CN113151743B - 一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法及其应用 - Google Patents

一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法及其应用。冷镦钢盘条的主要化学成分范围为C：0.18～0.23％，Si：≤0.20％，Mn：1.50～1.80％，Nb：0.010～0.015％，Al：0.020～0.060％，P、S≤0.025％，Cr、Ni、Cu≤0.20％。本发明通过优化C、Mn、Nb等元素成分设计，结合制造方法，使热轧盘条显微组织中存在5％～10％的马氏体组织，有效提高了钢的屈强比和冷拉拔强化指数，使钢经过较小的拉拔减面率即可获得高的机械性能，并保持了良好的冷镦成型性能，实现了免调质热处理生产8.8级各类螺栓，显著降低了下游行业的加工成本。

Description

一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法及其应用
技术领域
本发明属于冷镦钢技术领域，涉及一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条，还涉及一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法及应用。
背景技术
冷镦钢行业通常将C含量<0.25％的冷镦钢成为低碳冷镦钢，将C含量0.25～0.48％的冷镦钢成为中碳冷镦钢。高强度冷镦钢通常是指用于生产8.8级以上的螺栓类产品或8级以上的螺母类产品，不同强度级别的紧固件需要选用不同的冷镦钢钢种，并采用不同的加工工艺。目前8.8级高强度紧固件用钢通常为中碳优质碳素结构钢或中碳合金钢，成品紧固件需进行淬火回火处理，特别是8.8级螺栓类产品，国内基本全部通过调质热处理来保证最终的机械性能。
而通常6.8级以下的紧固件多采用非热处理型中碳和低碳冷镦钢制造，成品紧固件无需淬火回火处理，但低碳冷镦钢由于强度偏低难以满足8.8级紧固件的要求；在现有技术中涉及一些低碳冷镦钢的研究，例如CN200710036254.9高强度紧固件用非调质双相冷镦钢及其制造方法，其虽然为低碳冷镦钢，但是其为双相钢，盘条金相组织由马氏体和铁素体组织组成，含有15～30％马氏体，较多实践中发现，当马氏体含量超过15％时，虽然有利于机械性能的保证，但是下游用户在螺栓装配后，螺栓在服役受力的过程中会出现脆性断裂的问题，这是由于马氏体比例太高导致的。CN202011100975.3一种高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条及其制备方法冷镦钢盘条元素组成按重量百分数计为C：0.16～0.18％，Si：≤0.20％，Mn：1.40～1.50％，P：≤0.008％，S：≤0.008％，Ti：0.05～0.06％，V：0.10～0.13％，Al：≤0.01％，N：60～90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，虽然也是低碳冷镦钢，但其生产出的盘条热轧强度太高，且冷拉拔后强度上升的过快，由于螺栓连接设计要求螺栓强度级别和被连接处需要匹配，否则会造成被连接处螺牙变形，发生连接失效，因此该强度的冷镦钢盘条不适合生产8.8级螺栓，也不能代替8.8级使用。
在实际应用中，为保证连接可靠性，8.8级螺栓的屈服强度通常为640～720Mpa、抗拉强度通常为800～900Mpa，屈强比≥0.8，为达到其要求，下游用户需要采用调质热处理。一方面，由于螺栓的螺杆部分几乎没有冷镦变形所产生的加工强化效应，为保证螺栓杆部的性能，要求冷拉拔后的钢丝强度及屈强比均要符合8.8级螺栓的要求。另一方面，热轧态原料强度和屈强比相对较低，要达到8.8级螺栓的要求需要大减面率的拉拔加工，通过加工强化提升屈服强度、抗拉强度和屈强比，但拉拔减面率的增加会显著降低拉拔后钢丝的冷镦性能，导致冷镦成型过程出现开裂。因此下游用户基本选择对拉拔后的钢丝进行退火处理或选择较小的拉拔减面率，而通过调质热处理的方式使螺栓获得高的机械性能，满足8.8级螺栓的要求。
开发一种热轧态拥有合适机械性能和良好塑性的冷镦钢盘条，使其经过较小的拉拔减面率机械性能就能达到8.8级螺栓的要求，实现免球化退火生产8.8级螺栓，是目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明通过优化C、Mn、Nb等元素成分设计，结合创意性控轧控冷方案，使热轧盘条显微组织中存在5％～10％的马氏体组织，有效的提高了钢的屈强比和冷拉拔强化指数，但使钢经过较小的拉拔减面率即可获得高的机械性能，并保持了良好的冷镦成型性能，实现了免调质热处理生产8.8级各类螺栓，显著降低了下游行业的加工成本。
一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于化学成分设计、转炉冶炼工序、LF精炼工序、RH真空精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序。下面对本发明的盘条制造方法做详细叙述。
化学成分设计：
本发明所述盘条化学成分设计按重量百分数计为C：0.18～0.23％，Si：≤0.20％，Mn：1.50～1.80％，Nb：0.010～0.015％，Al：0.020～0.060％，P、S≤0.025％，Cr、Ni、Cu≤0.20％。
本发明盘条成分相对于含Cr-Mo冷镦钢和含Cr冷镦钢，取消了Cr和Mo两个合金元素的使用，由于Cr、Mo都是对钢的显微组织转变影响显著的元素，取消其添加有利于对盘条进行轧后控冷。本发明盘条成分相对于含B冷镦钢取消了B元素的使用，更有利于盘条轧制后的显微组织控制。
综合来看，本发明盘条取消了Cr、Mo、B等提高热处理性能的传统合金元素，为后续采用控轧控冷控制组织转变，使盘条获得了精准的马氏体组织比例，有效的提高钢的屈强比和冷拉拔强化指数，并进一步实现免调质热处理生产8.8级各类螺栓提供了基本条件。
转炉冶炼工序：
转炉冶炼工序全程底吹氩搅拌，出钢温度≥1550℃，出钢碳控制在0.05％～0.10％范围内，同时出钢P、S≤0.010％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
LF精炼工序：
LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并使用铝线将Al含量一次调整到位；LF出站前10分钟加入铌铁至目标成分，LF精炼全程采用小搅拌操作，小搅拌是指搅拌气体流量为30～50L/min，搅拌气体为氩气。
RH真空精炼工序：
采用高真空度，并保证充足的处理时间，其中真高空度要求<60Pa，处理时间要求≥30min。RH破空后通过喂丝机喂入适量纯钙线，软吹时间≥10min。
方坯连铸工序：
方坯连铸工序中包使用覆盖剂覆盖，连铸中包采用整体式塞棒中包，中包使用时间不超过9小时，水口直径35mm，水口使用时间不超过7h，方坯连铸工序连铸过热度控制在20～35℃，执行拉速不高于1.50m/min慢节奏恒拉速控制；结晶器采用电磁搅拌，其中电流280±10A，频率3±0.2Hz；二冷采用弱冷配水模式，比水量0.50L/kg；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，保持0.6～0.9Pa的微正压。
盘条轧制工序：
盘条精轧机组采用760～800℃低温控轧，轧后780～800℃低温吐丝。轧后控制冷却分为两个阶段：第一阶段采用1.0～1.5℃/s的冷却速度冷却至280～300℃，随后开启风机，采用24.0～26.0℃/s的冷却速度将盘条冷却至常温。
盘条轧制工序的控轧控冷是获得稳定的过冷奥氏体组织比例，并最终获得常温下精准的马氏体比例的重要条件。热轧盘条显微组织中属于铁素体型钢，通过存在5％～10％的马氏体组织，有效的提高了钢的屈强比和冷拉拔强化指数，但使盘条经过较小的拉拔减面率即可获得高的机械性能，并保持了良好的冷镦成型性能。本发明将轧制后的冷镦钢热轧盘条经过冷拉拔、冷镦成型，无需调质热处理，生产得到的螺栓能达到8.8级的要求。
附图说明
图1为实施例1生产的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的显微组织图。
图2为实施例2生产的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的显微组织图。
图3为对比例6生产的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的显微组织图。
具体实施方式
本发明：低马氏体含量免调质冷镦钢盘条HS-8(Φ9.0mm)的具体成分如下：
Wt，％
C Si Mn P S Nb Cr、Ni、Cu Al
0.18-0.23 ≤0.20 1.50-1.80 ≤0.025 ≤0.025 0.010～0.015 ≤0.20 0.020～0.060
盘条制造流程：转炉冶炼工序—LF精炼工序—RH真空精炼工序—方坯连铸工序—盘条轧制。
实施例1
1、成分设计
化学成分设计按重量百分数计为C：0.19％，Si：0.08％，Mn：1.58％，Nb：0.012％，Al：0.029％，P：0.016％，S：0.014％，Cr：0.06％，Ni：0.03％，Cu：0.02％。
2、转炉冶炼
转炉加入炼钢原料(炼钢原料为铁水、生铁和废钢，其中生铁占炼钢原料总重的95％，废钢占炼钢原料总重的5％，炼钢原料的总装入量120t/炉)，冶炼转炉冶炼全程底吹氩搅拌，出钢温度1568℃，出钢C控制在0.06～0.08％，出钢P、S≤0.008％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
3、LF精炼
LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并使用铝线将Al含量一次调整到位；LF出站前10分钟加入铌铁至目标成分，LF精炼全程采用小搅拌操作。
4、RH真空精炼
采用高真空度，并保证充足的时间，其中高空度要求<60Pa，真空时间40min。RH破空后通过喂丝机喂入适量纯钙线，软吹时间15min。
5、方坯连铸
方坯连铸工序中包使用覆盖剂覆盖，连铸中包采用整体式塞棒中包，中包使用时间9小时，水口直径35mm，水口使用时间7h，连铸过热度控制在25～28℃。执行拉速1.50m/min恒拉速控制；结晶器采用电磁搅拌，其中电流280±10A，频率3±0.2Hz；二冷采用弱冷配水模式，比水量0.50L/kg；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，实际正压0.7～0.8Pa。
6、盘条轧制
盘条采用高速线材生产线轧制，轧后通过吐丝机吐丝成圈，进入斯太尔摩控冷线上控制冷却，其中盘条精轧机组实际低温控轧温度765～790℃，实际吐丝温度781～798℃。控制冷却方案分两个阶段进行：第一阶段控制冷却范围是前20个保温罩对应的控冷线区间，采用间隔开启保温罩的方案控制冷却，即1#、3#、5#...19#等奇数编号保温罩全部开启，而2#、4#、6#...20#等偶数编号保温罩全部关闭，第一阶段将盘条冷却至282～296℃，实际冷却速度1.2～1.35℃/s；第二阶段控制冷却范围是20#保温罩之后的斯太尔摩控冷线区域，这一阶段采用2台风机将盘条快速冷却至常温，风机风量分别为100％、95％，实际冷却速度25℃/s；其余轧制参数均采用常规工艺即可。
实施例2
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为化学成分设计按重量百分数计为C：0.22％，Si：0.11％，Mn：1.75％，Nb：0.014％，Al：0.036％，P：0.011％，S：0.008％，Cr：0.09％，Ni：0.02％，Cu：0.05％，其他条件同实施例1。
对比例1
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.16％，其他条件同实施例1。
对比例2
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.25％，其他条件同实施例1。
对比例3
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为Mn：1.30％，其他条件同实施例1。
对比例4
将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为Mn：1.90％，其他条件同实施例1。
对比例5
将实施例1步骤6中控制冷却方案替换为保温罩全部关闭，以1.2℃/s冷却速度冷却至常温，其他条件同实施例1。
对比例6
将实施例1步骤6中控制冷却方案替换为开启风机风冷，以25℃/s冷却速度冷却至常温，其他条件同实施例1。
本发明实施例与对比例盘条热轧态冷拉拔后(冷拉拔时，经过通过单道次拉拔，拉拔减面率控制为15％)，机械性能及冷顶锻性能如下表1：
表1
Figure BDA0003029205980000061
备注：1.冷拉拔后1/3冷顶锻性能合格，可满足8.8级螺栓的冷镦成型加工要求。
2.8.8级螺栓机械性能要求抗拉强度≥800MPa，屈服强度≥640Mpa，且屈强比≥0.8。
本发明实施例1、实施例2盘条显微组织检测结果如图1～图2，对比例6盘条显微组织检测结果如图3，显微组织检测标准为GB/T 13299。实施例1、实施例2盘条显微组织中马氏体比例均在5％～10％之间，其余显微组织为铁素体和珠光体。其中对比例1、3、5均是马氏体比例低于5％的，会导致冷拉拔后强度不足，无法满足8.8级螺栓的要求；对比例2、4、6是马氏体比例高于10％的，会导致冷拉拔后1/3冷顶锻开裂，也无法保证螺栓的冷镦成型。

Claims (5)

1.一种低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：所述冷镦钢盘条化学成分为：按重量百分数计为C：0.18~0.23%，Si：≤0.20%，Mn：1.50~1.80%，Nb：0.010～0.015%，Al：0.020～0.060%，P≤0.025%，S≤0.025%，Cr、Ni、Cu≤0.20%，其余为铁和不可避免的杂质；
制造方法包括转炉冶炼工序、LF精炼工序、RH真空精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序；
其中盘条轧制工序为：盘条经精轧机组采用760～800℃低温控轧，轧后780～800℃低温吐丝，轧后控制冷却分为两个阶段：第一阶段采用1.0～1.5℃/s的冷却速度冷却至280～300℃，随后开启风机，采用24.0～26.0℃/s的冷却速度将盘条冷却至常温，制造得到的盘条显微组织中存在5%~10%的马氏体组织；低马氏体含量免调质冷镦钢盘条，无需调质热处理，经过冷拉拔、冷镦成型生产8.8级螺栓。
2.根据权利要求1所述的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：转炉冶炼工序全程底吹氩搅拌，出钢温度≥1550℃，出钢碳控制在0.05%~0.10%范围内，同时出钢P≤0.010%、S≤0.010%；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金、增碳剂、渣料。
3.根据权利要求1所述的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并使用铝线将Al含量一次调整到位；LF出站前10分钟加入铌铁至目标成分，LF精炼全程采用小搅拌操作。
4.根据权利要求1所述的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：RH真空精炼工序，采用高真空度，并保证充足的时间，其中高真空度要求<60Pa，处理时间要求≥30min；RH破空后通过喂丝机喂入适量纯钙线，软吹时间≥10min。
5.根据权利要求1所述的低马氏体含量免调质冷镦钢盘条的制造方法，其特征在于：方坯连铸工序连铸过热度控制在20～35℃，执行慢节奏恒拉速控制，二冷采用中等强度冷却；连铸过程采用碱性覆盖剂，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，保持0.6~0.9Pa的微正压。
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