CN112359279A

CN112359279A - 一种轴用合金结构钢盘条及其制备方法

Info

Publication number: CN112359279A
Application number: CN202011122827.1A
Authority: CN
Inventors: 屠兴圹; 苏振伟; 周淼; 王冬烨; 黄云飞; 高协清; 朱策; 左锦中; 林俊
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zhongtian Iron And Steel Group Huai'an New Materials Co ltd; Zenith Steel Group Co Ltd; Changzhou Zenith Special Steel Co Ltd
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2040-10-20
Also published as: CN112359279B

Abstract

本发明属于钢铁材料制备领域，具体涉及一种轴用合金结构钢盘条及其制备方法。按重量百分数计其元素组成为，C0.35％～0.44％、Si0.15％～0.37％、Mn0.50％～0.80％、Cr0.60％～0.90％、Ni1.25％～1.65％、Mo0.15％～0.25％、P/S≤0.030％、Cu≤0.30％，其余为Al、Fe和不可避免的杂质。制备方法包括转炉冶炼、LF炉外精炼、RH真空脱气、大方坯连铸、中间坯轧制、精整和盘条轧制。制备的合金结构钢盘条组织均匀，采用软化退火工艺即可进行盘条拉拔、冷镦加工，解决了轴用合金结构钢盘条组织均匀差、拉拔前必须采用球化退火、质量稳定性差等技术难题。

Description

一种轴用合金结构钢盘条及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，具体涉及一种轴用合金结构钢盘条及其制备方法。

背景技术

合金结构钢为用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。由于合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良，广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。

轴用合金结构钢由于其一般为强度高、塑性好的重要零件，通常为一些尺寸较大、承受较大载荷的调质结构钢，而随着一些尺寸较小特殊性能要求的重要零件需求量的增加，及下游用户加工工艺不断的优化，给传统工艺生产的合金结构钢盘条带来一定困难，如轴杆拉拔余量小，对原材料表面质量要求高；为确保产品的使用寿命，对气体及非金属夹杂要求苛刻。

由于下游用户加工工艺的调整，热轧盘条不能在新工艺下使用。尤其受环保形势日益严峻及日趋激烈竞争市场环境影响，下游用户拉拔前将盘条球化退火工艺调整为软化退火，不但降低退火温度，同时缩短了退火时间，从而降低生产成本，而合金结构钢由于其成分设计的特殊性，生产过程中易析出以马氏体为主的组织，马氏体是一种硬而脆的组织，中碳钢获得的板条状马氏体通常采用球化退火改善其韧性和塑性，而软化退火加热温度在600～650℃内，盘条中随马氏体组织增加，采用软化退火后拉拔出现脆断问题越突出。

发明内容

本发明的目的在于针对以上技术难题，通过合理设计化学成分、工艺流程和参数选择，提供一种轴用合金结构钢盘条及其制备方法，能够保证生产盘条洁净度高、显微组织均匀、脱碳深度浅、采用软化退火工艺后拉拔不发生脆断，且质量稳定，完全满足轴用合金结构钢盘条用户的需求。

为了实现上述目的，本发明提供一种轴用合金结构钢盘条，其化学成分按重量百分数计为：[C]0.35％～0.44％、[Si]0.15％～0.37％、[Mn]0.50％～0.80％、[Cr]0.60％～0.90％、[Ni]1.25％～1.65％、[Mo]0.15％～0.25％、[P]/[S]≤0.030％、[Cu]≤0.30％，其余为Al、Fe和不可避免的杂质。

优选的，其化学成分按重量百分数计为：[C]0.38％～0.42％、[Si]0.20％～0.30％、[Mn]0.65％～0.75％、[Cr]0.75％～0.85％、[Ni]1.28％～1.36％、[Mo]0.16％～0.20％、[Al]0.020％～0.035％、[P]/[S]≤0.020％、[Cu]≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明成分设计理由：

C是通过固溶强化而影响钢的强度和硬度的关键元素，但过高含量形成的碳化物消除困难，且过高含量造成钢的韧性下降明显，本发明中优选为0.38％～0.42％；

Si作为钢中常用脱氧剂之一，同时也能显著提高钢的强度，但同时影响钢的塑性与韧性，本发明优选为0.20％～0.30％；

Mn能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，但锰含量过高易增加钢的回火脆性，本发明中优选为0.65％～0.75％；

Cr能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用，但含量过高会降低钢的韧性及塑性，本发明中优选为0.75％～0.85％；

Ni不仅可以提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，但镍是较稀缺的资源，本发明中优选为1.28％～1.36％；

Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，尤其是显著提高了其高温强度，但含量过高易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，本发明中优选为0.16％～0.20％；

Al作为脱氧的关键元素，同时细化晶粒，提高冲击韧性，但含量过高会影响钢的热加工性能和焊接性能，本发明中优选为0.020～0.035％；

Cu在热加工时易造成加工件开裂，而使热锻轧加工困难，本发明中优选为Cu≤0.05％

P、S为钢中的有害元素，本发明中优选为P≤0.020％、S≤0.020％，

本发明还提供了一种轴用合金结构钢盘条的制备方法，包括转炉冶炼工序、LF炉外精炼工序、RH真空脱气工序、大方坯连铸工序、中间坯轧制工序、中间坯精整工序和盘条轧制工序，具体工艺步骤如下：

(1)转炉加入优质铁水、废钢和生铁进行冶炼，废钢占炼钢原料总重的10％～15％，生铁占炼钢原料总重的2％～5％，总装入量135～145t/炉，转炉冶炼时间14～16min，冶炼过程中全程底吹氩进行搅拌，终点[C]控制在0.08％～0.15％，终点[P]≤0.015％，出钢温度1610～1650℃，出钢1/4开始随钢流依次加入铝饼、合金、增碳剂和渣料，出钢至3/4时渣料加入结束，出钢过程采用滑板挡渣操作，严禁下渣出钢，出钢时间为4～6min，出钢完毕后及时调整钢包氩气；

其中，优质铁水[Si]：0.40％～0.70％、[P]≤0.10％、[S]≤0.030％，温度1300～1380℃，出钢加入的合金种类为硅锰、硅铁、高碳铬铁、钼铁、镍板，出钢脱氧剂铝饼加入量80～130kg/炉，出钢渣料为石灰和化渣剂，加入量分别为450～550kg/炉和200～300kg/炉。

(2)精炼炉密封性良好，炉内为还原性气氛，精炼前期采用铝粒和碳化硅进行脱氧、脱硫，精炼前、中期采用大氩气搅拌，精炼后期调小氩气量，采用碳化硅保持白渣操作，精炼成分、温度调整完成后迅速转入RH真空精炼工序；

前、中期底吹大氩气搅拌压力1.0～1.4MPa，流量300～400NL/min，精炼后期氩气搅拌压力0.5～0.8MPa，流量100～150NL/min；

(3)RH真空脱气处理时确保真空度和保压时间，真空结束后喂入纯钙线，软吹前加碳化稻壳，确保钢水不裸露，随后进行软吹氩操作，确保软吹时间；

RH真空脱气处理时确保真空度小于70Pa，保压时间10～15min，真空结束后喂入50～100m/炉纯钙线，进行软吹时氩气流量50～80NL/min，软吹时间25～35min。

(4)连铸全程采用保护浇注，过热度控制25～35℃，拉速控制0.80～0.90m/min，二冷比水量采用0.30L/kg，连铸中间包采用内装水口和塞棒自动控制，结晶器电搅电流为230～260A，频率为1.5～2.5Hz，末端电搅电流为180～220A，频率为5.5～6.5Hz；保护渣使用中碳钢保护渣，连铸浇注成的大方坯采用轻压下，压下量12mm，连铸坯下冷床后采用加盖坑冷，入坑温度＞500℃，在坑保温时间＞42小时。

整体内装水口孔径为40mm，中碳钢保护渣成分为SiO₂：28％～33％，Al₂O₃：1.5％～4％，CaO：18％～24％，K₂O+NaO：9％～12％，C：13％～16％，F：4％～6％，连铸大方坯压下后断面为280mm×320mm。

(5)大方坯出坑后进入加热炉进行高温扩散，总加热时间200～400min，高温段时间100～200min，高温段温度1150～1250℃，后将大方坯轧制为断面160mm×160mm中间坯，中间坯避风堆冷。

(6)中间坯采用砂轮精整去除表面缺陷及脱碳层，单边修磨深度1.5～2.0mm。

(7)盘条轧制前中间坯加热高温段温度1050～1150℃，总加热时间90～160min，采用15～20MPa高压水除鳞，开轧温度980～1020℃，出钢节奏1.5～2min/支，终轧温度850～890℃，吐丝温度840～880℃，开启前2～4个保温罩，入罩温度740～780℃，出罩温度＜680℃。

本发明通过在保证转炉出钢C、出钢温度前提下，炉后进行提前脱氧、成分调整，减少精炼后期大量补料，在经过RH高真空处理，有效的控制钢水纯净度；连铸采用结晶电搅及末端电搅进行搅拌，并采用轻压下，连铸坯入坑加盖保温，确保连铸坯内部及表面质量；连铸坯先后经过两次轧制，确保盘条成分均质化。

本发明的有益效果在于：经过对钢中各合金元素的合理设计，并采用转炉→精炼→RH→连铸→缓冷→第一次轧制→精整→第二次轧制的生产工艺路径，并通过过程关键参数的合理控制，从而确保合金结构钢盘条的纯净度、表面质量、显微组织等关键技术指标，满足用户拉拔前将盘条球化退火工艺调整为软化退火，不但降低退火温度，同时缩短了退火时间，从而降低生产成本。

附图说明

图1为实施例1轧制盘条的显微组织；

图2为实施例2轧制盘条的显微组织；

图3为实施例3轧制盘条的显微组织；

图4为对比实施例2轧制盘条的显微组织；

图5为对比实施例3轧制盘条的显微组织；

图6为对比实施例1轧制盘条脱碳深度(脱碳深度82.89um)；

图7为实施例1轧制盘条脱碳深度(脱碳深度41.70um)；

图8为对比实施例5轧制盘条的心部显微组织。

具体实施方式

本发明下面结合轴用合金结构钢盘条的生产实施例作进一步详述，生产工艺为：

转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→大方坯连铸(280×320mm²)→开坯轧制(160×160mm²)→中间坯精整→盘条轧制(Φ5.5～25mm)。

实施例1

(1)转炉冶炼

转炉加入废钢15t、生铁5t，加入120t铁水进行冶炼，铁水中[Si]：0.52％、[P]：0.06％、[S]：0.025％，冶炼过程中全程底吹氩进行搅拌，转炉冶炼时间15min出钢，终点[C]：0.12％，终点[P]：0.011％，出钢温度1640℃，出钢至30t时开始随钢流依次加入120kg铝饼、205kg硅铁、1305kg硅锰、1830kg高碳铬铁、1650kg镍板、360kg钼铁，250kg增碳剂、500kg石灰及250kg化渣剂，出钢至90t时炉后加料全部结束，出钢结束时采用滑板挡渣操作，出钢时间为5min，出钢完毕后及时调整钢包氩气，防止钢水裸露。

(2)LF精炼

钢水至LF精炼后快速升温，升温过程氩气搅拌压力1.2MPa，流量350NL/min，钢水渣面添加50kg铝粒和80kg碳化硅进行脱氧、脱硫，精炼15min后取样，待成分至目标值，渣面为白渣，将氩气压力调整为0.6MPa，流量120NL/min，将钢水温度升至1620℃，LF精炼结束。

(3)RH真空脱气

RH进行真空室抽气，当真空度达到60Pa时，保压12min后进行破空，喂入80m纯钙线，加入碳化稻壳，确保钢水不裸露，调整氩气流量50NL/min，软吹时间30min，钢水温度至1575℃软吹结束。

(4)大方坯连铸

连铸过热度30℃，拉速控制0.85m/min，二冷比水量0.30L/kg，连铸中间包采用孔径Φ40mm的内装水口，浇注过程中塞棒自动控制，结晶器电搅电流为250A，频率为2Hz，末端电搅电流为200A，频率为6Hz；保护渣使用中碳钢保护渣，成分为SiO₂：30％，Al₂O₃：2.5％，CaO：20％，K₂O+NaO：11％，C：14％，F：5％，铸坯采用轻压下，压下量12mm，压下后断面为280mm×320mm，连铸坯下冷床后采用加盖坑冷，入坑温度550～650℃，在坑保温时间48小时出坑。

(5)开坯轧制

大方坯出坑后进入加热炉加热，总加热时间350min，高温段时间180min，高温段温度1200～1250℃，出钢时采用压力为20MPa的水去除氧化铁皮，经过粗轧后轧制为断面160mm×160mm中间坯，中间坯避风堆冷。

(6)中间坯精整

中间坯采用20目的砂轮精整去除表面缺陷及脱碳层，单边修磨深度1.5～2.0mm，角部无平滑无尖角，面部无台阶状精整缺陷。

(7)盘条轧制

中间坯加热高温段温度1100～1150℃，总加热时间150min，采用18MPa高压水除鳞，开轧温度1000～1020℃，出钢节奏1.5min/支，终轧温度850～890℃，吐丝温度860～880℃，开启前4个保温罩，入罩温度740～760℃，出罩温度630～650℃，盘条聚卷、打包。

实施例2

步骤(1)中，废钢加入18t，生铁加入6t，铁水加入115t，铁水中[Si]：0.65％、[P]：0.04％、[S]：0.020％,终点[C]：0.10％，终点[P]：0.009％，出钢温度1648℃；

步骤(2)中，钢水温度升至1610℃，LF精炼结束；

步骤(3)中，喂入50m纯钙线，软吹时间25min，钢水温度至1565℃软吹结束；

步骤(4)中，连铸过热度25℃，拉速控制0.90m/min；

其余与实施例1相同。

实施例3

步骤(7)中，中间坯高温段1080～1120℃，总加热时间120min，开轧温度980～1000℃，开启前3个保温罩，入罩温度760～780℃，其余与实施例2相同。

对比实施例1

将实施例1中步骤(6)去掉，即将生产工艺修改为：“转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→大方坯连铸(280×320mm²)→开坯轧制(160×160mm²)→盘条轧制(Φ5.5～25mm)”，其它与实施例1相同。

轧制Φ5.5mm盘条时，表面脱碳层深度达0.08mm，不满足用户使用要求(≤1.0％D)。

对实施比例2

将实施例1中步骤(7)中“吐丝温度860～880℃，开启前4个保温罩，入罩温度740～760℃，出罩温度630～650℃，”修改为“吐丝温度860～880℃，开启前4个保温罩，开启第2、3台风机，风机风量分别为40％、30％，入罩温度670～700℃，出罩温度600～630℃”，其它与实施例1相同。

轧制Φ12mm盘条时，盘条显微组织中马氏体比例明显增加，盘条布氏硬度达37HRC，不利于用户采用软化退火后拉拔。

对比实施例3

将实施例1中步骤(7)中“开启前4个保温罩，入罩温度740～760℃，出罩温度630～650℃，”修改为“保温罩全开”，其它与实施例1相同。

轧制Φ10mm盘条时，盘条显微组织中马氏体比例明显增加，盘条布氏硬度达40HRC，不利于用户采用软化退火后拉拔。

对比实施例4

将实施例1中步骤(2)中“精炼15min后取样，待成分至目标值，渣面为白渣，将氩气压力调整为0.6MPa，流量120NL/min，将钢水温度升至1620℃，LF精炼结束。”修改为“精炼15min后取样，待成分至目标值，渣面为白渣，将氩气压力调整为1.3MPa，流量380NL/min，将钢水温度升至1620℃，LF精炼结束。”，其它与实施例1相同。

轧制盘条后，对盘条非金属夹杂物进行检测，发现Ds夹杂物达到3.0级，钢水洁净度差，不利于用户采用软化退火后拉拔。

对比实施例5

将实施例1中步骤(4)中“结晶器电搅电流为250A，频率为2Hz，末端电搅电流为200A，频率为6Hz”修改为“结晶器电搅电流为100A，频率为2Hz，末端电搅电流为50A，频率为6Hz”，其它与实施例1相同。

轧制Φ15mm盘条时，盘条截面显微组织均匀性差，中心部位出现明显针状马氏体组织，不利于用户采用软化退火后拉拔。

本发明实施例1～3所轧制轴用合金结构钢盘条的化学成分、显微组织、硬度及脱碳深度如表1、表2，实施例1～3和对比实施例4轧制轴用合金结构钢盘条的非金属夹杂物检测结果如表3。

表1实施例1～3所制备的钢盘条的成品化学成分(wt/％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Al	Mo
											1	0.40	0.24	0.71	0.013	0.005	0.79	1.32	0.005	0.026	0.17
2	0.41	0.25	0.72	0.011	0.007	0.81	1.33	0.011	0.028	0.18
											3	0.41	0.24	0.70	0.009	0.004	0.82	0.29	0.012	0.031	0.17

表2实施例1～3级对比实施例1～3所制备的钢盘条显微组织、硬度及脱碳深度

表3实施例1～3与对比实施例4所制备的钢盘条非金属夹杂物检测结果

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种轴用合金结构钢盘条，其特征在于：所述的结构钢盘条化学成分按重量百分数计为，[C]0.35％～0.44％、[Si]0.15％～0.37％、[Mn]0.50％～0.80％、[Cr]0.60％～0.90％、[Ni]1.25％～1.65％、[Mo]0.15％～0.25％、[P]/[S]≤0.030％、[Cu]≤0.30％，其余为Al、Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的轴用合金结构钢盘条，其特征在于：所述的结构钢盘条化学成分按重量百分数计为，[C]0.38％～0.42％、[Si]0.20％～0.30％、[Mn]0.65％～0.75％、[Cr]0.75％～0.85％、[Ni]1.28％～1.36％、[Mo]0.16％～0.20％、[Al]0.020％～0.035％、[P]/[S]≤0.020％、[Cu]≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的轴用合金结构钢盘条的制备方法，包括转炉冶炼工序、LF炉外精炼工序、RH真空脱气工序、大方坯连铸工序、中间坯轧制工序、中间坯精整工序和盘条轧制工序，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：

(1)转炉冶炼工序

转炉加入炼钢原料进行冶炼，冶炼过程中底吹氩进行搅拌，终点[C]控制在0.08％～0.15％，终点[P]≤0.015％，出钢1/4开始随钢流依次加入铝饼、合金、增碳剂和渣料，出钢至3/4时渣料加入结束，出钢过程采用滑板挡渣操作，严禁下渣出钢，出钢时间为4～6min，出钢完毕后及时调整钢包氩气；

(2)LF炉外精炼工序

精炼炉密封性良好，炉内为还原性气氛，精炼前期采用铝粒和碳化硅进行脱氧、脱硫，精炼前、中期采用大氩气搅拌，精炼后期调小氩气量，采用碳化硅保持白渣操作，精炼成分、温度调整完成后迅速转入RH真空精炼工序；

(3)RH真空脱气工序

RH真空脱气处理时确保真空度和保压时间，真空结束后喂入纯钙线，软吹前加碳化稻壳，确保钢水不裸露，随后进行软吹氩操作，确保软吹时间；

(4)大方坯连铸工序

连铸全程采用保护浇注，过热度控制25～35℃，拉速控制0.80～0.90m/min，二冷比水量采用0.30L/kg，连铸中间包采用内装水口和塞棒自动控制，开启结晶器电搅与末端电磁搅拌，保护渣使用中碳钢保护渣，连铸浇注成的大方坯采用轻压下，压下量12mm，连铸坯下冷床后采用加盖坑冷，入坑温度＞500℃，在坑保温时间＞42小时；

(5)中间坯轧制工序

大方坯出坑后进入加热炉进行高温扩散，总加热时间200～400min，高温段时间100～200min，高温段温度1150～1250℃，后将大方坯轧制为中间坯，中间坯避风堆冷；

(6)中间坯精整工序

中间坯采用砂轮精整去除表面缺陷及脱碳层，单边修磨深度1.5～2.0mm；

(7)盘条轧制工序

轧制前中间坯加热高温段温度1050～1150℃，总加热时间90～160min，采用15～20MPa高压水除鳞，开轧温度980～1020℃，出钢节奏1.5～2min/支，终轧温度850～890℃，吐丝温度840～880℃，开启前2～4个保温罩，入罩温度740～780℃，出罩温度＜680℃。

4.如权利要求3所述轴用合金结构钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(1)中加入的炼钢原料为优质铁水、废钢和生铁，其中，废钢占炼钢原料总重的10％～15％，生铁占炼钢原料总重的2％～5％，优质铁水[Si]：0.40％～0.70％、[P]≤0.10％、[S]≤0.030％，温度1300～1380℃，炼钢原料总装入量135～145t/炉，转炉冶炼时间14～16min，出钢加入的合金种类为硅锰、硅铁、高碳铬铁、钼铁、镍板，出钢渣料为石灰和化渣剂，加入量分别为450～550kg/炉和200～300kg/炉。

5.如权利要求3所述轴用合金结构钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的前、中期底吹大氩气搅拌压力1.0～1.4MPa，流量300～400NL/min，精炼后期氩气搅拌压力0.5～0.8MPa，流量100～150NL/min。

6.如权利要求3所述轴用合金结构钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的RH真空脱气处理时确保真空度小于70Pa，保压时间10～15min，真空结束后喂入50～100m/炉纯钙线，进行软吹时氩气流量50～80NL/min，软吹时间25～35min。

7.如权利要求3所述轴用合金结构钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的整体内装水口孔径为40mm，结晶器电搅电流为230～260A，频率为1.5～2.5Hz，末端电搅电流为180～220A，频率为5.5～6.5Hz；中碳钢保护渣成分为SiO₂：28％～33％，Al₂O₃：1.5％～4％，CaO：18％～24％，K₂O+NaO：9％～12％，C：13％～16％，F：4％～6％，连铸大方坯压下后断面为280mm×320mm。

8.如权利要求3所述轴用合金结构钢盘条的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的中间坯断面为160mm×160mm。