CN111906153B - 一种汽车底盘用非调质钢制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽车底盘用非调质钢制备方法，包括以下生产步骤：方坯加热工艺，控轧控冷步骤，减定径步骤，以及冷却步骤；其中，方坯加热包括预热段和三段加热过程；控轧控冷步骤包括初轧，中轧，一次穿水冷却，精轧，二次穿水冷却过程；通过本发明的制备方法所生产的汽车底盘用非调质钢具有铁素体+珠光体组织，晶粒度达到7.5级以上，抗拉强度达到940‑990Mpa，屈服强度600‑650Mpa，冲击韧性41‑48J；提高了钢的强度和韧性等机械性能，改善了抗疲劳性和拉伸强度，完全满足汽车底盘件用非调质钢的技术和质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制造领域，尤其涉及一种汽车底盘部件用非调质钢制备方法。
背景技术
当今社会对汽车产品要求越来越高，对汽车底盘件用材提出了更高的要求，既要求汽车底盘件用钢本身能节能降耗、降低制造成本，还要求有更好的综合机械性能来满足高性能汽车用材的要求。非调质钢的应用可以减少汽车行业在零件生产和热处理过程的能耗，可以减轻汽车车身的重量，帮助实现汽车轻量化。因非调质钢的特点是晶粒细化,组织状态良好,并可提高汽车车身的强度和塑性，因此，广泛应用于汽车零部件的生产材料。
国内汽车底盘部件用非调质钢的普通生产工艺为：电炉冶炼→精炼→模铸→初轧开坯→精轧→控制冷却。该工艺流程较长，生产成本较高，并且内部组织及晶粒度控制困难。另外，普通非调质钢生产采用自然冷却方式进行冷却，该冷却方式冷却效率低，易产生贝氏体等非必要组织，且晶粒粗大，影响了非调质钢的力学性能。
经检索，中国专利申请号为CN201811299666.6的文献公开了一种汽车用“直接切削用非调质圆钢及其生产方法”，其生产方法包括：铁水→电炉炼钢→LF精炼→VD真空处理→模铸→热送或缓冷(精整)→加热→开坯→分段→缓冷→精整→加热→轧制→缓冷→分段→剥皮→精整→取样检测→探伤→称重→标识→入库。该专利采用钢锭二次加热成材工艺，生产周期长，成本较高。因此，需要一种低成本且钢材内部组织及性能均能满足汽车底盘部件用的非调质钢材料。
发明内容
本发明为解决汽车底盘部件用非调质钢生产流程长，成本高，内部组织及晶粒度控制不稳定等问题，提供了一种汽车底盘部件用非调质钢制备方法。本发明的制备方法采用钢锭一次加热成材工艺，减少了一个道次的加热工序，方坯直接轧制成成品棒材，降低了生产成本。本发明还采用了两次穿水冷却工艺，精确控制棒材轧制时的中轧温度、冷却速率、返红温度，获得了铁素体+珠光体组织，使晶粒度达到7.5级以上，力学性能符合技术和质量要求。
本发明提供了一种汽车底盘用非调质钢制备方法,尤其是通过该方法可以低成本的生产高性能非调质钢。本发明的技术方案包括以下生产步骤：方坯加热工艺，控轧控冷步骤，减定径步骤，以及冷却步骤；其中，
所述方坯加热工艺步骤包括预热段和三段加热过程；所述控轧控冷步骤包括初轧，中轧，一次穿水冷却，精轧，二次穿水冷却过程；所述减定径步骤是为控制产品的尺寸精度，改善产品的组织性能；所述冷却步骤为在冷床上对产品进行冷却，冷床上的冷却温度为654-701℃。
进一步的，所述方坯加热工艺步骤中，方坯钢锭加热采用加热炉加热，加热温度的控制范围为：预热段温度660-860℃，加热时间40-70min；一段加热温度900-1080℃，加热时间60-130min；二段加热温度1120-1280℃，加热时间60-130min；三段均热温度1000-1150℃，均热时间80-135min。
本发明选择方坯加热温度及时间范围的理由为：
方坯加热温度过高，时间过长，容易产生内部晶粒过大，在轧制过程中不能细化晶粒；另外，金属的晶界易发生融化，同时炉气侵入使晶界氧化，破坏了晶粒的结合力。而加热温度过低，加大了轧材的变形抗力，从而加大了轧制力和轧制功率，降低了轧制时轧材的塑性，从而影响轧材的咬入。
本发明选择上述方坯的预热段和三段加热温度及加热时间，能够使得材料得到固溶处理，合金元素固溶到基体当中，材料成分均匀弥散分布，减少成分偏析，避免了原始奥氏体晶粒长大，并且轧制时具有足够的塑性。
本发明上述方坯加热工艺过程中方坯通过合理的加热及保温时间，使得奥氏体晶粒大小控制在合理范围，为下一步通过控轧控冷步骤获得良好的内部组织及理想晶粒度奠定了基础。
进一步的，所述控轧控冷步骤中，初轧开轧温度为990-1035℃；中轧温度870-890℃；一次穿水冷却温度870-920℃；进精轧温度791-925℃；二次穿水冷却温度770-935℃，钢材穿过所有最后一次冷却后的返红温度控制在700℃-750℃。
进一步的，所述一次穿水冷却时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5-6.2MPa；阀门开口20-40％；水流量150-350m3/h。所述二次穿水冷却时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5-6.2MPa；阀门开口20-40％；水流量150-350m3/h。
非调质钢控轧控冷过程中，冷却速度、形变程度、中轧温度、返红温度等参数对非调质钢性最终性能影响较大。所述开轧温度范围为990-1035℃，因此温度处于奥氏体再结晶温度范围内，利用粗轧机在奥氏体再结晶温度范围内开轧，可以充分利用变形奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒，有利于最终成品钢材的晶粒细化。
所述中轧温度870-890℃。此温度处于奥氏体未再结晶区，并且结合60-70％的总变形率，控制在接近奥氏体向铁素体转变温度Ar3时终轧。在奥氏体再结晶范围温度内进行轧制，会使再结晶和变形交替进行，细化奥氏体晶粒。细化的奥氏体晶粒相变成为铁素体晶粒后也会均匀细小，铁素体晶粒细化提高了钢的强度和韧性等机械性能，改善了抗疲劳性和拉伸强度。晶粒细小，晶界面积大，可以有效防止位错和晶间滑移，使试样不容易断裂。
所述穿水冷却的目的是为了降低终轧温度。降低终轧温度，可以减小相变前奥氏体的晶粒尺寸，在形变奥氏体中形成较多的形变带，增加奥氏体向铁素体转变时铁素体晶粒的形核位置和形核速率。随着变形温度的降低，Ar3点升高，降低了奥氏体的稳定性，当Ar3与变形温度重合时发生形变诱导铁素体相变，从而细化铁素体晶粒，使转变后的铁素体含量增加，不但提高了材料的强度，而且具有良好的韧性。
本发明通过两段穿水工艺，将强冷和弱冷交替进行,强冷可以保证钢材表面温度迅速减低,弱冷可以使得钢材芯部的温度逐渐扩散到表面,随后再进行强冷,使得热量快速散出。强冷和弱冷交替进行,强弱冷相结合的穿水冷却方式使得在较短的时间内钢材芯部的温度和表面的温度即趋于一致,从而确保了钢材力学性能的均匀性,且提高了生产效率。
本发明的非调质钢在穿过所有最后一组水箱穿水冷却后的返红温度控制在700℃-750℃。控制返红温度范围，主要是为了控制非调质钢中的铌与钒在返红温度范围内的析出。铌与钒的析出主要是在返红温度范围内。由于铌、钒在钢中具有较大的过饱和度，且形变后的奥氏体具有丰富的储存能，二者促成了Nb(CN)、V(CN)在返红过程中大量弥散析出，而且质点均匀细小，尺寸约为2-5nm，广泛分布于相变后的铗素体晶粒内部及位错线上，这些析出物起到很强的沉淀强化作用，使钢材的强度大幅度提高，且由于其细小弥散.对钢材的塑性、韧性的不利影响也较小。
上述控轧控冷过程中，通过采用合理的轧制温度、冷却速度，使得轧制后获得的非调质钢棒材形成铁素体+珠光体组织，晶粒度7.5级以上，抗拉强度在940-990Mpa，屈服强度600-650Mpa，冲击韧性41-48J。
通过本发明制备方法所获得的非调质钢化学成分为：C：0.41-0.45％；Mn：1.20-1.30％；Si：0.50-0.80％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：0.25-0.35％；V：0.08-0.18％；Ti：0.025-0.035％；Al：0.010-0.020％；Nb：0.020-0.030％；Mo：0.05-0.09％；Ni：0.08-0.12％，其余为Fe和不可避免杂质。
本发明在轧制过程中，方坯通过合理的加热及保温时间，能够使得材料得到固溶处理，合金元素固溶到基体当中，材料成分均匀弥散分布，减少成分偏析，避免了原始奥氏体晶粒长大，并且轧制时具有足够的塑性，为下一步通过控轧控冷获得合理内部组织及理想晶粒度奠定基础。同时，通过控制轧制温度、冷却速度、形变程度、返红温度获得了细小的铁素体+珠光体组织以及较小的晶粒度。还由于本发明采用了一次加热成材工艺，在性能不降低的情况下减少了生产成本。
附图说明
图1是常规非调质钢1/2R处，未经穿水冷却晶粒度6.5级的显微组织图，该组织的晶粒度较为粗大；
图2是本发明实施例1非调质钢1/2R处，经穿水冷却晶粒度7.5级的显微组织图，该组织的晶粒度较为细小；
图3是本发明实施例2非调质钢1/2R处，经穿水冷却晶粒度8.0级的显微组织图，该组织的晶粒度更加细小；
图4是本发明实施例3非调质钢1/2R处，经穿水冷却晶粒度7.5级的显微组织图，该组织的晶粒度较为细小。
具体实施方式
以下示例性实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。本发明可以进行各种不同的改进，以及可以包括多种实施方式。
本发明其他特点和优势将结合附图在下面的具体实施方式中进行说明。
参照附图2、图3、图4,本发明通过合理的加热及保温时间，奥氏体晶粒大小控制在合理范围；同时，通过控制轧制温度、冷却速度、形变程度、返红温度获得了合理的内部组织及晶粒度大小(参见图2、图3、图4)；同时本发明采用了一次加热成材方法，在性能不降低的情况下减少了生产成本。
本发明通过采用合理的轧制温度、冷却速度，使得轧制后获得的非调质钢棒材形成铁素体+珠光体组织，晶粒度7.5级以上，抗拉强度940-990Mpa，屈服强度600-650Mpa，冲击韧性41-48J。
通过本发明制备方法所获得的非调质钢化学成分为：C：0.41-0.45％；Mn：1.20-1.30％；Si：0.50-0.80％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：0.25-0.35％；V：0.08-0.18％；Ti：0.025-0.035％；Al：0.010-0.020％；Nb：0.020-0.030％；Mo：0.05-0.09％；Ni：0.08-0.12％，其余为Fe和不可避免杂质。
实施例1
实施例1涉及汽车底盘件用非调质钢制备或生产方法，其中所述非调质钢方坯加热步骤中，方坯加热采用加热炉加热，加热温度的控制范围为：预热段温度660℃，加热时间40min；一段加热900℃，加热时间60min；二段加热1120℃，加热时间60min；三段均热1000℃，加热时间80min。
通过上述采用预热段和三段式合理的加热温度以及保温时间，能够使得非调质钢材料得到固溶处理，合金元素固溶到基体当中，材料成分均匀弥散分布，减少成分偏析，避免了原始奥氏体晶粒长大，并且轧制时具有足够的塑性，为下一步通过控轧控冷获得合理内部组织及理想晶粒度奠定基础。
在控轧控冷步骤中，初轧开轧温度990℃；中轧温度870℃；一次穿水冷却进1#水冷箱温度为870℃；进精轧温度791℃；二次穿水冷却进2#水冷箱温度为770℃，非调质钢棒材穿过所有最后一组冷却水箱后的返红温度控制700℃；上冷床的温度为654℃。
其中，进1#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力6.2MPa；阀门开口40％；水流量350m3/h；进2#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力6.2MPa；阀门开口40％；水流量350m3/h。
初轧的开轧温度处于奥氏体再结晶温度范围内。利用粗轧机在奥氏体再结晶温度范围内开轧，充分利用变形奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒。
所述中轧温度处于奥氏体未再结晶区，并且结合60-70％的总变形率，控制在接近奥氏体向铁素体转变温度(Ar3)时终轧。在奥氏体再结晶范围温度内进行轧制，会使再结晶和变形交替进行，细化奥氏体晶粒。细化的奥氏体晶粒相变成为铁素体晶粒后也会均匀细小，铁素体晶粒细化提高了钢的强度和韧性等机械性能，改善了抗疲劳性和拉伸强度。晶粒细小，晶界面积大，可以有效防止位错和晶间滑移，使试样不容易断裂。
本实施例穿水冷却的目的是为了降低终轧温度。降低终轧温度，可以减小相变前奥氏体的晶粒尺寸，在形变奥氏体中形成较多的形变带，增加奥氏体向铁素体转变时铁素体晶粒的形核位置和形核速率。随着变形温度的降低，Ar3点升高，降低了奥氏体的稳定性，当Ar3与变形温度重合时发生形变诱导铁素体相变，从而细化铁素体晶粒，使转变后的铁素体含量增加，不但提高了材料的强度，而且具有良好的韧性。通过两段穿水工艺，将强冷和弱冷交替进行,强冷可以保证钢材表面温度迅速减低,弱冷可以使得钢材芯部的温度逐渐扩散到表面,随后再进行强冷,使得热量快速散出。强冷和弱冷交替进行,强弱冷相结合的穿水冷却方式使得在较短的时间内钢材芯部的温度和表面的温度即趋于一致,从而确保了钢材力学性能的均匀性,且提高了生产效率。
本实施例的非调质钢棒材穿过所有最后一组冷却水箱后的返红温度范围是控制非调质钢中的铌与钒在返红温度范围内析出。铌、钒在钢中具有较大的过饱和度，且形变后的奥氏体具有丰富的储存能，二者促成了Nb(CN)、V(CN)在控冷后的冷却过程中大量弥散析出，而且质点均匀细小，尺寸约为2-5nm，广泛分布于相变后的铗素体晶粒内部及位错线上，这些析出物起到很强的沉淀强化作用，使钢材的强度大幅度提高，且由于其细小弥散.对钢材的塑性、韧性的不利影响也较小，如图2经穿水冷却晶粒度7.5级的显微组织图，与图1的显微组织图相比，本实施例显微组织的晶粒度较为细小。
本实施例的减定径步骤进一步控制了非调质钢棒材的尺寸精度，并且进一步改善了非调质钢棒材的组织性能。制备的非调质钢棒材最后在654℃温度的冷床上进行冷却。
本实施例产品的化学成分为：C：0.41％；Mn：1.20％；Si：0.50％；P：0.014％；S：0.008％；Cr：0.25％；V：0.08％；Ti：0.025％；Al：0.010％；Nb：0.020％；Mo：0.05％，Ni:0.08，其余为Fe和不可避免杂质。
经过检测，本实施例通过采用采用预热段和三段式合理的加热工艺、轧制温度、冷却速度，使得轧制后获得的非调质钢棒材形成了铁素体+珠光体组织，晶粒度达到7.5级，抗拉强度达到990Mpa，屈服强度650Mpa，冲击韧性41J。提高了钢的强度和韧性等机械性能，改善了抗疲劳性和拉伸强度。完全满足汽车底盘件用非调质钢的技术和质量要求。
实施例2
如实施例1的制备步骤，实施例2的方坯钢锭加热步骤中，钢锭加热采用加热炉加热，加热温度的控制范围为：预热段温度800℃，加热时间60min；一段加热1000℃，加热时间100min；二段加热1200℃，加热时间100min；三段均热1080℃，加热时间100min。
在控轧控冷步骤中，初轧的开轧温度1010℃；中轧温度880℃；一次穿水冷却进1#水冷箱温度900℃；进精轧温度820℃；二次穿水冷却进2#水冷箱温度850℃，棒材穿过所有最后一组冷却水箱后的返红温度控制在720℃；上冷床温度为680℃。
其中，进1#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力3.0MPa；阀门开口25％；水流量200m3/h；进2#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力5.0MPa；阀门开口35％；水流量300m3/h。
本实施例产品的化学成分为：C：0.43；Mn：1.25；Si：0.65％；P：0.010；S：0.003％；Cr：0.30％；V：0.13％；Ti：0.030％；Al：0.015％；Nb：0.025％；Mo：0.07％；Ni：0.10％，其余为Fe和不可避免杂质。
最后通过定径和冷床冷却，使得轧制后获得的非调质钢棒材形成铁素体+珠光体组织，晶粒度达到8.0级，如图3经穿水冷却晶粒度8.0级的显微组织图，与图1的显微组织图相比，本实施例显微组织的晶粒度更为细小。本实施例产品的抗拉强度达到940Mpa，屈服强度620Mpa，冲击韧性48J。进一步提高了汽车底盘件用非调质钢的综合性能，满足了汽车底盘件用非调质钢的技术和质量要求。
实施例3
如实施例1的制备步骤，实施例3的方坯钢锭加热温度的控制范围为：预热段温度860℃，加热时间70min；一段加热1080℃，加热时间130min；二段加热1280℃，加热时间130min；三段均热1150℃，加热时间135min。
初轧开轧温度为1035℃；中轧温度890℃；进1#水冷箱温度920℃；进精轧温度925℃；进2#水冷箱温度935℃，棒材穿过所有最后一组冷却水箱后的返红温度控制750℃；通过定径机定径后，上冷床的温度为701℃。
其中，一次穿水冷却进1#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5MPa；阀门开口20％；水流量150m3/h。二次穿水冷却进2#水冷箱时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5MPa；阀门开口20％；水流量150m3/h。
本实施例化学成分为：C：0.45％；Mn：1.30％；Si：0.80％；P：0.010％；S：0.008％；Cr：0.35％；V：0.18％；Ti：0.035％；Al：0.020％；Nb：0.030％；Mo：0.09％；Ni：0.12％，其余为Fe和不可避免杂质。
如图4所示，经穿水冷却后的显微组织晶粒度为7.5级，与图1的显微组织图相比，本实施例显微组织的晶粒度较为细小。实施例3所获得的非调质钢棒材形成了铁素体+珠光体组织，晶粒度为7.5级，抗拉强度达到970Mpa，屈服强度为650Mpa，冲击韧性43J。满足了汽车底盘件用非调质钢的技术和质量要求。
以上仅是本发明的优选实施方式。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出各种改进。这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种汽车底盘用非调质钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：方坯加热工艺步骤，控轧控冷步骤，减定径步骤，以及冷却步骤；其中，
所述控轧控冷步骤包括初轧，中轧，一次穿水冷却，精轧，二次穿水冷却；
所述方坯加热工艺步骤中：预热段温度660-860℃，加热时间40-70min；一段加热温度900-1080℃，加热时间60-130min；二段加热温度1120-1280℃，加热时间60-130min；三段均热温度1000-1150℃，均热时间80-135min；
所述控轧控冷步骤中，初轧开轧温度为990-1035℃；中轧温度870-890℃；一次穿水冷却温度为870-920℃；进精轧温度791-925℃；二次穿水冷却温度为770-935℃，返红温度700℃-750℃；
所述非调质钢的化学成分为：C：0.41-0.45%；Mn：1.20-1.30%；Si：0.50-0.80%；P≤0.015%；S≤0.010%；Cr：0.25-0.35%；V：0.08-0.18%；Ti：0.025-0.035%；Al：0.010-0.020%；Nb：0.020-0.030%；Mo：0.05-0.09%；Ni：0.08-0.12%，其余为Fe和不可避免杂质；
所述一次穿水冷却时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5-6.2MPa；阀门开口20-40%；水流量150-350m³/h；
所述二次穿水冷却时控制泵频率45Hz；水嘴喷水压力2.5-6.2MPa；阀门开口20-40%；水流量150-350m³/h；
非调质钢产品的内部组织为铁素体+珠光体，晶粒度7.5级以上，抗拉强度940-990Mpa，屈服强度600-650Mpa，冲击韧性41-48J。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述减定径步骤控制非调质钢产品的尺寸精度，改善非调质钢产品的组织性能。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却步骤为在冷床上对非调质钢产品进行冷却，所述冷床上的冷却温度为654-701℃。
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