CN112267078A - 一种40CrNiMo高强螺栓用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种40CrNiMo高强螺栓用钢，按重量百分比计，C：0.37％‑0.44％、Si：0.17％‑0.37％、Mn：0.50％‑0.80％、P≤0.020％、S：0.010‑0.030％、Cr：0.60％‑0.90％、Ni：1.25％‑1.65％、Mo：0.15％‑0.25％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还公开了该高强螺栓用钢的制备方法。本发明工艺路径简单，成本低廉，效率高，而成分上控制S元素在0.010‑0.030％，能够有效提升材料切削加工性能。

Description

一种40CrNiMo高强螺栓用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及中碳高强合金，更具体地是指一种40CrNiMo高强螺栓用钢及其制备方法。

背景技术

螺栓作为紧固件广泛应用于工程机械、交通运输等领域，随着行业发展的不断规范，对螺栓的质量要求也日趋严苛，尤其防止零部件产生应力断裂失效从而要求螺栓具备较高的强度性能。40CrNiMo钢由于Cr、Ni、Mo合金成分的加入，一方面使铁素体强度和韧性得以提高，同时形成碳化物可进一步阻止奥氏体晶粒的长大，提高钢的回火稳定性，在使用过程中获得优异的综合性能。此外，由于不同领域和不同使用环境对于高强螺栓的性能要求有一定差异，而作为调质使用的40CrNiMo材料能够在热处理状态下满足不同层次需求。因此，40CrNiMo高强螺栓普遍被高速列车、风车发电以及汽车传动系统等连接领域选用。

公开号为CN103627969的名为“一种改进型40CrNiMo钢及其热处理工艺”的专利，其公开了通过调整40CrNiMo成分组成：C/0.38％-0.43％，Si/0.20％-0.35％，Mn/0.60％-0.80％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cr/0.70％-0.90％，Ni/1.65％-2.00％，Mo/0.20％-0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明通过调整原有钢种成分组成，提高Ni元素的含量，从而使材料达到较高的强度指标。但是该成分体系中Ni元素和Mo元素均超出国家标准规范(GB/T 3077-2015中规定Ni/1.25％-1.65％、Mo/0.15％-0.25％)，用户一般不同意接受成分体系的更改。此外，该技术方法采用电炉+电渣重熔工艺生产，制备工艺复杂，生产成本高，无法大规模放量生产。

公开号为CN106435332的名为“一种低风速风电机组的40CrNiMoA中碳合金钢风电主轴制造方法”的专利，其介绍了钢材的化学成分：C/0.37％-0.44％，Si/0.17％-0.37％，Mn/0.50％-0.80％，P≤0.008％，S≤0.005％，Cr/0.60％-0.90％，Ni/1.25％-1.65％，Mo/0.15％-0.25％，Cu≤0.05％，As≤0.005％，Al≤0.005％，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明主要适用于风电机组主轴，材料P、S等残余元素较低，且冶炼成型工艺采用电渣重熔和锻造成型方法，也造成生产成本较高，普通紧固件领域无法适用。此外，该品种也未提及钢中一定含量的硫元素对切削加工的影响。

综上所述，目前现有的40CrNiMo钢材的生产方法不利于紧固件行业高强螺栓领域的规模化、经济化的需求，而一种制备工艺简单、易于切削加工，性能质量优异且生产成本可控的生产方法则成为目前所需研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种40CrNiMo高强螺栓用钢及其制备方法，其制备工艺简单、性能稳定且能够生产成本低的40CrNiMo高强螺栓用钢。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，一种40CrNiMo高强螺栓用钢，按重量百分比计，包含：

C：0.37％-0.44％、Si：0.17％-0.37％、Mn：0.50％-0.80％、P≤0.020％、S：0.010-0.030％、Cr：0.60％-0.90％、Ni：1.25％-1.65％、Mo：0.15％-0.25％，其余为Fe和不可避免的杂质。

另一方面，一种40CrNiMo高强螺栓用钢的制备方法，包括以下步骤：

S1.按照所述40CrNiMo高强螺栓用钢的元素组分比配料，采用电炉冶炼及炉外精炼，得到钢水；

S2：将所述钢水进行真空脱气后，进行模铸，得到模铸钢锭；

S3：将模铸钢锭采用750轧机轧制开成方坯，初轧坯轧后缓冷；

S4：将所述初轧坯进行加热轧制，得到所述40CrNiMo高强螺栓用钢。

所述步骤S1的具体操作为：

采用电炉冶炼，氧化期流渣去P，拉渣干净，出渣毕加脱氧剂、石灰，化渣均匀；终点[P]＝≤0.008％，控制出钢温度在1640～1690℃；

炉外精炼时造碱性渣，分批补加石灰，渣色变白，渣面脱氧用SiFe粉和C粉，控制氩气压力，以钢水不翻出渣面为准，吊包温度不低于1680℃。

所述步骤S2的具体操作为：

对钢水进行真空脱气处理，在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于10min，保证底吹氩弱搅拌时间不低于10min；

真空处理结束喂Al、S、吹N；

吊包温度不低于1570℃；

浇铸2.3t或3.7t钢锭，浇毕后1.5h后脱模进行热送退火，退火工艺按照780±10℃保温≥14h进行。

步骤S3具体包括如下操作：

对热送退火处理后的钢锭进行加热，控制钢锭在高温均热段的温度为1240～1260℃，时间为100～180min，总加热时间不低于340min；

初轧坯轧后进缓冷坑缓冷，以避免白点析出；冷却后对轧坯表面进行磁粉探伤检查，有缺陷的地方予以清除。

所述步骤S4具体包括如下操作：

对初轧坯进行加热，控制加热温度为1150～1200℃，总加热时间不低于120min；

钢坯出炉后保持感应加热装备开启，以避免尾部温度降低过快；

控制终轧温度≥900℃，在轧制结束后送上冷床冷却，按照合同要求长度进行定尺剪切，制得中碳合金结构钢棒材。

采用本发明的40CrNiMo高强螺栓用钢及其制备方法，具有以下几个优点：

1、采用EAF电炉+LF炉外精炼+VD真空精炼+模铸+初轧开坯+棒材轧制生产，工艺路径简单，成本低廉，效率高；

2、成分上控制S元素0.010-0.030％，在钢中与Mn形成MnS夹杂物，提升材料切削加工性能；

3、对钢锭进行780±10℃保温≥14h热装退火，充分消除中碳结构钢因凝固和冷却等因素造成的应力开裂，进一步提高产品综合成材率；

4、初轧坯轧后采用缓冷工艺，避免钢坯白点析出，进一步保证坯料质量，提高产品综合成材率；

5、通过冶炼、轧制钢坯加热工艺、定尺工艺的综合控制实现生产性能稳定、表面质量良好的高强螺栓用钢。

具体实施方式

本发明的40CrNiMo高强螺栓用钢，按重量百分比，包含如下成分：C：0.37％-0.44％、Si：0.17％-0.37％、Mn：0.50％-0.80％、P≤0.020％、S：0.010-0.030％、Cr：0.60％-0.90％、Ni：1.25％-1.65％、Mo：0.15％-0.25％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明成分的设计原理为：

碳：是提高钢强度的主要元素，是提高钢强度的主要元素，增加组织中珠光体的含量。保证一定的强度必须一定的碳含量，但是过高的碳元素对塑性不利。

锰：锰在钢中起固溶强化、细化晶粒的作用来提高强度，但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点。

硅：硅为常用的脱氧元素，对钢中铁素体具有固溶强化作用，还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀性。

硫：较高含量的硫元素会使材料在高温进行压力加工时产生脆裂，同时还会降低钢的延展性及韧性，损害钢的抗蚀性等。但适量的硫元素在钢中可以形成MnS微粒，中断基体的连续性，使切屑易于脆断，减少切屑与刀具的接触面积。硫还能起减少摩擦的作用，使切屑不粘附在切削刃上，进而提升材料切削加工性能。

铬：可以增大奥氏体的过冷能力，提高淬透性能，同时细化组织，得到强化的效果。同时，铬能发挥一定的耐腐蚀性能，还对冲击韧性有良好的影响。

镍：可以增大奥氏体的过冷能力，提高淬透性能，同时细化组织，得到强化的效果。同时，镍还对冲击韧性有良好的影响。

钼：可以提高回火稳定性和材料强度，同时提高钢材淬透性能、细化组织晶粒和改善耐腐蚀性能。

同时磷、铅、锑、铋在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，以减少原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平，使钢具有相当高的纯净度，提高材料的疲劳性能。

上述40CrNiMo高强螺栓用钢可采用以下制备方法，包括以下步骤：

S1：按照上述用钢的元素计量比配料，采用电炉冶炼及炉外精炼，得到钢水；

S2：将所述钢水进行真空脱气后，进行模铸，得到模铸钢锭；

S3：将模铸钢锭采用750轧机轧制开成方坯，初轧坯轧后缓冷；

S4：将所述初轧坯进行加热轧制，得到所述40CrNiMo高强螺栓用钢。

步骤S1的具体操作为：

采用电炉冶炼，氧化期流渣去P，拉渣干净，出渣毕加脱氧剂、石灰，化渣均匀；终点[C]≤0.05％、[Si]≤0.05％，出钢温度1640～1690℃；可以保证钢水C含量控制在较低的范围，电炉出钢C低，后续C含量不容易超过标准上限。

炉外精炼时造碱性渣，分批补加石灰，确保炉渣流动性良好，渣色变白，渣面脱氧用SiFe粉和C粉，控制氩气压力，以钢水不翻出渣面为准。保证钢水Si含量控制在0.08％以下。吊包温度不低于1680℃。

步骤S2的具体操作为：

对钢水进行真空脱气处理，在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于10min，保证底吹氩弱搅拌时间不低于10min。真空处理结束喂Al、S、吹N。吊包温度不低于1570℃；浇铸2.3t或3.7t钢锭，浇毕后1.5h后脱模进行热送退火，退火工艺按照780±10℃保温≥14h进行，可以避免钢锭发生应力裂纹。

步骤S3具体包括如下操作：

对热送退火处理后的钢锭进行加热，控制钢锭在高温均热段的温度为1240～1260℃，时间为100～180min，总加热时间不低于340min。初轧坯轧后进缓冷坑缓冷，避免白点析出。冷却后对轧坯表面进行磁粉探伤检查，有缺陷的地方予以清除，进一步提高轧制成材率；

步骤S4具体包括如下操作：

对初轧坯进行加热，控制加热温度为1150～1200℃，总加热时间不低于120min，钢坯出炉后保持感应加热装备开启，避免尾部温度降低过快。控制终轧温度≥900℃，在轧制结束后送上冷床冷却，按照合同要求长度进行定尺剪切，制得中碳合金结构钢棒材。

具体实施例如下表：

表1为工艺参数表

表2为各实施例的化学成分

表3为低倍组织

表4为高倍组织性能

表5为力学性能

本发明钢种的抗拉强度和屈服强度远大于标准下限值，完全能够满足高强螺栓领域的使用要求。此外，与现有技术相比(公开号CN103627969、公开号CN106435332)，在所达到的性能参数相似的情况下，制备工艺更加简单，生产成本大幅度降低。此外，材料中硫元素的加入使其切削加工性能大大提升。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种40CrNiMo高强螺栓用钢，其特征在于，按重量百分比计，包含：

C：0.37％-0.44％、Si：0.17％-0.37％、Mn：0.50％-0.80％、P≤0.020％、S：0.010-0.030％、Cr：0.60％-0.90％、Ni：1.25％-1.65％、Mo：0.15％-0.25％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的40CrNiMo高强螺栓用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.按照所述40CrNiMo高强螺栓用钢的元素组分比配料，采用电炉冶炼及炉外精炼，得到钢水；

S2：将所述钢水进行真空脱气后，进行模铸，得到模铸钢锭；

S3：将模铸钢锭采用750轧机轧制开成方坯，初轧坯轧后缓冷；

S4：将所述初轧坯进行加热轧制，得到所述40CrNiMo高强螺栓用钢。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作为：

采用电炉冶炼，氧化期流渣去P，拉渣干净，出渣毕加脱氧剂、石灰，化渣均匀；终点[P]＝≤0.008％，控制出钢温度在1640～1690℃；

炉外精炼时造碱性渣，分批补加石灰，渣色变白，渣面脱氧用SiFe粉和C粉，控制氩气压力，以钢水不翻出渣面为准，吊包温度不低于1680℃。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的具体操作为：

对钢水进行真空脱气处理，在小于66.7Pa真空度以下处理时间不低于10min，保证底吹氩弱搅拌时间不低于10min；

真空处理结束喂Al、S、吹N；

吊包温度不低于1570℃；

浇铸2.3t或3.7t钢锭，浇毕后1.5h后脱模进行热送退火，退火工艺按照780±10℃保温≥14h进行。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下操作：

对热送退火处理后的钢锭进行加热，控制钢锭在高温均热段的温度为1240～1260℃，时间为100～180min，总加热时间不低于340min；

初轧坯轧后进缓冷坑缓冷，以避免白点析出；冷却后对轧坯表面进行磁粉探伤检查，有缺陷的地方予以清除。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下操作：

对初轧坯进行加热，控制加热温度为1150～1200℃，总加热时间不低于120min；

钢坯出炉后保持感应加热装备开启，以避免尾部温度降低过快；

控制终轧温度≥900℃，在轧制结束后送上冷床冷却，按照合同要求长度进行定尺剪切，制得中碳合金结构钢棒材。