CN111961975A - 应用于u型螺栓的微合金化钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微合金化钢技术领域，具体涉及一种应用于U型螺栓的微合金化钢及其制备方法。所述的微合金化钢包括如下质量比的化学成分：C：0.32‑0.48％；Mn：0.60‑1.20％；Cr：0.06‑0.15％；Ni：0.05‑0.15％；Mo：0.02‑0.09％；V+Nb：0.03‑0.10％；N：0.005‑0.015％；P≤0.04％；S≤0.05％；Si≤0.30％；Cu≤0.25％；余量为Fe。本发明微合金化钢经冷拔工艺后抗拉强度能够达到1200MPa左右，屈服强度能够达到900MPa左右，延伸率≥10％，断面收缩率≥37％，疲劳周次大于300,000周次；制备方法科学合理。

Description

应用于U型螺栓的微合金化钢及其制备方法

技术领域

本发明属于微合金化钢技术领域，具体涉及一种应用于U型螺栓的微合金化钢及其制备方法。

背景技术

U型螺栓作为机械基础紧固件之一，是装备制造业不可或缺的一部分。U型螺栓主要应用于汽车底盘和车架，比如钢板弹簧的固定连接就是通过U型螺栓连接的。

目前，我国高性能U型螺栓制造的保障能力不足，高端载货汽车、重载铁路等行业所用的高性能U型螺栓仍需进口。随着汽车轻量化、重大技术装备大型化及参数极限化，对高性能的U型螺栓的需求量快速增长。同时，高性能U型螺栓制造需求的日益增加，也对U型螺栓的钢材的品种和性能提出了更高的要求。我国U型螺栓产品性能与国外同类产品仍有一定差距，比如U型螺栓的螺纹硬度、平行度精度等方面都存在差距，导致性能不稳定、使用寿命不稳定，尤其是在重载情况下，问题更为突出。

目前，国产传统的U型螺栓钢材多为45#钢或40Cr钢，经调质处理后具有较良好的综合力学性能，基本可以满足使用需求。目前在汽车行业，为适应汽车轻量化的需求，发展材料自重更轻、高强度、延伸率高、断面收缩率高和抗疲劳性能好的钢材，将是提高我国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的必然趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于U型螺栓的微合金化钢，具有自重小、机械强度高、延伸率大、断面收缩率高、抗疲劳性能好的优点；本发明同时提供其制备方法，科学合理，简单易行。

本发明所述的应用于U型螺栓的微合金化钢，包括如下质量比的化学成分：

C：0.32-0.48％；Mn：0.60-1.20％；Cr：0.06-0.15％；Ni：0.05-0.15％；Mo：0.02-0.09％；V+Nb：0.03-0.10％；N：0.005-0.015％；P≤0.04％；S≤0.05％；Si≤0.30％；Cu≤0.25％；余量为Fe。

各化学成分的用量标准和作用如下：

C：0.32-0.48％；

碳是通过固溶强化，提高合金钢的弹性强度、硬度和耐磨性，但降低合金钢的塑性、韧性和疲劳强度，将C控制在0.32-0.48wt.％之内，与其它合金元素同在时，可获得最佳强度，疲劳寿命与经济效益的组合。本发明采用的C含量远小于常规的合金钢，能够改变马氏体组织形态，提高合金钢的韧性。

Mn：0.60-1.20％；

锰可以通过固溶提高钢的强度，需要将Mn的含量控制在0.60-1.20wt.％之间。

Cr：0.06-0.15％；

铬通过固溶提高合金钢的强度，但过量的铬易形成碳化铬，降低钢的塑性，韧性，故将Cr的含量控制在0.06-0.15wt.％。

Ni：0.05-0.15％；

镍可提高钢的强度与韧性，但镍的价格极贵，所以尽量采用其他合金来满足性能要求。

Mo：0.02-0.09％；

钼通过固溶提高钢的强度，有益于提高合金钢的强度，但过量的Mo不利于合金钢的疲劳强度，所以需要控制Mo的含量为0.02-0.09wt.％。

V+Nb：0.03-0.10％；

钒与铌在钢中形成弥散细小的VC、NbC、VN或NbN，对基体剧烈强化，同时，细化晶界，阻止晶粒的长大，所以，可以得到细密高强度的组织，极大提高合金钢的强度与疲劳性能，但单一元素过量时，粒子易粗化，失去优异作用，故本发明采用两种元素的综合功能，经优化后，得到V与Nb的最佳含量为0.03-0.10wt.％。

N：0.005-0.015％；

氮在钢中类似于碳的作用，通过更强的固溶强化，提高钢的弹性，强度和硬度，但对钢的塑性，韧性和疲劳强度的弱化比碳小，尤其是形成的马氏体为Fe-C-N结构，具有更高的疲劳强度，加氮的微合金化钢可具有更高的强度，韧性和疲劳寿命，50-150ppm的N含量是本发明确定的最佳含N量。

P≤0.04％；S≤0.05％；

钢中不可避免存在磷硫等夹杂物。P、S与合金元素形成夹杂物，如MnS等，不仅抵消与合金元素的有益作用，而且P、S会产生偏聚，弱化钢的韧性，并成为疲劳裂纹源，严重降低了合金钢的疲劳强度，所以应严格控制P、S含量分别在0.04wt.％、0.05wt.％以内。

Si≤0.30％；

硅通过固溶强化铁素体，提高钢的弹性，但弱化钢的塑性和韧性，并剧烈增加脱碳和石墨化的倾向，产生夹杂物，恶化合金钢的疲劳性能。故在本发明中，发现硅含量控制在0.30wt.％内时，对疲劳强度的影响最低。本发明采用的Si含量远小于常规的合金钢，能降低对碳的排斥性，减少脱碳。

Cu≤0.25％；

铜可以增加钢的强度和抗大气腐蚀性，但Cu会严重降低钢的热塑性，在锻造中易产生微裂纹，严重影响合金钢的强度，所以应严格控制，不宜超过0.25wt.％。

本发明所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的厚度为25-38mm。

通过金相检测发现，所述的微合金化钢的微观组织为铁素体和珠光体组织，并且只有铁素体和珠光体组织，不含其他组织。

本发明所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，将合金钢原料依次进行熔炼、精炼、真空脱气、连续浇注冷却成钢锭、钢锭剥皮，再加热连续轧制、控制冷却、冷拔，得所述的微合金化钢。

其中，所述的微合金化钢原料能够采用部分废钢，但是废钢中含有铜线等，因此，废钢的用量需要控制在微合金化钢原料总质量的20％以内。

所述的熔炼温度为1630-1700℃，时间为25-60分钟；所述的精炼温度为1500-1550℃，时间为20-60分钟，精炼过程采用电磁搅拌。采用电磁搅拌能够均匀显微组织结构。

所述的真空脱气，真空度≤130Pa。

所述的连续浇注冷却成钢锭，先以25-35℃/min降温至1150℃以下，然后自然冷却至室温。从而使夹杂物尽量限制在钢锭的中心线上，轧钢成材后，对产品的性能的危害降至最低。

所述的钢锭剥皮的深度为至少3.0mm。

所述的再加热连续轧制开轧温度为900-1100℃，终轧温度为850-900℃。以在奥氏体区进行轧制，发挥材料的最佳形变性能，并为后续的冷却提供有利条件。

所述的控制冷却具体为：首先快冷到600℃，然后保温慢冷至室温；快冷速度≥30℃/min，保温慢冷速度≤10℃/min。这样可以防止表面脱碳，并维持较低硬度，以利于后续的剪切加工。

所述的冷拔为常温下进行拉拔，使材料达到需要的机械性能。

本发明所述的微合金化钢的制备工艺，更进一步的，在转炉中投放原料，原料中废钢质量含量控制在20％以内，为了控制杂质含量，采用电磁搅拌和真空脱气，能使纤维组织结构均匀，且少气泡，少气孔，组织致密，真空脱气结束后，进行连铸，能够形成稳定的宏观组织，加热连续轧制，能保证均匀的尺寸组织；控制冷却温度，能减少脱碳层，保证剪切硬度，冷却至室温后，进行冷拔，得到成品。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备的微合金化钢的性能如下：

原材料的硬度≤HB330，经冷拔工艺后抗拉强度能够达到1200MPa左右，屈服强度能够达到900MPa左右，延伸率≥10％，断面收缩率≥37％，疲劳周次大于300,000周次。

(2)本发明微合金化钢的半脱碳层小于0.20mm，无全脱碳层。

(3)本发明不需热处理，可直接通过冷拔工艺使得材料达到需要的机械性能。

(4)本发明所述的制备方法，科学合理，简单易行，采用电磁搅拌和真空脱气能够减少气泡、气孔，使得显微组织结构更加均匀致密。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。

实施例1

所述的应用于U型螺栓的微合金化钢，制备方法如下：

将铁水加入到120吨转炉中，1680℃下进行熔炼，45分钟后出钢，加入18％废钢进行调温至1650℃，转入精炼炉，在电磁搅拌下，加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰，在1535±15℃下，对化学成分进行调整40分钟后，进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯，以28℃/min的速度冷至1150℃后，空冷至室温，进行铸坯剥皮，剥去3.2mm深度后，再加热到1200℃，然后连轧成螺栓钢，开轧温度1050℃，终轧温度890℃，轧后以37℃/min的速度快冷至600℃，然后温度以8℃/min的速度慢冷到室温。

按上述方法制得螺栓钢，经检验其化学成分如表1所示，进一步冷拔后加工成U型螺栓，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，其结果如表2所示。

实施例2

所述的应用于U型螺栓的微合金化钢，制备方法如下：

将铁水加入到120吨转炉中，1630℃下进行熔炼，60分钟后出钢，加入18％废钢进行调温至1650℃，转入精炼炉，在电磁搅拌下，加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰，在1515±15℃下，对化学成分进行调整60分钟后，进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯，以30℃/min的速度冷至1150℃后，空冷至室温，进行铸坯剥皮，剥去3.5mm深度后，再加热到1200℃，然后连轧成螺栓钢，开轧温度950℃，终轧温度850℃，轧后以35℃/min的速度快冷至600℃，然后温度以10℃/min的速度慢冷到室温。

按上述方法制得螺栓钢，经检验其化学成分如表1所示，进一步冷拔后加工成U型螺栓，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，其结果如表2所示。

实施例3

所述的应用于U型螺栓的微合金化钢，制备方法如下：

将铁水加入到120吨转炉中，1700℃下进行熔炼，25分钟后出钢，加入18％废钢进行调温至1650℃，转入精炼炉，在电磁搅拌下，加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰，在1535±15℃下，对化学成分进行调整20分钟后，进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯，以35℃/min的速度冷至1150℃后，空冷至室温，进行铸坯剥皮，剥去3.0mm深度后，再加热到1200℃，然后连轧成螺栓钢，开轧温度900℃，终轧温度900℃，轧后以40℃/min的速度快冷至600℃，然后温度以9℃/min的速度慢冷到室温。

按上述方法制得螺栓钢，经检验其化学成分如表1所示，进一步冷拔后加工成U型螺栓，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，其结果如表2所示。

对比例1

标准钢9260，经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成U型螺栓，经900℃淬火及500℃回火后，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，另外，检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率，其结果如表2所示。

对比例2

标准钢5160，经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成U型螺栓，经900℃淬火及500℃回火后，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，另外，检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率，其结果如表2所示。

对比例3

标准钢6150，经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成U型螺栓，经900℃淬火及500℃回火后，按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验，按照GB/T228-2002进行疲劳试验，另外，检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率，其结果如表2所示。

表1实施例1-3和对比例1-3的化学成分比较

牌号	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	V+Nb	N
									实施例1	0.38	0.12	0.72	0.08	0.03	0.07	0.06	0.010
实施例2	0.40	0.20	0.98	0.10	0.04	0.12	0.07	0.012
									实施例3	0.43	0.15	0.82	0.12	0.06	0.10	0.08	0.009
对比例1	0.62	1.72	0.76	0.11	0.010	0.02	<0.01	<0.001
									对比例2	0.61	0.28	0.82	0.79	0.011	0.02	<0.01	<0.001
对比例3	0.47	0.31	0.72	0.95	0.011	0.02	0.15	<0.001

表2检测结果

牌号	Rp<sub>0.2</sub>(MPa)	Rm(MPa)	A(％)	Z(％)	平均疲劳周次(周次)
						实施例1	898	1190	10.3	37	301111
实施例2	900	1195	10.8	39	315832
						实施例3	905	1200	10.7	38	343523
对比例1	940	980	8.2	31	43265
						对比例2	980	1070	8.3	32	67352
对比例3	1030	1100	8.6	34	81210

从结果来看，在屈服强度(Rp_0.2)类似的情况下，本发明的微合金化钢的断面收缩率Z、延伸率A与拉伸强度(Rm)均有显著提高，尤其是疲劳强度提高400％以上，特别适用于减重U型螺栓的制造上，同时本发明采用冷拔工艺即可使得材料达到需要的机械性能。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种应用于U型螺栓的微合金化钢，其特征在于：包括如下质量比的化学成分：

C：0.32-0.48％；Mn：0.60-1.20％；Cr：0.06-0.15％；Ni：0.05-0.15％；Mo：0.02-0.09％；V+Nb：0.03-0.10％；N：0.005-0.015％；P≤0.04％；S≤0.05％；Si≤0.30％；Cu≤0.25％；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的应用于U型螺栓的微合金化钢，其特征在于：所述的微合金化钢的微观组织为铁素体和珠光体组织。

3.一种权利要求1或2所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：将合金钢原料依次进行熔炼、精炼、真空脱气、连续浇注冷却成钢锭、钢锭剥皮，再加热连续轧制、控制冷却、冷拔，即得应用于U型螺栓的微合金化钢产品。

4.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的熔炼温度为1630-1700℃，时间为25-60分钟；所述的精炼温度为1500-1550℃，时间为20-60分钟，精炼过程采用电磁搅拌。

5.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的真空脱气，真空度≤130Pa。

6.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的连续浇注冷却成钢锭，先以25-35℃/min降温至1150℃以下，然后自然冷却至室温。

7.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的钢锭剥皮的深度为至少3.0mm。

8.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的再加热连续轧制开轧温度为900-1100℃，终轧温度为850-900℃。

9.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的控制冷却具体为：首先快冷到600℃，然后保温慢冷至室温；快冷速度≥30℃/min，保温慢冷速度≤10℃/min。

10.根据权利要求3所述的应用于U型螺栓的微合金化钢的制备方法，其特征在于：所述的冷拔为常温下进行拉拔，使材料达到需要的机械性能。