CN111647799A

CN111647799A - 一种可直接切削的高强韧热轧圆钢及其制备方法

Info

Publication number: CN111647799A
Application number: CN202010360290.6A
Authority: CN
Inventors: 冀鸰; 高助忠; 郑亚明
Original assignee: Jiangsu Taifu Pipe Technology Co ltd; Jingjiang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Taifu Pipe Technology Co ltd; Jingjiang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111647799B

Abstract

本发明涉及一种可直接切削的高强韧热轧圆钢及其制备方法，圆钢元素中包含了Nb、V等微合金，有助于细化晶粒，提高强度。采用开坯和连轧两阶段轧制，两次轧制之前均进行空冷待温，第一次空冷待温时利用开坯机将钢坯翻转180°，第一次待温后利用开坯机将钢坯粗轧成中间方坯；中间方坯连轧前作第二次空冷待温，将中间坯待温至连轧的初始温度800‑950℃，第二次待温后利用连轧机将中间坯连轧成圆钢，终轧温度780‑900℃；热轧完成后的圆钢待温低于Ar3时采用喷雾+风冷对圆钢综合冷却，冷却至600℃后转堆冷，得到细片状珠光体+少量铁素体的微观组织。

Description

一种可直接切削的高强韧热轧圆钢及其制备方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，具体涉及无需调质处理可直接切削的热轧圆钢。

背景技术

直接切削用热轧圆钢被广泛用于代替45、40Cr、42CrMo等调质钢，生产注塑机拉杆、工程车辆油缸活塞杆以及其它各种杆类零部件。与传统调质钢相比，因工序上省略了轧制后的热处理环节，生产周期更短，生产成本更低，达到节能降本、减排增效的生产目的。但此类热轧圆钢一般需要在轧制时进行待温，以实现低温轧制；另外为确保较高的强度与韧性，成分中需加入较高含量的Nb、V等晶粒细化元素，对强韧性要求更高的，制备方法中还需进一步配合喷雾冷却甚至穿水强冷等特殊的措施。无论是添加合金还是增加强制冷却都会抵消因取消调质处理产生的成本优势。

基于上述情况，本领域的技术人员仍然试图找到元素成分与控轧控冷工艺之间的最佳匹配，在保证强韧性的前提下获得一种更经济合理的制备方法。

公开号CN1730703A的专利文献公开了一种非调质优质碳素结构钢及制造方法，提供了一种在45号钢主要化学成分基础上添加微量微合金化元素的非调质碳素结构钢及其制造方法，通过元素复合微合金化作用，结合相应的控轧控冷工艺，解决了非调质钢强度有余而韧性不足的问题。化学成分：C 0.42－0.50％、Si 0.17－0.37％、Mn 0.50－0.80％、V0.03－0.30％、Ti 0.005－0.040％、N 0.005－0.020％、Al 0.005－0.050％、S≤0.035％、P≤0.035％，余量为Fe。制备方法包括控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为20～110℃/min。该制造方法需加入较高含量的Ti、V和Nb，材料成本较高，并可以预测钢坯浇铸难度大，并且难以满足屈服强度500MPa以上的强度要求。

公开号CN 109295391A的专利文献公开了一种高强韧性非调质钢及其制备方法，组分：C：0.23～0.27％；Si：0.22～0.35％；Mn：1.81～1.90％；Cr：0.50～0.55％；S：0.0450.06％；P：≤0.02％；V：0.11～0.14％；N：0.025～0.040％，其余为铁和不可避免的杂质，采用锻造的方式成型，始锻温度高于1150℃，终锻温度840-1000℃，产品碳含量低，并且含有较高的合金Mn、Cr、V，元素成本非常高，且采用锻造工艺成型，效率显著低于热轧成型工艺，无法适应批量交货。

公开号CN 109759779A的专利文献公开了一种非调质钢电机轴及其加工方法，属于非调质圆钢，元素成分为C：0.46-0.55％，Si：0.20-0.60％，Mn：1.20-1.60％，Cr：0.00-0.30％，Al：0.010-0.030％，Ni：0.10-0.30％，Cu：0.00-0.20％，P：0.000-0.030％，S：0.020-0.050％，V：0.050-0.250％，Nb：0.020-0.050％，Ti：0.010-0.030％，B：0.0005-0.0030％，N：0.012-0.020％，余量为Fe。该非调钢采用控温热压力加工和控速冷却，即将终轧或终锻温度控制为780-850℃，轧后冷速控制为3-5℃/s，以获得较高的强度与韧性。由于采用了较高含量的Mn、Ni、V、Nb、Ti、B，元素成本尤其高。

专利申请CN 201711100874公布了一种非调质钢及其制备方法，该发明的非调质钢，按重量百分比计，C：0.46-0.55％，Si：0.20-0.60％，Mn：1.20-1.60％，Cr：0.00-0.30％，Al：0.010-0.030％，Ni：0.10-0.30％，Cu：0.00-0.20％，P：0.000-0.030％，S：0.020-0.050％，V：0.050-0.250％，Nb：0.020-0.050％，Ti：0.010-0.030％，B：0.0005-0.0030，N：0.012-0.020％，余量为Fe，该专利申请产品含有较高的合金Mn、V、Nb、Ti、B，材料成本高，并且需待温至780-850℃终轧，生产效率低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种可直接切削的热轧圆钢及其制备方法，该热轧圆钢属于一款无需调质热处理可直接切削的圆钢，该圆钢的屈服强度可达500MPa以上，延伸率18％以上，室温U型冲击32J以上。

本发明的热轧圆钢，其元素质量百分含量为C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.60％，Mn：0.50～1.80％，Cr：0.00～0.50％，S：0.003～0.060％，Al：0.006～0.060％,Ti：0.000～0.015％，Nb：0.000～0.025％，V：0.000～0.040％，N：0.0050～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。元素组分的设计依据如下：

C：增加珠光体比例以及全截面强度和硬度，但降低塑性和韧性，本发明控制其含量为0.35～0.50％。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.15％时，脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制在≤0.15～0.60％。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用提高钢材的强度。但Mn易促进有害元素P等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂，并且过高的Mn会降低钢材冲击韧性，本发明Mn含量控制在0.50～1.80％。

Cr：碳化物形成元素，增加材料硬度，并阻止晶粒长大，但Cr添加过高会导致塑韧性降低，并提高制造成本，因此，本发明将Cr含量控制在0.00～0.35％。

Nb：是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过拖曳作用及应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，有利于同时提高其强度与塑韧性。但过高的Nb含量降低连铸坯热塑性，使连铸坯出现表面或内部裂纹，同时原材料成本上升，因此，本发明根据不同强度及韧性需求，控制其含量在0.000～0.025％。

V：是使V(C，N)析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度，当与Nb同时添加时，强化效果更佳，但若添加量过高，会降低钢材第III脆性区间热塑性，导致连铸裂纹，并降低钢材的韧性，同时原材料成本上升，因此控制含量在0.000～0.040％。

Nb-V复合加入时，部分V结合成(NbV)CN，这类复合化合物比Nb和V各自的碳氮化物更细小，而且析出温度更宽，从而更能有效地阻止奥氏体晶粒长大和再结晶过程，最终同时提高强度和韧性。

Al：Al与N结合生成AlN，阻止连铸坯加热以及变形时奥氏体晶粒度的过度长大，本发明中控制Al含量0.006-0.060％。

N：N可促进Al、V及Nb的细小氮化物的析出，在加热及变形过程中起到细化晶粒的作用，V及Nb的氮化物还可提高铁素体与珠光体中铁素体片层的强度，从而提高钢材整体硬度，本发明中控制N含量0.0050-0.020％。

S：S与Mn形成长条状硫化物夹杂，提高钢材切削性能。本发明控制S含量0.003-0.060％。

本发明热轧圆钢的制备方法的关键工序在于：

(1)成型工艺设计：按照元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成钢坯，缓冷后的钢坯再加热使组织完全奥氏体化，出炉后除鳞，采用高压水除鳞，除鳞后开始第一次空冷待温，将钢坯待温至开坯轧制的初始温度1050-950℃，热的钢坯在开坯机的辊道上待温，待温过程中利用开坯机将钢坯翻转180°即上下翻面，使方坯双面均匀降温，避免局部温降过大。第一次待温后利用开坯机将钢坯粗轧成中间方坯，经7-13道次轧制，每道次变形量≥13％，累计变形量≥60％；随后中间坯进行第二次空冷待温，使变形的奥氏体晶粒充分再结晶，同时使Nb、V的碳氮化物充分析出，以实现后续连轧变形时的晶界钉扎作用。

将中间坯待温至连轧的初始温度800-950℃，第二次待温后利用连轧机将中间方坯连轧成圆钢，经4-10道次轧制，每道次变形量≥15％，中间方坯至圆钢累计变形量≥60％，终轧温度780-900℃，高于Ar3；

(2)冷却工艺：热轧完成后的圆钢待温至圆钢温度低于奥氏体向铁素体转变的开始温度Ar3时，上冷床采用喷雾冷却+风冷对圆钢综合冷却，冷却至600℃后下冷床堆冷至室温，快速经历铁素体的析出区间，抑制铁素体析出，并使其尽可能获得高比例的细片状珠光体，以提高材料强度与硬度。

可选地，钢水冶炼至少包括初炼、LF炉精炼。其中所述初炼是把合金原料块和铁水在转炉或电炉中冶炼。更合理的是，钢水冶炼还包括炼、LF炉精炼和真空脱气处理。

可选地，所述钢坯为连铸方坯，连铸时设计钢水浇铸过热度为15-30℃，连铸方坯成型后入坑缓冷。

优选地，钢坯再加热的温度为1150～1220℃，在此温度范围内保温让合金元素充分固溶、组织完全奥氏体化。

优选地，除鳞包括两次，将钢坯在辊道上往返一次共进行两道次高压水除鳞，除净表面氧化皮并加速连铸坯温降，有利于减小第一次空冷待温的时间。

优选地，前后两钢坯在成型工艺中连续作业，前一钢坯在第二次待温时，相邻的后一钢坯进行所述除鳞和开坯前的所述第一次待温，批量生产时更加节省工时。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、Nb、V等微合金化元素添加少，原材料成本较低，微合金在坯料中固溶度积较小，对固溶温度的要求不过分高，节能降耗；因微合金的固溶度积较小，析出物的温度区间下降，尺寸更加细小，可充分发挥其在开坯及连轧阶段的晶界钉扎作用及后续的析出强化作用。

2、除了Nb、V、Al钉扎组织使晶粒细化，工艺上开坯采用低温大压下工艺，有利于推迟变形奥氏体晶粒的再结晶，使奥氏体晶粒尽可能扁平化，进而促进再结晶后奥氏体晶粒的细化。连轧阶段采用低温大压下工艺，阻止奥氏体晶粒的再结晶，有助于后续相变阶段获得尺寸更细小的铁素体与珠光体，实现强度及塑韧性的双提高。

3、采用两次高压水除鳞，除鳞效果更好，并有助于连铸坯的加速冷却，减少第一次待温时间，提高生产节奏。

4、设计了开坯和连轧两个轧制过程，进而在两个轧制前均进行待温，两段待温能够减小因第一次待温时间过长导致角部等局部温降过大进而产生性能不均或角部裂纹的不利影响，减少高温钢坯对辊道、轴承等设备部件的烧损。

5、采用两段待温，前一钢坯的第二次待温和后一钢坯的第一次待温可同步进行，缩短批量生产时累计待温时间，提高生产节奏。

附图说明

图1为本申请的热轧圆钢放大100倍的典型组织；

图2为本申请的热轧圆钢放大200倍的典型组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例的热轧圆钢直径为60mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.45％，Si：0.25％，Mn：0.75％，Cr：0.25％，Al：0.008％，S：0.015％，Nb：0.020％，V：0.030％，N：0.0120％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢依次经电炉冶炼、LF精炼生产出钢水；钢水采用15～30℃的低过热度全程氩气保护浇注成250*250mm连铸方坯，连铸坯入坑缓冷32小时；将连铸坯加热至1200℃，保温3小时出炉；经高压水一次除鳞后原路返回，进行第二次高压水除鳞，除尽表面氧化皮并促进降温；随后在往复式开坯机的辊道上空冷待温，待温期间采用翻料机上下翻转，避免坯料底面与辊道接触处温降过大，实现坯料均匀降温。坯料表面温度降至980℃后进往复式轧机，经9道次轧成中间坯，单道次变形≥13％，中间坯规格135*145mm；中间坯在连轧机辊道上空冷待温，与此同时后面一支连铸坯出炉完成二次除鳞并在往复式轧机翻料辊道上第一次待温；待前一支中间坯表面温度降至840℃后进入连轧机组，经8道次轧制成φ60mm圆钢，单道次变形量≥15％，终轧温度约820℃(高于Ar3，本实施例Ar3温度约740℃)。同时后面一支连铸坯进入往复式轧机进行开坯；圆钢经锯切后上冷床，上冷床温度约710℃，开始采用喷雾冷却加风冷方式冷却至600℃后自然空冷；随后下线堆冷、矫直、精整工序后入库；圆钢直接加工成所需形状的零件。

实施例2

本实施例涉及的圆钢直径为60mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.45％，Si：0.30％，Mn：1.55％，Cr：0.20％，Al：0.010％，S：0.028％，Nb：0.025％，V：0.035％，N：0.0120％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢依次经转炉冶炼、LF精炼生产出钢水；钢水采用15～30℃的低过热度全程氩气保护浇注成300*340mm连铸方坯，连铸坯入坑缓冷32小时；将连铸坯加热至1200℃，保温3小时出炉；经高压水一次除鳞后原路返回，进行第二次高压水除鳞，除尽表面氧化皮并促进降温；随后在往复式开坯机翻料辊道上空冷待温，待温期间采用翻料机翻料，避免坯料下方与辊道接触处温降过大，实现坯料均匀降温；坯料表面温度降至980℃以下后进往复式轧机，经9道次轧成中间坯，单道次变形≥13％，中间坯规格135*145mm；中间坯在连轧机辊道空冷待温，与此同时后面一支连铸坯出炉完成二次除鳞并在往复式轧机翻料辊道上第一次待温；待第一支中间坯表面温度降至860℃后进入连轧机组，经8道次轧制成φ60mm圆钢，单道次变形量≥15％，终轧温度为820℃(本实施例Ar3温度约740℃)。同时后面一支连铸坯进入往复式轧机进行开坯；圆钢经锯切后上冷床，上冷床温度约730℃，开始采用喷雾冷却加风冷方式冷却至600℃后自然空冷；随后下线堆冷、矫直、精整工序后入库；圆钢直接加工成所需形状的零件。

实施例3

本实施例涉及的圆钢直径为60mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.36％，Si：0.30％，Mn：1.35％，Cr：0.20％，Al：0.012％，S：0.035％，Ti：0.012％，Nb：0.028％，V：0.038％，N：0.0150％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢依次经转炉冶炼、LF精炼生产出钢水；钢水采用15～30℃的低过热度全程氩气保护浇注成250*250mm连铸方坯，连铸坯入坑缓冷32小时；将连铸坯加热至1200℃，保温3小时出炉；经高压水一次除鳞后原路返回，进行第二次高压水除鳞，除尽表面氧化皮并促进降温；随后在往复式开坯机翻料辊道上空冷待温，待温期间采用翻料机翻料，避免坯料下方与辊道接触处温降过大，实现坯料均匀降温；坯料表面温度降至980℃以下后进往复式轧机，经5道次轧成中间坯，单道次变形≥13％，中间坯规格135*145mm；中间坯在连轧机辊道空冷待温，与此同时后面一支连铸坯出炉完成二次除鳞并在往复式轧机翻料辊道上第一次待温；待第一支中间坯表面温度降至900℃后进入连轧机组，经8道次轧制成φ60mm圆钢，单道次变形量≥15％，终轧温度约850℃(本实施例Ar3温度约760℃)。同时后面一支连铸坯进入往复式轧机进行开坯；圆钢经锯切后上冷床，上冷床温度约750℃，开始采用喷雾冷却加风冷方式冷却至600℃后自然空冷；随后下线堆冷、矫直、精整工序后入库；圆钢直接加工成所需形状的零件。

表1本发明实施例与比较例的成分对比(wt％)

表4各实施例与比较例圆钢的性能对比

比较例1-3均采用微合金化设计，Ti、Nb、V含量均高于实施例1-3，并采用控温轧制，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧制温度高于本申请，实施例1-3与比较例1-3相比，贵重微合金元素Ti、V、Nb含量明显减少，但因采用较低的开坯温度及连轧温度，以及单道次压下量，并在Ar3线以下喷雾及吹风冷却，强度、延伸率、冲击韧性等机械性能相当甚至略优，并且采用两次高压水除鳞，分段待温的方式，生产节奏快，效率高。

Claims

1.一种可直接切削的高强韧热轧圆钢，其特征在于：元素的质量百分含量为C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.60％，Mn：0.50～1.80％，Cr：0.00～0.50％，S：0.003～0.060％，Al：0.006～0.060％,Ti：0.000～0.015％，Nb：0.000～0.025％，V：0.000～0.040％，N：0.0050～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；可直接切削的金相组织为铁素体与珠光体，屈服强度在500MPa以上，延伸率在18％以上，室温U型冲击在32J以上。

2.一种可直接切削的高强韧热轧圆钢的制备方法，其特征在于：包括

(1)元素成分设计：按照质量百分比计为C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.60％，Mn：0.50～1.80％，Cr：0.00～0.50％，S：0.003～0.060％，Al：0.006～0.060％,Ti：0.000～0.015％，Nb：0.000～0.025％，V：0.000～0.040％，N：0.0050～0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；

(2)成型工艺设计：按照元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成钢坯，缓冷后的钢坯再加热使组织完全奥氏体化，出炉后除鳞，采用高压水除鳞，除鳞后开始第一次空冷待温，将钢坯待温至开坯轧制的初始温度1050-950℃，热的钢坯在开坯机的辊道上待温，待温过程中利用开坯机将钢坯翻转180°即上下翻面，第一次待温后利用开坯机将钢坯粗轧成中间方坯，每道次变形量≥13％，累计变形量≥60％；随后中间坯进行第二次空冷待温，将中间坯待温至连轧的初始温度800-950℃，第二次待温后利用连轧机将中间方坯连轧成圆钢，每道次变形量≥15％，中间方坯至圆钢累计变形量≥60％，终轧温度780-900℃，高于Ar3；

(3)冷却工艺：热轧完成后的圆钢待温至圆钢温度低于奥氏体向铁素体转变的开始温度Ar3时，上冷床采用喷雾冷却+风冷对圆钢综合冷却，冷却至600℃后下冷床堆冷至室温。

3.根据权利要求2所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：钢水冶炼至少包括初炼、LF炉精炼。

4.根据权利要求3所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：所述初炼是把合金原料块和铁水在转炉或电炉中冶炼。

5.根据权利要求3所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：所述钢坯为连铸方坯，连铸时设计钢水浇铸过热度为15-30℃，连铸方坯成型后入坑缓冷，缓冷后出坑。

6.根据权利要求2所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：钢坯再加热的温度为1150～1220℃，在此温度范围内保温让合金元素充分固溶、组织完全奥氏体化。

7.根据权利要求2所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：所述除鳞包括两次，将钢坯在辊道上往返一次共进行两道次高压水除鳞，充分去除氧化皮和加速降温。

8.根据权利要求2所述的可直接切削的热轧圆钢的制备方法，其特征在于：前后两钢坯在成型工艺中连续作业，前一钢坯在第二次待温时，相邻的后一钢坯进行所述除鳞和开坯前的所述第一次待温。