CN113621882A - 一种中碳非调质钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种中碳非调质钢及其制备工艺，属于钢铁生产技术领域。本申请通过限制Al、Nb、Ti的含量，精确控制V、N含量以及将Σ(Al+Nb+V+Ti)/N比值控制为6‑9之间，使钢中形成合适含量且弥散析出的Al、Nb、V、Ti等的碳化物、氮化物，从而可以细化晶粒，在确保钢材强韧性的同时，减少钢材的脆性开裂，提高表面质量。本申请通过制备过程多流程节点工艺的精确控制，可以减少中碳非调质钢的内部应力，减小裂纹敏感性。

Description

一种中碳非调质钢及其制备方法
技术领域
本申请涉及钢铁生产技术领域，尤其涉及一种中碳非调质钢及其制备方法。
背景技术
中碳非调质钢属于高强度钢，其在汽车等领域具有广泛的应用。现有技术中，对中碳非调质钢的关注侧重于其力学性能，例如为了提高中碳非调质钢的强韧性，往往在钢中添加一些固溶强化元素(Si、Mn等)及细化晶粒元素(如Al、V、Nb、Ti等)，通过固溶强化、细晶强化等方式提高钢的强度和韧性。但是，细晶元素与钢中的C、N元素结合，会大幅度提高钢的裂纹敏感性，导致钢的表面裂纹发生率要远高于常规钢材。此外，生产过程中，含N及V、Nb等细化晶粒元素的连铸坯加热温度过高或加热不均以及较低温度轧制等，容易产生较大的热应力或组织应力造成轧件表面出现裂纹，而表面的裂纹的出现将严重影响中碳非调质钢的应用。
目前，对于中碳非调质钢的表面裂纹缺陷的研究较少。因此，亟需开发一种新型的中碳非调质钢，并通过工艺的精确调控，减少中碳非调质钢的表面开裂现象。
发明内容
本申请的第一目的在于提供一种中碳非调质钢，使得该中碳非调质钢在保证足够的强韧性时，能够有效解决在加工过程中容易出现的表面开裂问题。
本申请提供一种中碳非调质钢，其化学成分按照质量百分比计为：C 0.37-0.44％、Si0.17-0.37％、Mn 0.85-1.30％、P≤0.015％、S 0.004-0.015％、Cr 0.11-0.19％、0＜Ti≤0.020％、0＜Nb≤0.020％、V 0.07-0.14％、0＜Al≤0.035％、Ni≤0.01％、N 0.012-0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，Σ(Al+Nb+V+Ti)/N为6-9。
优选地，钢中Ti、Nb、V、Al、N的含量可以进一步为：0＜Ti≤0.005％、0＜Nb≤0.005％，V 0.07-0.10％，0＜Al＜0.015％、N 0.012-0.016％。
优选地，钢中的Mn含量进一步控制为1.15-1.25％。
在本申请的具体实施方式中，非调质钢的表面漏磁初检合格率为90％以上。
本申请的第二方面是提供一种中碳非调质钢的制备方法，其按前述的化学成分调制钢水，依次进行转炉冶炼、LF炉精炼、连铸以及轧制，连铸过程中，控制连铸方坯的尺寸为280-320mm×280-320mm。
在本申请的具体实施方式中，连铸过程中，二冷水的比水量控制在0.26±0.02L/kg。
在本申请的具体实施方式中，冷却水采用四段式控制，后两段的冷却水总量占总二冷却水量≤30％，第四段的冷却水量占总二冷却水量≤15％。
在本申请的具体实施方式中，连铸后的连铸坯入坑缓冷，入坑温度≥750℃，出坑温度＜200℃，且在坑时间≥96h。
在本申请的具体实施方式中，轧制时采用四段加热，分为预热段、一加热段、二加热段和均热段，控制二加热段温度和均热段温度为1220±20℃，二加热段和均热段的加热总时间为140-320min。
在本申请的具体实施方式中，所述轧制工艺中，在粗轧阶段，控制道次压下率，单道次≤15％；轧制过程中，将轧机冷却水控制在80±15m3/h。
本申请与现有技术相比，其有益效果为：通过限制Al、Nb、Ti的含量，以及精确控制V、N的含量和Σ(Al+Nb+V+Ti)/N比值，可以在确保中碳非调质钢具有良好强韧性的同时，避免钢材脆性开裂；进一步地，通过制备过程多流程节点工艺的精确控制，可以减少中碳非调质钢的内部应力，减小裂纹敏感性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1的中碳非调质钢轧制后的表面宏观照片；
图2为对比例1的中碳非调质钢轧制后的表面宏观照片；
图3为对比例2的中碳非调质钢轧制后的表面微观照片；
图4为对比例3的中碳非调质钢轧制后的表面微观照片。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。以下“％”均指质量百分比。
本实施例提供一种中碳非调质钢，其化学成分按照质量百分比计为：C0.37-0.44％、Si0.17-0.37％、Mn 0.85-1.30％、P≤0.015％、S 0.004-0.015％、Cr 0.11-0.19％、0＜Ti≤0.020％、0＜Nb≤0.020％、V 0.07-0.14％、0＜Al≤0.035％、Ni≤0.01％、N 0.012-0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，Σ(Al+Nb+V+Ti)/N为6-9。
C是保证钢中的主要强化元素，C含量太低会减少珠光体的含量，从而降低强度、提高韧性，影响中碳非调质钢的强韧性。对此，C含量需在0.37％以上。而C含量太高将对钢的疲劳性能、切削加工性能等带来不利的影响。对此，C含量应控制在0.44％以下。因此，本申请中C含量为0.37-0.44％。其中，C含量可以为0.38％、0.39％、0.40％、0.41％或0、42％或0.43％。
Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形式存在于铁素体中，即具有显著的固溶强化铁素体、降低其塑性的作用；但是过高的Si含量将恶化钢的热加工性和锻件表面质量。因此，本申请中硅含量为0.17-0.37％。其中，Si含量可以为0.17％、0.20％、0.23％、0.25％、0.28％、0.30％、0.35％或0.37％。
Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，是保证中碳非调质钢使用强度所必需的成分，同时，为了充分发挥钢中VN、VC、V(C,N)的析出强化作用，需要增大这些第二项在奥氏体中的溶解度或降低其在奥氏体中的溶解温度，提高钢中的Mn含量有利于降低第二相的在奥氏体中的溶解温度，有利于第二相的充分溶解，增大轧制过程中的V(C、N)在晶界中的弥散析出量，从而提高钢材的强度。因此，将Mn含量控制在0.85-1.30％，优选地控制在1.15-1.25％。其中，Mn含量可以为0.85％、0.90％、1.0％、1.10％、1.15％、1.20％、1.25％或1.30％。
P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在高温加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。因此，本申请中P的含量控制为≤0.015％。其中，P含量可以为0.014％、0.013％、0.012％、0.011％、0.01％、0.009％或者更低。
S与Mn形成细小、分散分布的MnS改善钢的切削加工性。S含量过高将恶化钢的热加工性，因而本申请中S含量控制为0.004-0.015％。其中，S的含量可以为0.004％、0.006％、0.008％、0.010％、0.012％或0.015％。
Cr在钢中可以增加淬透性，并改善钢的力学性能，但是Cr含量过高，会恶化钢的切削加工性能。因此，本申请中Cr的含量为0.11-0.19％，具体地，可以为0.11％、0.13％、0.15％、0.17％或0.19％。
Nb、V、Ti、Al都是强碳化物和氮化物形成元素，主要表现在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大。本发明人对中碳非调质钢进行研究发现，含Nb钢的连铸坯容易产生角裂或表面裂纹，质量控制难度大，而且对加热温度、轧制温度窄带化要求高，控制不好容易产生混晶；Ti在连铸冷却时比较容易形成微米级别的大尺寸TiN，有效利用率低，所以只添加少量(≤0.020％)或者不加；Al在炼钢过程比如容易与钢中氧反应，收得率不稳定，有效的Al不稳定，导致只采用Al对高N的固化效果容易造成波动，同时AlN析出温度较低，对轧钢温度要求较低，不利于轧钢生产；而V总体来说在连铸冷却过程形成很少碳化物和氮化物，即使产生尺寸也较小，而在轧制大量析出的温度范围较宽，有利于加热、轧钢生产。
因此，本申请主要通过添加V，并且控制Nb、Ti、Al的含量。本申请中V的含量为0.07-0.14％，优选地，V的含量为0.07％-0.10％，具体地，V的含量可以为0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％或0.14％。本申请中，0＜Ti≤0.020％、0＜Nb≤0.020％、0＜Al≤0.035％，优选地，0＜Ti≤0.005％、0＜Nb≤0.005％、0＜Al＜0.015％。
Ni是非碳化物形成元素，固溶于钢中，可以提高淬透性并降低共析点C含量，但是Ni含量过高，钢的成本增加。本申请中Ni元素含量Ni≤0.01％。
N：添加N是为了保证非调质钢中V、Nb、Ti、Al的沉淀强化和锻造后获得最佳的强韧性能。但是，如果N含量过高，尤其是如果N含量与V、Nb、Ti、Al的总含量不匹配时，N容易在结晶固溶，导致钢材脆性开裂。因此，本申请中N的含量为0.012-0.018％，优选地，N的含量为0.012-0.016％。其中，N的含量可以为0.012％、0.013％、0.014％、0.015％、0.016％、0.017％或0.018％。
在上述技术方案中，通过精确控制组分的含量，尤其是通过限制Al、Nb、Ti的含量，精确控制V的含量，能够在钢中形成合适含量的弥散析出的Al、Nb、V、Ti等的碳化物、氮化物，从而可以细化晶粒，提高钢的强韧性。同时，为了进一步确保碳氮化物能够弥散析出，将Σ(Al+Nb+V+Ti)/N比值控制为6-9之间，在该区间范围内，既能够保证钢中的Al、Nb、V、Ti被消耗，又能避免过多的N在晶界中固溶，从而减少钢材的脆性开裂。
本申请的第二方面是提供一种中碳非调质钢的制备方法，其按前述的化学成分调制钢水，依次进行转炉冶炼、LF炉精炼、连铸以及轧制，连铸过程中，控制连铸方坯的尺寸为280-320mm×280-320mm，例如方坯的尺寸可以为280mm×280mm，290mm×290mm，300mm×300mm，310mm×310mm或320mm×320mm。
在上述实施方式中，使用方坯而不使用矩形坯，可以抑制矩形坯加热过程，各向加热均匀性不一致，产生热应力形成内裂；并且进一步抑制矩形坯轧制过程的各方向变形不一致，导致在角部应力集中产生裂纹。
在本申请的具体实施方式中，连铸过程中，二冷水的比水量控制在0.26±0.02L/kg，冷却水采用四段式控制，后两段的冷却水总量占总二冷却水量≤30％，第四段的冷却水量占总二冷却水量≤15％。示例性地，二冷水的比水量为0.24L/kg、0.25L/kg、0.26L/kg、0.27L/kg或0.28L/kg。
在上述实施方式中，由于高氮钢连铸冷却太快，尤其是铸坯角度冷却速度太快，容易产生表面裂纹或角裂，因此要严格控制铸坯二冷水流量和铸坯的冷却速度，采用弱冷方式，控制二冷水比水量和各段二冷水的比例，可以最大程度减少连铸过程中的铸坯表面裂纹。
在本申请的具体实施方式中，连铸后的连铸坯入坑缓冷，入坑温度≥750℃，出坑温度＜200℃，且在坑时间≥96h。
通过铸坯入坑缓冷的方式，控制入坑温度下限和出坑温度上限，并且保证在坑时间，使铸坯的内部应力得到充分释放，避免应力开裂。
在本申请的具体实施方式中，轧制时采用四段加热，分为预热段、一加热段、二加热段和均热段，控制二加热段温度和均热段温度为1220±20℃。例如，二加热段温度和均热段温度为1200℃、1210℃、1220℃、1230℃或1240℃。二加热段和均热段的加热总时间为140-320min，例如，140min，180min，220min，260min，300min或320min。
在上述实施方式中，由于钢中含有较高的V和N，为确保连铸过程中析出的VC、VN、V(C,N)析出相重新充分溶解于奥氏体中，抑制析出相的偏聚、降低轧制过程应力集中开裂的几率，需要提高加热温度，将二加热段温度和均热段温度设置为1220±20℃，可以有效避免轧制开裂。
在本申请的具体实施方式中，所述轧制工艺中，在粗轧阶段，控制道次压下率，单道次≤15％；轧制过程中，将轧机冷却水控制在80±15m3/h。
综上所述，本技术方案通过限制Al、Nb、Ti的含量，以及精确控制V、N的含量和Σ(Al+Nb+V+Ti)/N比值，可以在确保中碳非调质钢具有良好强韧性的同时，避免钢材脆性开裂；进一步地，通过制备过程多流程节点工艺的精确控制，可以减少中碳非调质钢的内部应力，减小裂纹敏感性。通过这些调整，中碳非调质钢的表面漏磁初检合格率为90％以上，抗拉强度大于800MPa。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的描述。
实施例1
本实施例提供一种中碳非调质钢，主要通过以下步骤制备：
中碳非调质钢的成分包括：C 0.37％、Si0.32％、Mn 1.24％、P 0.010％、S0.004％、Cr 0.12％、Ti 0.003％、Nb 0.002％、V 0.09％、Al 0.014％、Ni 0.001％、N0.0134％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，Σ(Al+Nb+V+Ti)/N为8.1。
将上述成分制得的钢水依次进行转炉冶炼、LF炉精炼、连铸以及轧制。控制连铸方坯的尺寸为280mm×280mm，连铸生产中二冷水的比水量0.27L/kg，连铸坯入坑温度772-831℃，在坑冷却时间106h，出坑温度145℃，轧制前进行铸坯加热，其中二加热段温度：1221-1234℃，均热段温度1213-1223℃，高温段总时间为158min，粗轧阶段的单道次压下率为13％，轧机冷却水控制在90m3/h，从而获得本技术方案中的中碳非调质钢。
实施例2-3以及对比例1-4的化学成分及工艺参数见表1和表2，表中未提及的内容与实施例1相同。
表1实施例和对比例的中碳非调质钢的化学成分
熔炼成分 C Si Mn P S V Cr Ni Ti Nb Al N Σ(Al+Nb+V+Ti)/
实施例1 0.37 0.32 1.24 0.010 0.004 0.09 0.12 0.001 0.003 0.002 0.014 0.0134 8.1
实施例2 0.40 0.24 1.17 0.009 0.011 0.07 0.18 0.002 0.002 0.001 0.021 0.0145 6.5
实施例3 0.43 0.26 1.20 0.014 0.007 0.10 0.14 0.001 0.003 0.001 0.008 0.0127 8.8
对比例1 0.38 0.25 1.21 0.008 0.005 0.08 0.15 0.001 0.002 0.002 0.019 0.0125 8.2
对比例2 0.42 0.33 1.18 0.013 0.008 0.12 0.13 0.002 0.018 0.001 0.026 0.0158 10.4
对比例3 0.41 0.27 1.23 0.012 0.012 0.10 0.19 0.001 0.003 0.001 0.011 0.0144 8.0
对比例4 0.40 0.29 1.17 0.014 0.010 0.08 0.14 0.001 0.001 0.002 0.011 0.0153 6.2
表2实施例和对比例的中碳非调质钢的主要生产工艺参数
Figure BDA0003207820010000081
对实施例和对比例的中碳非调质钢进行检测。其中，用全自动漏磁探伤机检测每支圆钢的表面，按表面缺陷深度不超过0.30mm的标准进行表面质量检测；然后，分别按照GB/T228和GB/T229规定方法检验钢材轧后状态的纵向的拉伸和冲击性能。检测结果如表3和表4所示。
表3中碳非调质钢的表面质量检测结果
序号 圆钢规格/mm 圆钢表面漏磁初检合格率
实施例1 85 94.2％
实施例2 125 91.3％
实施例3 110 93.7％
对比例1 130 51.2％
对比例2 120 68.4％
对比例3 105 76.4％
对比例4 80 64.5％
表4中碳非调质钢的拉伸、冲击性能检测结果
Figure BDA0003207820010000091
图1为本方案实施例1轧制后的钢材，可以看出，与对比例相比，本方案实施例的提供的中碳非调质钢具有良好的表面质量。由表3和表4可知，不同尺寸规格的圆钢经过表面漏磁初检后的合格率可以达到90％以上，而且其纵向拉伸性能和室温冲击性能与对比例相当。
而对比例中，由于其钢材成分或者制备工艺与实施例不同，因此，其轧制后的表面可以看到明显的裂纹。如图2所示，其为对比例1的钢材轧制后的表面，对比例1在轧制过程中，没有采用方坯，而是采用矩形坯，从而导致连铸过程中坯料的冷却不均匀，导致表面质量差。对比例2的钢材组分含量中，Σ(Al+Nb+V+Ti)/N比值为10.4，超出了本技术方案的范围，导致表面质量较差，其轧制后的钢材表面如图3所示；对比例3在连铸后直接进行空冷，而没有进入缓冷坑中冷却，导致表面产生较多裂纹缺陷，其轧制后的钢材表面如图4所示；对比例4的二加热段温度和均热段温度均比较低，而且高温段的保温时间较短，钢内部的组织未充分均匀化，导致轧制后的表面质量差。
由此可见，本申请的技术方案可以在满足中碳非调质钢的力学性能的基础上，大大提高其表面质量，尤其是能够减少表面裂纹。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中碳非调质钢，其特征在于，其化学成分按照质量百分比计为：C 0.37-0.44％、Si0.17-0.37％、Mn 0.85-1.30％、P≤0.015％、S 0.004-0.015％、Cr 0.11-0.19％、0＜Ti≤0.020％、0＜Nb≤0.020％、V 0.07-0.14％、0＜Al≤0.035％、Ni≤0.01％、N 0.012-0.018％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，Σ(Al+Nb+V+Ti)/N为6-9。
2.根据权利要求1所述的一种中碳非调质钢，其特征在于，所述Ti、Nb、V、Al、N的含量为：0＜Ti≤0.005％、0＜Nb≤0.005％，V 0.07-0.10％，0＜Al＜0.015％、N 0.012-0.016％。
3.根据权利要求1所述的一种碳非调质钢，其特征在于，所述Mn的含量为1.15-1.25％。
4.根据权利要求1所述的一种碳非调质钢，其特征在于，所述非调质钢的表面漏磁初检合格率为90％以上。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的中碳非调质钢的制备方法，其特征在于，按所述化学成分调制钢水，依次进行转炉冶炼、LF炉精炼、连铸以及轧制，所述连铸过程中，控制连铸方坯的尺寸为280-320mm×280-320mm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述连铸过程中，二冷水的比水量控制在0.26±0.02L/kg。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，冷却水采用四段式控制，后两段的冷却水总量占总二冷却水量≤30％，第四段的冷却水量占总二冷却水量≤15％。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，连铸后的连铸坯入坑缓冷，入坑温度≥750℃，出坑温度＜200℃，且在坑时间≥96h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，轧制时采用四段加热，分为预热段、一加热段、二加热段和均热段，控制二加热段温度和均热段温度为1220±20℃，二加热段和均热段的加热总时间为140-320min。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述轧制工艺中，在粗轧阶段，控制道次压下率，单道次≤15％；轧制过程中，将轧机冷却水控制在80±15m3/h。
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