mn：1.40％，P：0.015％，S：0.055％，Cr：0.10％，Mo：0.02％，Al：0.019％，V：0.004％，Ti：0.001％，其余为Fe。
生产工艺包括：
1.连铸坯加热、开坯轧制。
2.轧制坯剥皮：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯的四个轧制面进行单面剥皮，剥皮总深度为1.2mm，第一道剥皮深度为0.7mm，第二道剥皮深度为0.5mm。
3.轧制坯加热：采用四段式加热工艺，预热段的加热温度不大于750℃，一加热段的加热温度为800±50℃，二加热段和均热段的加热温度为1095℃，加热时间为102min。
4.轧制、冷却：将轧制坯轧制成圆钢，规格为Ф90mm，自然冷却。
对圆钢的组织结构进行分析，为铁素体和珠光体组织，其表面铁素体含量为58％，基体中铁素体含量为22％。对圆钢进行脱碳测试，结果为总脱碳0.40mm，无全脱碳。
实施例1-3、对比例1-3的圆钢的脱碳结果和硬度如表1：
表1结果对比
Figure BDA0002558715650000111
由表1可知，与对比例1-3相比，实施例1-3制得的圆钢总脱碳小，在0.30mm以内，同时该圆钢具有较好的硬度。
试验例
对实施例3、对比例1制得的圆钢进行表面微观形貌检测，结果如图1-图2。由图可知，实施例3的圆钢表面铁素体和珠光体组织结构晶粒均匀、组织均匀，而对比例1的圆钢表面组织不均匀，说明本申请提供的生产工艺能够得到晶粒均匀、组织均匀的钢。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种中碳钢的生产工艺，其特征在于，包括：对连铸坯或轧制坯进行四段加热和轧制，再对轧制钢进行冷却，得到的中碳钢的组织结构为铁素体和珠光体组织；
所述四段加热包括预热段、一加热段、二加热段以及均热段；所述预热段的加热温度不大于750℃；所述一加热段的加热温度为800±50℃；所述二加热段的加热温度为1100±15℃，加热时间为D×(0.15-0.25)min；所述均热段的加热温度为1090±15℃，加热时间为D×(0.10-0.20)min；其中，D为所述轧制坯的厚度，单位为mm；
冷却所述轧制钢的步骤包括：所述轧制钢在450℃-600℃的条件下进行缓冷或堆冷，缓冷或堆冷时间不小于48小时。
2.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述二加热段和所述均热段的总加热时间控制在D×(0.25-0.40)min之内。
3.根据权利要求1或2所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述轧制坯的厚度D为150mm-250mm。
4.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述中碳钢的组织结构中，表面铁素体含量为30％-50％，基体中铁素体含量为10％-30％。
5.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，按重量百分比计，所述中碳钢包括C：0.30-0.50％，Si：0.40-0.70％，Mn：1.00-1.45％，P≤0.020％，S：0.025-0.060％，Cr≤0.20％，Mo≤0.10％，Al≤0.030％，V≤0.02％，Ti≤0.03％，其余为Fe。
6.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述轧制坯进行四段加热的空气过剩系数为1.05-1.15。
7.根据权利要求6所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述轧制坯的一加热段和二加热段的残氧量为2％-5％。
8.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，所述轧制坯进行四段加热的入炉温度为300℃-600℃。
9.根据权利要求1所述的中碳钢的生产工艺，其特征在于，对轧制坯进行四段加热之前，还包括：对连铸坯进行加热、开坯轧制以及剥皮处理；
可选地，所述剥皮处理的步骤包括：采用两道次工艺对开坯轧制后的钢坯进行单面剥皮，第一道剥皮深度为0.7±0.1mm，第二道剥皮深度为0.5±0.1mm。
10.一种中碳钢，其特征在于，由如权利要求1至9任一项所述的中碳钢的生产工艺制得，所述中碳钢的表面的铁素体比例为30％-50％，基体中铁素体含量为10％-30％；所述中碳钢的硬度≤260HBW。
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