CN113134510A

CN113134510A - 一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法

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Publication number: CN113134510A
Application number: CN202110460891.9A
Authority: CN
Inventors: 高华耀; 刘栋林; 江宏亮; 杜龑; 周湛; 朱康宁; 张春香
Original assignee: Jiangsu Yonggang Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Yonggang Group Co Ltd
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2041-04-27
Also published as: GB2612440A; GB2612440B; CN113134510B; WO2022227891A1; GB202213835D0

Abstract

本发明属于非调质钢技术领域，涉及一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法；钢材成分为：C 0.40～0.48%、Si 0.20～0.35%、Mn 0.80～1.30%、P≤0.020%、S≤0.035%、Cr 0.10～0.20%、V 0.05%～0.13%、Ti 0.010%～0.020%、Ni≤0.025%、Mo≤0.015%、Al≤0.030%、Cu≤0.2%、N 130～200ppm、H≤2.0ppm、O≤20ppm；余量为Fe及不可避免杂质；本发明在不增加硅含量的条件下，同时省去了常用的Nb；通过优化组分，采用半连轧技术实现控轧、控冷工艺，最终得到性能优异的大规格直接切削用非调质钢。

Description

一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法

技术领域

本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法。

背景技术

在工程机械领域长期以来其重要零件均采用调质钢制造，而调质钢生产周期长、能耗高，且淬火时工件易变形或开裂，造成产品质量波动大、制造成本高、环境污染严重，目前工程机械领域往往涉及大量大尺寸规格零件制造，但大规格车削非调质钢的开发和应用力度不够，无法满足工程机械需求。随着人们对环保、加工成本、加工周期及材料稳定性越来越重视，迫切希望机械加工行业切削用棒材如注塑机拉杆、机械类油缸活塞杆零部件等中、大尺寸圆棒产品采用直接切削用非调质钢代替调质钢，但随着非调质热轧圆钢使用规格逐渐增大，造成圆钢截面边部与心部的强韧性性能波动大、组织晶粒度大小不均匀易出现混晶现象。

目前市场上注塑机使用的材质主要是调质后的42CrMo和4145H合金结构钢，由于零件调质过程增加能耗且污染环境，同时钢材产生氧化、脱碳、变形、开裂等缺陷。对于开发新型非调质钢以逐步替代42CrMo、4145H、40Cr等调质钢变的急为迫切。

通过调研发现，目前只有小规格非调质钢（直径≤60mm）才有报道，受制于大规格圆棒生产难度大，大规格的非调质钢鲜有报道，因此，亟需设计得到性能优异的大规格直接切削用非调质钢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，针对大规格直接切削用非调质钢（直径为75~140mm），力学性能和切削加工性能波动大，难以满足目前的生产需求；本发明提供一种高强韧中、大规格直接切削用非调质钢，优化钢材组分，采用半连轧技术实现控轧控冷，使得大规格直接切削用非调质钢具有良好的力学性能和加工性能。

为了实现以上目的，本发明首先提供一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，具有高强度、高韧性、优异切削加工性能，采用半连轧技术实现控轧控冷步骤，包括以下步骤：

（1）按照各成分混合物料，经过冶炼，浇铸成钢坯；钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1180~1240℃的温度加热2~3h使坯料加热均匀化，得到加热后的钢坯；

（2）加热后的钢坯，开启高压水除磷，去除钢坯表面的氧化铁皮；除磷后的钢坯在开坯机经过7~11道次轧制成中间矩形坯，所述开坯轧制的温度为990~1120℃，前4道单道次变形量≥17%；

（3）步骤（2）中轧制得到的中间矩形坯进行待温处理，待温处理后的温度为850~920℃，待温处理的时间为4~6分钟；

（4）待温处理后的中间矩形坯进入连轧机经5~9道次轧制成圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度780~880℃；所述圆钢棒材的直径为75~140mm；

（5）将步骤（4）连轧后的圆钢棒材出轧机后进行穿水冷却，冷却后的温度为325-414℃；

（6）缓冷：冷却后的圆钢棒材进入横移编组系统移至锯切辊道进行锯切，此时圆钢表面反红温度至571~590℃，锯切后上冷床入坑缓冷，出坑温度≤200℃，再经精整、矫直工序、得到所需钢材，检测后入库；

所述大规格直接切削用非调质钢由下列重量百分比的成分组成：

C：0.40～0.48%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.80～1.30%、P≤0.020%、S≤0.035%、Cr：0.10～0.20%、V：0.05%～0.13%、Ti:0.010%～0.020%、Ni≤0.025%、Mo≤0.015%、Al≤0.030%、Cu ≤0.2%、N：130～200ppm、H≤2.0ppm、O≤20ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

优选的，步骤（1）中，所述均热段的加热时间为2~3h。

优选的，步骤（2）中，所述高压水除磷的压力为20～30MPa。

优选的，步骤（2）中，所述前4道单道次变形量≥20%。

优选的，步骤（5）中，所述穿水冷却具体方式为：经3-5段穿水冷却，控制每段阀门开度为4%~30%，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱；采用强冷-弱冷交替的方式，即相邻两段阀门的开度相差不小于5%。

成分设计：

针对中、大规格直径直接切削用非调质钢产品，力学性能和切削加工性能波动大难以满足要求。通过优化合金设计成分，圆棒具有良好的力学性能和加工性能，能够满足注塑机拉杆的设计要求。硅在钢中主要以固溶形式存在，主要起固溶强化作用，能显著提高铁素体的体积分数并强化铁素体组织。增加硅含量能使珠光体C曲线左移，提高碳元素的活度，促进碳在奥氏体的扩散，增加碳化物沉淀析出；常规的非调质钢硅含量小于0.50%，但均是制备的小规格非调质钢，而且也均含有Nb，以此来提升性能；然而，本发明优化合金设计成分，在不增加硅含量的条件下，同时省去了常用的Nb，设计得到一种强度、韧性、硬度、加工性各项性能优异的中、大规格直径直接切削用非调质钢。

本发明的优点和技术效果是：

本发明优化合金设计成分，在不增加硅含量的条件下，同时省去了常用的Nb，降低其它合金元素使原材料成本降低；采用半连轧技术生产中、大规格非调质钢，通过开坯大变形量及待温方式控制轧制，通过多段穿水管复合方式冷却系统控制冷却，采用强冷-弱冷交替的方式，为实现连轧低温轧制造成条件，在此条件下最终得到理想的组织和综合的力学性能。

本发明控制铁素体-珠光体非调制钢轧后冷却速度，在800~500℃区间的冷却速度可细化铁素体晶粒，增加珠光体占比和缩小片间距；在开坯机前4道大变形量使钢坯铸态组织充分压碎奥氏体晶粒得到细化，连轧采用低温轧制和控制冷却，阻止奥氏体晶粒在结晶，有助于后续相变获得更细小的铁素体和珠光体组织，本发明通过低温轧制和控冷两大工艺技术，同时发挥微合金析出、弥散强化作用，实现中、大规格切削非调质钢的高强韧性。

附图说明

图1为实施例1所制备钢材的金相图片。

图2为实施例1所制备钢材的晶粒度图片。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1：

本实施例涉及的圆钢直径135mm，其化学成分按质量百分比计为：

C：0.45%、Si：0.29%、Mn：1.21%、P:0.013%、S:0.005%、Cr：0.14%、V：0.07%、Ti:0.016%、Ni:0.013%、Mo:0.005%、Al:0.011%、Cu :0.21%、N：159ppm、H:0.9ppm、O:15ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

（1）按照各成分混合物料，经过冶炼，浇铸成钢坯；钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1180℃的温度加热3h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化，得到加热后的钢坯；

（2）钢坯在辊道上经过高压水除鳞后去除钢坯氧化铁皮，防止成品圆钢表面产生凹坑、麻点等缺陷，除磷压力为25MPa；除磷后的钢坯直接进入往返式轧机（开坯机），经过11道轧制成中间坯型200*220mm，前4道单道次变形量≥17%；开坯轧制温度控制为1005℃；

（3）中间坯出开坯机在连轧机前辊道待温空冷，在辊道上待温至870℃，待温时间5.5分钟，然后进行中间坯切头和切尾；

（4）待温处理后的中间矩形坯表面温度降至835℃后进入连轧机组，经过5道次轧制成140mm圆钢，终轧温度约在780℃；

（5）将步骤（5）连轧后的圆钢棒材出轧机后立即进入水冷系统（穿管）穿水冷却，采用四段穿水管穿水，控制第一段阀门开度25%，控制第二段阀门开度10%，控制第三段阀门开度20%，控制第四段阀门开度5，圆钢穿水结束后表面温度冷却至约325℃，从进第一段穿水管至出第五段穿水管时间为1分钟；

（6）圆钢进入横移编组系统移至锯切辊道进行锯切，此时圆钢表面反红温度至571℃，锯切后上冷床，随后下线进坑缓冷、精整、矫直工序、检测后入库。

实施例2：

本实施例涉及的圆钢直径为100mm，其化学成分按质量百分比计为：

C：0.41%、Si：0.30%、Mn：1.20%、P:0.010%、S:0.002%、Cr：0.16%、V：0.07%、Ti:0.014%、Ni:0.019%、Mo:0.006%、Al:0.012%、Cu :0.21%、N：143ppm、H:1.1ppm、O:10ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

（1）按照各成分混合物料，经过冶炼，浇铸成钢坯；钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1160℃的温度加热1h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化，得到加热后的钢坯；

（2）钢坯在辊道上经过高压水除鳞后去除钢坯氧化铁皮，除磷压力为25MPa；除磷后的钢坯直接进入往返式轧机，经过11道轧制成中间坯型150*180mm，前4道单道次变形量≥20%；开坯轧制温度控制为995℃；

（3）中间坯出开坯机在连轧机前辊道待温空冷，在辊道上待温至865℃，待温时间5分钟，然后进行中间坯切头和切尾；

（4）待温处理后的中间矩形坯表面温度降至840℃后进入连轧机组，经过7道次轧制成100mm圆钢，终轧温度约在775℃；

（5）将步骤（5）连轧后的圆钢棒材出轧机后立即进入水冷系统（穿管）穿水冷却，采用四段穿水管穿水，控制第一段阀门开度25%，控制第二段阀门开度10%，控制第三段阀门开度20%，控制第四段阀门开度10%，圆钢穿水结束后表面温度冷却至约386℃，从进第一段穿水管至出第五段穿水管时间为0.7分钟；

（6）圆钢进入横移编组系统移至锯切辊道进行锯切，此时圆钢表面反红温度至585℃，锯切后上冷床，随后下线进坑缓冷、精整、矫直工序、检测后入库。

实施例3：

本实施例涉及的圆钢直径为75mm，其化学成分按质量百分比计为：

C：0.42%、Si：0.29%、Mn：1.20%、P:0.011%、S:0.004%、Cr：0.15%、V：0.07%、Ti:0.015%、Ni:0.017%、Mo:0.004%、Al:0.012%、Cu :0.20%、N：149ppm、H:1.2ppm、O:14ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

（1）按照各成分混合物料，经过冶炼，浇铸成钢坯；钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1240℃的温度加热3h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化，得到加热后的钢坯；

（2）钢坯在辊道上经过高压水除鳞后去除钢坯氧化铁皮，除磷压力为20MPa；除磷后的钢坯直接进入往返式轧机，经过11道轧制成中间坯型150*180 mm，前4道单道次变形量≥20%；开坯轧制温度控制为990℃；

（3）中间坯出开坯机在连轧机前辊道待温空冷，在辊道上待温至870℃，待温时间5分钟，然后进行中间坯切头和切尾；

（4）待温处理后的中间矩形坯表面温度降至850℃后进入连轧机组，经过9道次轧制成75mm圆钢，终轧温度约在775℃；

（5）将步骤（5）连轧后的圆钢棒材出轧机后立即进入水冷系统（穿管）穿水冷却，采用三段穿水管穿水，控制第一段阀门开度20%，控制第二段阀门开度10%，控制第三段阀门开度4%，圆钢穿水结束后表面温度冷却至约414℃，从进第一段穿水管至出第五段穿水管时间为0.5分钟；

（6）圆钢进入横移编组系统移至锯切辊道进行锯切，此时圆钢表面反红温度至590℃，锯切后上冷床，随后下线进坑缓冷、精整、矫直工序、检测后入库。

本实施例1~3主要代替普通调质40Cr、45钢直切切削非调质钢的生产方法，所述棒材经过3段~5段穿水冷却；采用强冷-弱冷-强冷复合冷却，连轧之后棒材温度较高，使用强冷方式使棒材迅速降温，由于热量由高向低传递作用，使圆钢心部热量逐渐向表面传递，为了使圆钢心部热量尽可能多的传递到表面同时避免圆钢温度梯度大造成热应力，强冷后采取弱冷，使得冷却过程中预留较多的时间给心部进行热量传递，弱冷之后表面温度提高，再次用过采取强冷带走圆钢表面温度；如此强冷-弱冷-强冷交替反复，最终使心部温度和表面温度趋于一致，从而确保圆钢组织和力学性能均匀。

本发明设计成型工艺，以铁水和废钢为原料（铁水使用82%-85%，余量为废钢）；在具体操作过程中可分成连续多道工序，在第一支坯料进入连轧步骤后，第二支坯料可进入开坯轧制步骤，然后第二支坯料进入连轧步骤后，第三支坯料可进入开坯轧制步骤，以此类推；此种连续生产工艺方法，满足连铸坯-中间坯中间待温轧制工艺要求，抵消待温造成时间浪费，保证待温轧制与正常轧制的产能相近，提高待温轧制的生产效率。

上述实施例1制备的非调质钢，心部放大500倍的金相照片为铁素体和珠光体（图1所示），按照GB/T 6394标准实际晶粒度（100倍图2）评级为9~10级，晶粒度均匀细小，从心部到边缘级差不大于1.5级，心部到边缘力学性能均匀波动范围小，满足一般的机械加工要求，由心部到边缘的硬度差≤30HBW，可以有效的避免硬度变化大时对刀具加工产生不利的影响。

上述实施例1~ 3的力学性能数据见下表1。

表1 实施例1~3的力学性能数据

通过表1的屈服强度、抗拉强度、延伸率、延伸率、冲击值和表面硬度的数值可以看出，屈服强度不小于740 MPa的同时抗拉强度不小于930 MPa，实现强度与塑韧性的兼顾；本发明得到了一种强度、韧性、硬度、加工性各项性能优异的中、大规格直径直接切削用非调质钢。

本发明优化合金设计成分，在不增加硅含量的条件下，同时省去了常用的Nb；结合V、Ti等微合金元素的优化，降低了原材料的成本，微合金同时加入形成复合碳化物析出，碳化物析出尺寸小且析出温度宽泛，对奥氏体晶粒具有钉轧作用能有效阻止加热过程奥氏体晶粒长大，在轧制时能延缓再结晶过程；改善和增加材料的韧性，使得钢材的强度和韧性均得到大幅度提高。

结合半连轧控轧控冷技术，并在在开坯机前4道大变形量使钢坯铸态组织充分压碎奥氏体晶粒得到细化；连轧采用低温轧制，阻止奥氏体晶粒在结晶，有助于后续相变获得更细小的铁素体和珠光体组织，进一步结合本发明金相图片和晶粒度图片可以看出，本发明实现了大规格直径直接切削用非调质钢的高强韧性。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述均热段的加热时间为2~3h。

3.根据权利要求1所述的一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述高压水除磷的压力为20～30MPa。

4.根据权利要求1所述的一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述前4道单道次变形量≥20%。

5.根据权利要求1所述的一种大规格直接切削用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，所述穿水冷却具体方式为：经3-5段穿水冷却，控制每段阀门开度为4%~30%，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱；采用强冷-弱冷交替的方式，即相邻两段阀门的开度相差不小于5%。