CN112853210B - 钛、稀土微合金化高强韧非调质钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛、稀土微合金化低成本高强韧非调质钢及其制造方法，属于非调质钢技术领域。该钢化学成分重量％为：C 0.35‑0.45％，Si 0.40‑0.50％，Mn 1.30‑1.60％，Ti 0.04‑0.08％，P≤0.010％，S 0.03～0.10％,N≤0.005％，Ce 0.005‑0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。主要用于制造汽车及工程机械领域700‑800MPa级非调质直接切削结构件。通过采用微合金化元素Ti代替V的低成本合金化设计，获得析出强化与组织细化效果，并通过稀土微合金化控制含硫钢中硫化物的形态提高钢的塑韧性，改善切削加工性能，通过在结晶器喂入稀土线的方法实现稀土收得率达到80％以上。

Description

钛、稀土微合金化高强韧非调质钢及其制造方法
技术领域
本发明属于非调质钢技术领域，特别是提供了一种钛、稀土微合金化低成本高强韧非调质钢及其制造方法。适用于制造曲轴、连杆、前轴、半轴和螺栓等汽车结构零件。通过控制钢中微合金化元素钛和稀土铈的含量，改善钢中夹杂物的成分与形态、细化非调质钢的组织、获得具有低成本、高强韧、易切削等特性的新型非调质钢。
背景技术
近年来，非调质钢因其环保、低成本、性能优良等优点，得到了广泛的开发与应用。目前，国内外汽车上的许多锻件均已采用非调质钢进行锻造。非调质钢按组织类型可分为铁素体-珠光体型非调质钢、贝氏体型非调质钢和马氏体型非调质钢，目前应用最广泛的是铁素体-珠光体型非调质钢。非调质钢与调质钢相比，省略了热处理费用，但需要较多的强化元素来保证其高强度，由于免去了调质处理，组织类型多为铁素体+珠光体，与调质钢的索氏体组织相比，塑韧性较差，而目前下游用户对降低材料综合成本、提高材料强韧性的需求不断提高，未来非调质钢需要具有低成本、高强韧、易切削等综合特性，不断满足应用领域的需求。
目前大量应用的700MPa以上级铁素体-珠光体型非调质钢普遍添加钒或以钒为主复合添加铌和钛，与其替代的调质钢相比合金成本较高，制约了该类非调质钢的大量应用，迫切需要进行低成本合金设计。此外，国内非调质钢切削加工性能不稳定，中、高硫非调质钢更加突出，硫化物呈长条状、分布不均，对力学性能带来不利影响，迫切需要通过硫化物形态控制改善切削性能，提高综合力学性能。因此，设计一种具有低成本高强韧易切削非调质钢具有十分重要的意义。本发明目的在于，面向目前主要应用的非调质钢强度等级(700MPa-800MPa级)，通过以Ti元素代替V元素，降低非调质钢的合金成本，利用冷却过程碳氮化物析出获得细晶强化与析出强化效果，利用稀土微合金化改善硫化物形态提高塑韧性与切削加工性能。为此，本发明主要基于解决以下两个方面问题：1、低成本合金化设计；2、改善夹杂物成分和形态从而优化力学性能，改善切削加工性能。
综上所述，针对铁素体-珠光体型非调质钢存在的问题与需求，有必要提供一种稀土微合金化低成本高强韧非调质钢及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛、稀土微合金化低成本高强韧非调质钢及其制造方法，抗拉强度在700～800MPa范围内，伸长率20％～30％范围内，断面收缩率60％以上，硫化物长径比≤3，经济性高、具有良好切削加工性能的铁素体-珠光体型非调质钢。
由于700Mpa级的非调质钢主要用于替代碳素结构钢(45#，45Mn),普通碳素钢不含有合金元素，为了实现低成本合金设计，采用低成本的微合金化元素Ti代替V元素，利用Ti(C,N)析出相产生的细晶强化和析出强化作用弥补降V后强度损失。钢中Ti含量决定其强化效果，含量低达不到强化效果，含量过高易形成碳硫化钛，降低钢的强度和塑韧性，需要进行微合金化成分设计得到合理的钛含量范围。非调质钢中夹杂的形态与分布是影响其切削性能与塑性的主要因素，目前针对硫含量≤0.03％的结构钢普遍采用钙处理对夹杂物进行改性，然而对于中、高硫结构钢而言，钙处理会生成大量的CaS夹杂，给工艺和钢的冶金质量带来严重危害。随着高洁净冶炼技术的进步，利用稀土对夹杂物改性同步开展研究，目前普遍通过采用在钢包中加入稀土的方法，但收得率不超过20％，均匀性差，造成钢材性能不均匀，局部稀土含量过高会损害钢的塑韧性，另外，稀土对以非调质钢为代表的中高硫钢中硫化物改性效果以及工业应用鲜有报道。
综上所述，针对目前非调质钢成本较高，夹杂物形态与分布造成性能不均匀，切削加工性能不稳定的问题，本发明通过采用微合金化元素Ti代替V的低成本合金化设计，获得析出强化与组织细化效果，并通过稀土微合金化控制含硫钢中硫化物的形态(长径比≤2.5)改善切削加工性能，提高塑韧性，通过在结晶器喂入稀土线的方法实现稀土收得率达到80％以上。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
本发明的钛、稀土微合金化低成本高强塑非调质钢的化学成分重量％为：C 0.35-0.45％，Si 0.40-0.50％，Mn 1.30-1.60％，Ti 0.04-0.08％，P≤0.010％，S 0.03～0.10％,N≤0.005％，Ce 0.005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。
发明钢的制造方法：
制造工艺路线：BOF转炉+LF精炼+RH真空脱气+CCM连铸+棒材轧制；
稀土合金化方法：钢液连续浇铸过程采用喂线机通过结晶器喂入稀土线(含Ce60-70％)，线速10-15m/min，同时保证结晶器保护渣不裸露；结晶器电磁搅拌强度540A/6Hz
轧制方法：连铸坯经1150-1200℃加热保温230～250分钟后进行轧制，粗轧阶段，温度1050-1150℃；精轧阶段850-1050℃，轧后风冷。
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)通过低成本合金元素设计达到与现有非调质钢相同的强度，塑性提高30％以上；
(2)利用稀土改变硫化物形态与分布，长径比≤2.5；
(3)采用结晶器喂入稀土线的方法，实现稀土收得率达到80％以上(传统稀土添加方法收得率仅有20％)，提高了硫化物改性效率。
附图说明
图1发明钢细晶显微组织图。
图2发明钢中Ti元素析出规律图。
图3发明钢中(Ce,Mn)S复合夹杂物形貌图。
图4为发明钢中(Ce,Mn)S复合夹杂物中Fe元素的分布图。
图5为发明钢中(Ce,Mn)S复合夹杂物中S元素的分布图。
图6为发明钢中(Ce,Mn)S复合夹杂物中Ce元素的分布图。
图7为发明钢中(Ce,Mn)S复合夹杂物中Mn元素的分布图。
图8为发明钢中(Ce,Mn)S-Ti4C2S2复合夹杂物形貌图。
图9为发明钢中(Ce,Mn)S-Ti4C2S2复合夹杂物中Fe元素的分布图。
图10为发明钢中(Ce,Mn)S-Ti4C2S2复合夹杂物中S元素的分布图。
图11为发明钢中(Ce,Mn)S-Ti4C2S2复合夹杂物中Mn元素的分布图。。
图12为发明钢中(Ce,Mn)S-Ti4C2S2复合夹杂物中Ti元素的分布图
图13发明钢夹杂物长径比分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例说明，但本发明不限于以下具体实施实例。本发明钢的化学成分为(重量％)：C 0.35-0.45％，Si 0.40-0.50％，Mn 1.30-1.60％，Ti 0.04-0.08％，P≤0.010％，S 0.03～0.10％,N≤0.005％，Ce 0.005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。按照上述化学成分要求共冶炼3炉发明钢，实施例化学成分如表1所示。以下为本发明钢的具体实施例。
表1.实施例的化学成分，重量％，余量Fe
Figure GDA0003611832720000041
Figure GDA0003611832720000051
表2实施例制造工艺
Figure GDA0003611832720000052
表3具体实施例力学性能
Figure GDA0003611832720000053
表4发明钢切削性能
Figure GDA0003611832720000054
从表4可以看出，发明钢采用Ti、稀土Ce微合金化获得了铁素体+珠光体均匀分布的细化组织，提高了非调质钢的强度和塑性，强度可提高50-100MPa，断面收缩率提高了35％～50％。发明钢利用稀土改善夹杂物成分，将易变形的MnS夹杂转变为高熔点的CeS-MnS，CeS-MnS-TiS复合夹杂，避免了TiN夹杂物的生成，夹杂物形态由尖角状和长条状，改变为球形或椭球形，减小长径比，夹杂物长径比不大于2.5，而传统的含硫非调质钢的长径比普遍在6～7，经过切削加工试验验证稀土合金化的含硫非调质钢更适于高速切削。另外，由于采用结晶器喂入稀土线的加入方法，稀土收得率提高到80％以上(传统钢包加入方法收得率仅有20％)，在结晶器电磁搅拌的作用下分布均匀，促进了夹杂物的均匀分布。

Claims (2)

1.一种钛、稀土微合金化高强韧非调质钢，其特征在于，化学成分重量为：C 0.35-0.45％，Si 0.40-0.50％，Mn 1.30-1.60％，Ti 0.04-0.08％，P≤0.010％，S 0.03-0.10％,N≤0.005％，Ce 0.005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质；
该高强韧非调质钢的抗拉强度在700～800MPa范围内，伸长率20％～30％范围内，断面收缩率60％以上，硫化物长径比≤3。
2.一种权利要求1所述的钛、稀土微合金化高强韧非调质钢的制造方法，其特征在于：
制造工艺路线：BOF转炉+LF精炼+RH真空脱气+CCM连铸+棒材轧制；
稀土合金化方法：钢液连续浇铸过程采用喂线机通过结晶器喂入稀土线，含Ce 60-70％；线速10-15m/min,同时保证结晶器保护渣不裸露；结晶器电磁搅拌强度540A/6Hz
轧制方法：连铸坯经1150-1200℃加热保温230～250分钟后进行轧制，粗轧阶段，1050-1150℃；精轧阶段850-1050℃，轧后风冷。
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