CN113584390A - 一种高强螺栓用圆钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明成分设计采用高Cr、低Mo以及低Ni的组合,经过双缓冷工艺,在连铸后缓冷时入坑温度为651‑678℃,减少铸坯内外表面温度梯度,避免了在冷却过程中产生的不均匀相变,从而避免了轧制后圆钢心部和表面开裂。在二次轧制后缓冷时的入坑温度控制在415‑563℃,实现扩氢退火的目的,避免了心部开裂、提高探伤合格率。采用本发明的成分比例以及配合本发明的制备过程和工艺参数,从而保证了所得圆钢的屈服强度≥900MPa,抗拉强度为1000‑1130MPa,冲击功≥160J;横截面碳偏析指数为0.95‑1.06。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域,尤其是一种高强螺栓用钢及其制备方法。
背景技术
随着能源、汽车、机械、建筑、轻工等行业的发展,对制造各类紧固件使用的材料提出了愈来愈高的要求,螺栓是机器制造中广泛使用的基础零件,随着机械、设备的大型化以及功率、转速的不断提高,螺栓内零件的工作应力显著增加,因此要求螺栓钢具有高强韧性能。
发明内容
本发明提供了一种螺栓用圆钢及其制备方法,以获得组织均匀、强度高、韧性良好的高强螺栓用圆钢。
本申请一方面提供一种螺栓用圆钢,按照重量百分比计,所述高强螺栓的成分包括以下元素:
C:0.20-0.28%,Si:0.17-0.37%,Mn:0.50-0.70%,P≤0.015%,S:≤0.010%,Cr:3.15-3.46%,Mo:0.53-0.65%,Al≤0.40%,Cu≤0.25%、 Sn≤0.03%,Ni≤0.10%,V+Ti+Nb+B≤0.035%,余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地,按照重量百分比计,所述高强螺栓的成分包括以下元素:
C:0.22-0.25%,Si:0.22-0.28%,Mn:0.60-0.68%,Cr:3.20-3.30%, Mo:0.53-0.62%,Al:0.020-0.040%,N:0.120-0.150%,Cu≤0.10%, Ni≤0.10%、Sn≤0.010%,余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地,按照重量百分比计,所述Cr和所述Mo的重量百分比之和的范围为3.75-3.96%,所述Cr和所述Mo的重量百分比的比值范围为5.3-6.5。
C(碳)是钢材中基本的强化和淬透性元素,是保证钢材硬度和强度的因素,当C含量过低,钢材的强度和硬度得不到保障,无法满足螺栓钢高强度的需求,但C含量过高,会导致钢材的延展性降低,材料的塑性和韧性也会降低。本发明按质量百分比计,采用的C含量为0.20-0.28%,优选地,C含量为0.22-0.25%;例如可以为0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、 0.25%、0.26%、0.27%、0.28%等。
Si(硅)是利用固溶作用保持钢材的强度和硬度的元素,当Si含量不足,钢材的硬度和强度得不到保障,无法满足螺栓钢高强度的需求,若Si含量过高,会导致钢材的延展性能和韧性降低。本发明按质量百分比计,采用的Si含量为0.17-0.37%,优选地,Si含量为0.22-0.25%;例如,可以为 0.17%、0.19%、0.21%、0.23%、0.25%、0.27%、0.29%、0.33%、0.35%等。
Mn(锰)通过与铁之间的固溶作用,从而提高铁素体和奥氏体的硬度和强度,同时,Mn能提高钢材的淬透性,进行增强钢材的拉伸强度。但是Mn含量过高,会导致钢材的塑性和硬度降低,且易在钢材凝固过程中产生中心偏析问题。本发明按质量百分比计,采用的Mn含量为0.50-0.70%,优选地,Mn含量为0.60-0.68%;例如,可以为0.50%、0.52%、0.56%、0.60%、0.62%、0.64%、0.66%、0.68%、0.70%等等。
P(磷)在钢材中有在钢液凝固时形成微观偏析,其含量增高,使钢材的冷脆性增加,在制备时,需严格控制P的含量。本申请中,本发明按质量百分比计,采用的P含量控制在0.015%以下。
S(硫)是一种易偏析的元素,在钢种与锰形成夹杂物MnS,在钢材中会降低钢材的延展性和韧性,在在制备时,需严格控制S的含量。本申请中,本发明按质量百分比计,采用的S含量控制在0.010%以下。
Cr(铬)在钢中以碳化物的形式存在,在钢中能增加淬透性和韧性,其耐氢催化性能强。在钢中,Cr含量不足,会导致钢的淬透性欠缺,强度降低,无法满足螺栓用钢的高强度需求,Cr含量的过高会生成贝氏体,钢材硬度均匀性会受到影响。本申请中,本发明按质量百分比计,采用的Cr 含量为3.15-3.46%,优选地,Cr含量为0.32-3.30%;例如,可以为3.15%、 3.20%、5.25%、5.30%、5.35%、5.40%、5.45%等等。
Mo(钼)是高淬透性和高热强性元素,可降低回火脆性敏感性,能提高回火条件下的抗拉强度。在Mo含量过高时,会导致淬透性过高,其冷加工性降低,含量不足时,其淬透性和热强性能减弱。本发明按质量百分比计,采用的Mo含量为0.53-0.65%;优选地,Mo含量为0.53-0.62%;例如,可以为0.53%、0.55%、0.57%、0.60%、0.63%、0.65%等等。
为了调和元素之间对钢的淬透性能和强度的影响,通过合理化Mo元素和Cr元素含量之间的关系,在降低Mo含量的同时增加Cr的含量,保持 Cr含量与Mo含量的和(Cr+Mo)为3.75-3.96%,Cr含量与Mo含量的比值 (Cr/Mo)为5.30-6.50。Mo元素和Cr元素含量之间的合理调控,使螺栓用钢保持高淬透性和高强度的同时,还能避免韧性降低和回火脆性增强对钢材性能的影响。
Al(铝)在钢中起到脱氧剂的作用,可提高钢的抗氧化性,此外,通过与N形成AlN质点,细化晶粒,从而提高钢的韧性。当Al的含量不足时,钢的抗氧化性能不足,当Al的含量过高,生成的夹杂物含量增大,同时会降低连铸时的流动性,产生裂纹。本发明按质量百分比计,采用的Al含量≤0.40%,优选地,Al含量为0.020-0.040%;例如,可以为0.010%、0.020%、 0.030%、0.040%等等。
Cu(铜)是淬透性元素,在钢中加入适量Cu能使钢的淬透性提高,此外,由于Cu的电极作用,可增强钢的耐蚀性。Cu含量过高,会导致钢的淬透性能过高,冷加工性能降低。本发明按质量百分比计,采用的Cu量≤ 0.25%,优选地,Cu含量为≤0.10%;例如,可以为0.05%、0.08%、0.10%、 0.15%、0.25%等等。
Sn(锡)能提高钢的耐腐蚀性,但Sn含量过高,会在晶界偏聚,削弱晶界的结合力,使钢的回火脆性增加。本发明按质量百分比计,采用的Sn 的含量≤0.030%,优选地,Sn的含量≤0.010%;例如,可以为0.0050%、 0.010%、0.020%、0.030%等等。
Ni(镍)与铁形成固溶体,扩大相区,细化晶粒,同时,也能提高钢的淬透性和韧性,但是Ni含量过高不仅会增加成本,也会使钢的淬透性过高,冷加工性能变差。在本发明中,Cr和Mo的含量的相互适应,使得螺栓用钢的淬透性、强度处于较高状态,在保证性能的前提下,避免过高的淬透性带来的影响,同时降低成本,本发明按质量百分比计,采用的Ni的含量≤0.10%。
在保证螺栓用钢的强度、韧度的前提下,增加V(钒)、Ti(钛)、Nb (铌)、B(硼)等元素,细化晶粒,进一步提高钢的韧性。这些元素的含量不宜过高,处于较低水平,含量过高不仅会提高生产成本,同时,生成的碳化物粗大,降低冷加工性能,韧性降低。本发明按质量百分比计, V、Ti、Nb、B含量之和控制在0.035%之下。
进一步地,经900℃淬火,680℃回火后,所述圆钢的屈服强度≥900MPa,抗拉强度为1000-1130MPa,冲击功≥160J;横截面碳偏析指数为0.95-1.06。
进一步地,所述圆钢按GB/T 4162A级探伤,超声波合格率≥97%;漏磁按0.2*0.2*20mm探伤,合格率≥95%。
本申请的另一方面是提供一种高强螺栓用圆钢的生产工艺,所述生产工艺采用双缓冷工艺,包括连铸后缓冷和轧制后缓冷;
所述生产工艺的具体步骤为:
S1:转炉冶炼;
S2:炉外精炼:
S3:大方坯连铸:将钢水过热度控制在15-30℃,采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、静态轻压下联合控制;
S4:连铸后缓冷:连铸坯进入缓冷坑温度为651-678℃,保温时间为 75-86h,出坑温度为150-190℃;
S5:加热轧制:连铸坯在加热炉预热后,由高温段轧制;
S6:轧制后缓冷:缓冷温度为415-563℃,缓冷时间≥48h;
S7:退火。
详细地,在S2步骤中,炉外精炼包括脱氧、脱气、软吹工序:LF精炼取初样后、出站前分别喂入硅钡丝200m,共400m硅钡丝进行沉淀脱氧;对钢水进行真空脱气处理,在小于0.266kPa真空度以下处理时间21min以上;复压后,喂100m纯钙线进行Ca处理,同时弱搅拌镇静,软吹氩时间大于20min,保证夹杂物充分上浮。
详细地,S3步骤中为减少成分偏析,降低对齿轮横截面成分、组织均匀性的影响。将钢水过热度控制在15-30℃,采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、静态轻压下联合控制铸坯从表到里的成分均匀性。其中,结晶器电磁搅拌参数控制为200A±5A/2.5Hz、末端电磁搅拌参数控制为 150A±10A/3.5Hz,轻压下12mm,由此来控制钢的横截面成分偏析。
更详细地,本申请中所涉及的钢中,Cr和Mo为碳化物形成元素,易使奥氏体过冷能力增强,同时可起到固溶强化及析出强化的作用,采用较强的结晶器电磁搅拌强度,可改善合金偏析。而结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌过高,会造成心部负偏析严重、铸坯或圆钢在冷却和升温过程中,组织应力加剧,导致圆钢心部开裂,超声波探伤不合格。
进一步地,在S4步骤中,在连铸坯进入缓冷坑缓冷之前,为了避免缓冷坑内部温度过低,使连铸坯进入缓冷坑后迅速降温,缓冷坑需用45钢进行烘坑,烘坑时间在6h以上。烘坑结束后,将连铸坯送入缓冷坑中,入坑温度为650-678℃,经过75-86h,连铸坯缓冷结束,出坑温度为150-190℃。
更详细地,本发明涉及的螺栓用钢由于其碳含量相对较低,Cr、Mo等合金含量高,裂纹敏感性强,当连铸坯急冷急热易加重连铸坯表面应力,导致材料开裂,铸坯重新加热后裂纹会延伸,造成材料报废。通过将连铸坯送入缓冷坑缓冷,可以减少铸坯内外表面温度梯度,避免在冷却过程中产生不均匀相变,形成较大的组织应力和热应力,从而避免了轧制后圆钢心部和表面开裂。
进一步地,在S5步骤中,连铸坯在加热炉预热后,由高温段轧制。连铸坯在加热炉预热段的预热温度为580-780℃,钢坯在预热段均衡步进,所述步进速度≥6分/步,停留时间≥120min,铸坯的升温速率≤8℃/min。所述高温段由二加热段和均热段两个阶段进行,所述高温段的温度为 1220-1240℃,铸坯在所述高温段的在炉时间为180-260min。
更详细地,较高的加热温度和高温时间,使钢中Cr、Mo等合金成分得到扩散,使得钢的成分组织充分均匀,减少轧制冷却过程的组织应力,从而提高探伤合格率。
进一步地,在S6步骤中,由于本申请所涉及到的螺栓用钢的Cr、Mo等合金含量高,轧制后,产生的氢气容易聚集于心部,这导致应力集中于塑性较差的心部,造成心部开裂。将轧制后的圆钢送进缓冷坑进行第二次缓冷,能达到扩氢退火的目的,避免心部开裂,提高超声波探伤合格率。
进一步地,缓冷温度控制在415-563℃,当温度大于563℃时,圆钢的强度低,在吊运过程中弯曲严重,无法进矫直机矫直而报废,当温度低于 415℃,达不到扩散去氢效果。
进一步地,轧制后缓冷出坑后,72h内进台车炉进行退火,经退火处理来降低圆钢表面组织应力,避免表面开裂,提高探伤合格率。
与现有技术相比,本发明成分设计采用高Cr、低Mo以及低Ni的组合,经过双缓冷工艺,在连铸后缓冷时入坑温度为651-678℃,减少铸坯内外表面温度梯度,避免了在冷却过程中产生的不均匀相变,从而避免了轧制后圆钢心部和表面开裂。在二次轧制后缓冷时的入坑温度控制在651- 678℃,实现扩氢退火的目的,避免了心部开裂、提高探伤合格率。采用本发明的成分比例以及配合本发明的制备过程和工艺参数,从而保证了所得圆钢的屈服强度≥900MPa,抗拉强度为1000-1130MPa,冲击功≥160J;横截面碳偏析指数为0.95-1.06。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
需要说明的是,本发明中的“和/或”,如“特征1和/或特征2”,均是指可以单独地为“特征1”、单独地为“特征2”、“特征1”加“特征2”,该三种情况。
另外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是指两个及两个以上;“数值a~数值b”的范围包括两端值“a”和“b”,“数值a~数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。
下面对本发明实施例的螺栓用圆钢及其制备方法进行具体说明。
实施例1:
一种螺栓用圆钢,按照重量百分比计,所述高强螺栓的成分包括以下元素:
C:0.23%,Si:0.25%,Mn:0.65%,P:0.014%,S:0.003%,Cr: 3.29%,Mo:0.54%,Al:0.035%,Cu,Sn,Ni,V+Ti+Nb+B=0.035%,余量为Fe及不可避免的杂质。
优选地,按照重量百分比计,所述Cr和所述Mo的重量百分比之和 3.83%,所述Cr和所述Mo的重量百分比的比值为6.09。
一种高强螺栓用圆钢的生产工艺,将上述得到的螺栓钢原料进行生产制备,具体步骤为:
S1:转炉冶炼;
S2:炉外精炼:
S3:大方坯连铸:将钢水过热度控制在15-30℃,采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、静态轻压下联合控制;
S4:连铸后缓冷:连铸坯进入缓冷坑温度为678℃,保温时间为78h,出坑温度为150-190℃;
S5:加热轧制:连铸坯在加热炉预热段的预热温度为760℃,钢坯在预热段均衡步进,所述步进速度为6min/步;
S6:轧制后缓冷:缓冷温度为550℃,缓冷时间为50h;
S7:退火:出坑36h内进台车炉进行去应力退火。
实施例2-4
实施例2-4与实施例1基本相同,都是依据铁基合金粉末的元素比例进行原料称重,经过S1-S7步骤制备,得到实施例2-4的具体元素比例以及工艺参数参见表1和表2。
对比例1-6:
对比例1-5与实施例1基本相同,相较于实施例1,其主要区别在于Cr、 Mo、Ni以及V+Ti+Nb+B的含量,对比例1-6的具体元素比例以及工艺参数参见表1。
对比例7-16:
对比例7-16与实施例1基本相同,相较于实施例1,其主要区别在于工艺参数的调整,对比例7-16调整的具体工艺参数参见表2。
以上实施例1-5和对比例1-16的具体数值汇总如表1和表2。
表1高强螺栓用钢的化学组成成分(wt%)
表2高强螺栓用钢主要生产工艺参数
表3高强螺栓用钢性能及探伤合格率情况
对实施例1-5和对比例1-16进行如下性能测试:
(1)圆钢性能:包括屈服强度测试、抗拉强度测试、冲击功测试;
(2)圆钢弯曲度:
(3)漏磁探伤合格率;
(4)超声波探伤合格率;
表4高强螺栓用钢性能及探伤合格率情况
实施例1-4中,按照重量百分比,各元素的含量的范围均在以下数值之内:
C:0.20-0.28%,Si:0.17-0.37%,Mn:0.50-0.70%,P≤0.015%,S:≤0.010%,Cr:3.15-3.46%,Mo:0.53-0.65%,Al≤0.40%,Cu≤0.25%、 Sn≤0.03%,Ni≤0.10%,V+Ti+Nb+B≤0.035%,余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地,所述Cr和所述Mo的重量百分比之和的范围为3.75-3.96%,所述Cr和所述Mo的重量百分比的比值范围为5.3-6.5。
根据实施例1-4通过用钢成分、双缓冷工艺所得圆钢的屈服强度≥900MPa,抗拉强度为1000-1130MPa,冲击功≥160J;横截面碳偏析指数为0.95-1.06。强度高、冲击韧性好、成材率高,能够满足高强螺栓技术要求。
对比例1中Cr含量不足;对比例2中Cr含量过高;对比例3中Mo不足;对比例4中Mo含量过高,均使Cr和Mo的比例失衡,无法有效控制钢的强度和韧性。
对比例5相较于实施例1,Ni含量过高,无法与Cr和Mo的含量的相互适应,使得钢的淬透性过高,韧性降低,无法获得高强度高韧性的螺栓用钢。
对比例6相较于实施例1,V+Ti+Nb+B含量过高,导致生成的碳化物粗大,降低冷加工性能,韧性降低,无法获得高强度高韧性的螺栓用钢。
对比例7相较于实施例1,采用单缓冷工艺,仅通过轧制后缓冷,由于没有经过铸坯缓冷,急冷急热使得轧制后圆钢心部和表面开裂,探伤合格率低。
对比例8相较于实施例1,采用单缓冷工艺,仅铸坯缓冷,在轧制后产生的氢气聚集于心部,无法通过轧制后缓冷工艺实现扩氢退火的目的,导致心部开裂,探伤合格率低。
对比例9相较于实施例1,不采用缓冷工艺,探伤合格率低,心部有裂纹。
对比例10-11相较于实施例1,调整了铸坯缓冷时的入坑温度,分别低于其限定的下限值和上限值,导致圆钢弯曲严重,且探伤合格率低。
对比例12-13相较于实施例1,调整了轧制后的入坑温度,分别低于其限定的下限值和上限值,当低于下限值时,圆钢弯曲极其严重,报废;当高于上限值时,由于温度过高,圆钢内部产生裂纹。
对比例14相较于实施例1,调整了轧制后缓冷结束后,出坑去退火的时间,当出坑后73小时后再去退火,导致圆钢弯曲严重,探伤合格率低。
对比例15-16相较于实施例1,调整了在加热轧制过程中预热段的温度,分别低于其限定的下限值和上限值,结果表明,当温度低于下限值580℃时,当温度高于上限值780℃时,探伤合格率低。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种高强螺栓用圆钢,其特征在于,按照重量百分比计,所述高强螺栓的成分包括以下元素:
C:0.20-0.28%,Si:0.17-0.37%,Mn:0.50-0.70%,P≤0.015%,S:≤0.010%,Cr:3.15-3.46%,Mo:0.53-0.65%,Al≤0.040%,Cu≤0.25%、Sn≤0.03%,Ni≤0.10%,V+Ti+Nb+B≤0.035%,余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强螺栓用圆钢,其特征在于,按照重量百分比计,所述高强螺栓的成分包括以下元素:C:0.22-0.25%,Si:0.22-0.28%,Mn:0.60-0.68%,Cr:3.20-3.30%,Mo:0.53-0.62%,Al:0.020-0.040%,Cu≤0.10%,Ni≤0.10%、Sn≤0.010%,余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的高强螺栓用圆钢,其特征在于,按照重量百分比计,所述Cr和所述Mo的重量百分比之和的范围为3.75-3.96%,所述Cr和所述Mo的重量百分比的比值范围为5.3-6.5。
4.根据权利要求3所述的高强度螺栓用圆钢,其特征在于,经900℃淬火,680℃回火后,所述圆钢的屈服强度≥900MPa,抗拉强度为1000-1130MPa,冲击功≥160J。
5.一种高强螺栓用圆钢的生产工艺,其特征在于,所述生产工艺采用双缓冷工艺;
所述双缓冷工艺包括连铸后缓冷和轧制后缓冷;
所述生产工艺的具体步骤为:
S1:转炉冶炼;
S2:炉外精炼:
S3:大方坯连铸:将钢水过热度控制在15-30℃,采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、静态轻压下联合控制;
S4:连铸后缓冷:连铸坯进入缓冷坑温度为651-678℃,保温时间为75-86h,出坑温度为150-190℃;
S5:加热轧制:连铸坯在加热炉预热后,由高温段轧制;
S6:轧制后缓冷:缓冷温度为415-563℃,缓冷时间≥48h;
S7:退火。
6.根据权利要求5所述的生产工艺,其特征在于,所述S3步骤中,结晶器电磁搅拌参数控制为200A±5A/2.5Hz、末端电磁搅拌参数控制为150A±10A/3.5Hz,轻压下12mm。
7.根据权利要求5所述的生产工艺,其特征在于,所述S4步骤中,铸坯进入缓冷坑之前,缓冷坑利用45钢进行烘坑,烘坑时间大于等于6h。
8.根据权利要求7所述的生产工艺,其特征在于,所述S5步骤中,连铸坯在加热炉预热段的预热温度为580-780℃,钢坯在预热段均衡步进,所述步进速度≥6分/步,停留时间≥120min,铸坯的升温速率≤8℃/min。
9.根据权利要求8所述的生产工艺,其特征在于,所述S5步骤中,所述高温段由二加热段和均热段两个阶段进行,所述高温段的温度为1220-1240℃,铸坯在所述高温段的在炉时间为180-260min。
10.根据权利要求9所述的生产工艺,其特征在于,在所述S6步骤中,轧制后缓冷出坑后,72h内进台车炉进行退火。
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