CN113584390B

CN113584390B - 一种高强螺栓用圆钢及其制备方法

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Publication number: CN113584390B
Application number: CN202110887894.0A
Authority: CN
Inventors: 吴学兴; 刘年富; 钟寿军; 杨伟光; 胡昭锋; 邓湘斌; 钟芳华; 赵贺楠; 张正波; 董凤奎
Original assignee: Baowu JFE Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu JFE Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-08-03
Also published as: CN113584390A

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

一种高强螺栓用圆钢及其制备方法

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：

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：

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

1.一种高强螺栓用圆钢，其特征在于，按照重量百分比计，所述高强螺栓用圆钢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：0.53-0.55％，Al≤0.040％，Cu≤0.25％、Sn≤0.03％，0.02≤Ni≤0.10％，V+Ti+Nb+B≤0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质；

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3.75-3.83％，所述Cr和所述Mo的重量百分比的比值范围为5.90-6.09；

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；

所述高强螺栓用圆钢采用双缓冷工艺生产；

所述双缓冷工艺包括连铸后缓冷和轧制后缓冷；

所述连铸后缓冷：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℃；

所述轧制后缓冷：缓冷温度为415-563℃，缓冷时间≥48h。

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，所述高强螺栓用圆钢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：0.53-0.55％，Al：0.020-0.040％，Cu≤0.10％，0.02≤Ni≤0.10％、Sn≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.一种权利要求1-2中任一项的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：

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。

4.根据权利要求3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。

5.根据权利要求3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。

6.根据权利要求3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。

7.根据权利要求3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。

8.根据权利要求3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。