CN114107817A - 一种替代正火热处理45钢的非调质钢及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种替代正火热处理45钢的非调质钢及其应用，本发明提供的一种替代正火热处理45钢的非调质钢，是在C‑Mn结构钢成分基础上，添加V、Ti微合金化元素；VC、TiC沉淀析出，起到沉淀强化作用，V和Ti复合加入能够提高钢的强韧性，改善铁素体‑珠光体型非调质钢韧性不足的矛盾；并且通过控制Ti的含量和碳当量的范围，在保证材料锻造性能的同时降低了V的加入量，并且无需增氮也能够满足锻件的性能要求，有效降低了制造成本。钢的强塑性指标达到45钢正火性能指标，本发明钢与45钢用于制造小型锻件比较，无需热处理，热轧钢材能够直接使用，显示了良好的综合机械性能、加工工艺性能和经济性，减少了能耗，更加环保。

Description

一种替代正火热处理45钢的非调质钢及其应用
技术领域
本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种替代正火热处理45钢的非调质钢及其应用。
背景技术
非调质钢是一种节能环保型钢，该类钢重要应用领域或方向就是替代调质钢，GB/T699中45钢作为一种中碳调质钢广泛应用，目前，在机械制造业，采用45钢制造各类汽车、机械锻件，常采用调质热处理或正火作为最终热处理方式。
市场调研发现，有不少用户采用45钢制造小型锻件即重量小于150kg的锻件，并采用正火作为锻件的最终热处理方式，用于消除在锻、轧后的组织缺陷，改善钢的机械性能(如强度、韧性等)。正火热处理费用较低。正火的主要目的是：细化金属组织晶粒，一般的小型锻件大多用圆形棒料作为坯料，要求棒料的晶粒组织和机械性能均匀。调研发现，用户非常期望一种非调质钢能够用来制造同类小型锻件，不再需要正火热处理，即可达到45钢机械性能和锻件疲劳性能。这样，锻造用户减少了热处理设备投资和热处理工序，提高了生产效率，减少了能源消耗。
现有的非调质钢虽然能够实现锻造后不用热处理，但是现有非调质钢的微合金化元素中V为主要成分，而V的作用原理主要是通过析出VN、V(CN)第二相以提升材料的强度，但是V的价格较高，并且在冶炼过程中，需要进行增氮，并控制氮的含量，造成成本的增加，用于制造小型锻件成本要高于45钢，因此开发一种适用于小型锻件并且成本低于45钢的非调质钢经济意义巨大。
发明内容
本发明的一种替代正火热处理45钢的非调质钢，在C-Mn结构钢成分基础上，添加V、Ti微合金化元素显著提高了钢的强韧性，并且通过控制Ti的含量和碳当量的范围，在保证材料锻造性能的同时降低了V的加入量，并且无需增氮也能够满足锻件的性能要求，有效降低了制造成本，相比于45钢制备小型锻件，成本显著降低，并且更加环保。
本发明提供的一种替代正火热处理45钢的非调质钢，其成分质量百分比为：C：0.32～0.39％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.50～0.80％、Cr：≤0.30％、V：0.04～0.10％、Ti：0.01～0.04％、P：≤0.020％、S：≤0.035％、Alt：0.01～0.04％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.20％、Mo：≤0.10％、O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质；
碳当量Ceq(％)＝C％+0.14Si％+0.20Mn％+0.11Cr％+1.30V％+0.10Mo％+0.06Ni％，式中：C、Si、Mn、Cr、V、Mo、Ni为所述非调质钢中相应元素的质量百分比，所述碳当量为：0.62-0.70％。
本发明设计的一种替代正火热处理45钢的非调质钢属于铁素体-珠光体型非调质钢，是在C-Mn结构钢成分基础上，添加V、Ti微合金化元素；VC、TiC沉淀析出，起到沉淀强化作用，V和Ti复合加入能够提高钢的强韧性，改善铁素体-珠光体型非调质钢韧性不足的矛盾；并且通过控制Ti的含量和碳当量的范围，在保证材料锻造性能的同时降低了V的加入量，并且无需增氮也能够满足锻件的性能要求，有效降低了制造成本；
C含量控制在0.32～0.39％之间，通过降低C的含量，有助于提高材料的冲击韧性；
本发明的设计思路：该非调质钢属Mn-V系非调质钢，进行了微Ti复合处理，Ti含量约在0.02(质量)％时，具有最佳的抑制奥氏体晶粒粗化的效果，细化奥氏体晶粒，但是Ti含量超过0.04％时，会产生粒状贝氏体，造成韧性的降低；因此，设计Ti的含量为0.01～0.04(质量)％；
在铁素体-珠光体钢中，Mn能够使珠光体量增多，降低珠光体的形成温度，细化珠光体的片间距，提高钢的强度；Mn还能够促进VN和VC溶解，降低固溶温度的作用，能更有效的提高钢的强度及硬度，改善钢的韧性，通过控制Mn的含量在0.50～0.80％；
O含量过高会与Ti形成外形粗大的氧化物，使材料韧性劣化，为了有助于晶内铁素体的生成微细的Ti氧化物和提高钢的纯净度，本发明还对氧含量提出了控制要求，即控制O的含量≤15×10－4(质量)％；
钢中所有成分元素都会不同程度的影响钢的性能，在本发明中，C、Si、Mn、Cr、V、Mo、Ni等7种合金元素较其它成分元素对钢的性能影响起决定性作用，将钢中碳含量及各种合金元素的含量按其对钢的力学性能(强度、硬度及韧性)的稳定性的作用折算成碳的含量，通过控制碳当量的数值范围保证钢的力学性能(强度、硬度及韧性)的稳定性，以满足锻造的要求。
本发明的技术方案还有：其力学性能为：屈服强度≥355Mpa，抗拉强度≥600Mpa，延伸率≥16％，收缩率≥40％，冲击韧性值Aku2≥39J/cm2。
本发明的技术方案还有：其成分质量百分比为：C：0.37～0.40％，Si：0.25～0.35％，Mn：0.70～0.80％，Cr≤0.30％，V：0.04～0.06％，Ti：0.010～0.030％，P：≤0.020％，S：≤0.035％，Alt：0.010～0.030％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质。成分元素控制的一致性对钢性能的一致性起着至关重要的作用；通过对钢中各主要成分元素的窄范围控制及残余有害元素的低含量控制，有效保证了实际生产过程中钢的性能稳定一致。
本发明的技术方案还有：所述非调质钢采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序，其中：
在所述初炼工序中，控制终点C的含量为0.10～0.15wt％、P≤0.012wt％，而且钢水的出钢温度为1620～1640℃；
在所述精炼工序中，取一次样分析前喂入铝线进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线进行钙处理；精炼渣碱度为3.0～4.0，白渣保持时间为20～25分钟；
在所述VD真空脱气工序中，在真空度30Pa以下保持12～15分钟进行真空处理；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为20-25min，以使氧含量降低至≤15×10－4％；
在所述连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1512～1522℃；连铸拉速控制为0.50～0.54m/min；而且采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌；
在所述轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1130～1180℃，加热时间为2～2.5h，开轧温度为1030～1110℃，终轧温度为930～990℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.0～1.5℃/s，下冷床钢材温度500～600℃，下冷床后放置在通风良好处空冷。
本发明还公开了上述替代正火热处理45钢的非调质钢的应用，所述非调质钢用于小型锻件的制备，锻造后无需正火热处理。本发明钢与45正火钢比较，用于制造小型锻件，锻造后无需热处理，本发明钢热轧钢材能够直接使用，显示了良好的综合机械性能、加工工艺性能和经济性，由于降低了能耗，更加环保，本发明钢属于一种节能环保型钢材。
本发明的有益效果：本发明提供的一种替代正火热处理45钢的非调质钢，是在C-Mn结构钢成分基础上，添加V、Ti微合金化元素；VC、TiC沉淀析出，起到沉淀强化作用，V和Ti复合加入能够提高钢的强韧性，改善铁素体-珠光体型非调质钢韧性不足的矛盾；并且通过控制Ti的含量和碳当量的范围，在保证了材料的性能的同时降低了V的加入量，并且无需增氮也能够满足锻件的性能要求，有效降低了制造成本。
本发明的非调质钢热轧后的屈服强度≥355Mpa，抗拉强度≥600Mpa，延伸率≥16％，收缩率≥40％，冲击韧性值Aku2≥39J/cm2。钢的强塑性指标达到45钢正火性能指标，本发明钢与45钢用于制造小型锻件比较，热轧钢材能够直接使用，锻造后无需热处理，显示了良好的综合机械性能、加工工艺性能和经济性，减少了能耗，更加环保，本发明钢属于一种节能环保型钢材。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。
本发明提供的一种替代正火热处理45钢的非调质钢，其特征在于：其成分质量百分比为：C：0.32～0.39％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，Cr：≤0.30％，V：0.04～0.10％，Ti：0.01～0.04％，P：≤0.020％，S：≤0.035％，Alt：0.01～0.04％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
为保证钢性能稳定性，需要控制上述非调质钢的碳当量Ceq：0.62-0.70％，
所述碳当量Ceq按照如下公式进行计算：
Ceq(％)＝C％+0.14Si％+0.20Mn％+0.11Cr％+1.30V％+0.10Mo％+0.06Ni％
式中：C、Si、Mn、Cr、V、Mo、Ni为所述非调质钢中相应元素的质量百分比。
本发明非调质钢屈服强度≥355Mpa；抗拉强度≥600Mpa；延伸率≥16％；收缩率≥40％；冲击韧性值Aku2≥39J/cm2。
在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选地，本发明的替代正火热处理45钢的非调质钢按质量百分比由以下元素组成：C：0.37～0.40％，Si：0.25～0.35％，Mn：0.70～0.80％，Cr：≤0.30％，V：0.04～0.06％，Ti：0.010～0.030％，P：≤0.020％，S：≤0.035％，Alt：0.010～0.030％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供的替代正火热处理45钢的非调质钢采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序：
在所述初炼工序中，采用电炉冶炼，控制终点C的含量为0.10～0.15wt％，P≤0.012wt％，而且钢水的出钢温度为1620～1640℃。
优选地，在所述精炼工序中，采用LF炉外精炼，取一次样分析前喂入铝线1.5～2.0m/t钢进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线1.5～2.0m/t钢进行钙处理，有利于连铸改善钢水可浇性。精炼渣碱度为3.0～4.0，白渣保持时间为20～25分钟。
优选地，在所述VD真空脱气工序中，在真空度30Pa以下保持12～15分钟进行真空处理；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为20-25min，以使氧含量降低至≤15×10－4％。
优选地，在所述连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1512～1522℃，拉速控制在0.50～0.54m/min；并采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌，确保铸坯良好的组织和表面质量。
优选地，在所述轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1130～1180℃，均热时间为2～2.5h，开轧温度为1030～1110℃，终轧温度为930～990℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.0～1.5℃/s，下冷床钢材温度500～600℃，下冷床后放置在通风良好处空冷。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
本发明提供的替代正火热处理45钢的非调质钢的规格优选为Φ20mm-Φ80mm。
本发明制备的替代正火热处理45钢的非调质钢应用于小型锻件的制备，其锻造后无需正火热处理。
下面列举几个实施例。
本发明提供的替代正火热处理45钢的非调质钢，采用UHP超过功率电炉初炼、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯，轧制成材工艺生产钢材。实施例是260mm×300mm规格矩形坯，Φ60mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
实施例1
该实施例生产的替代正火热处理45钢的非调质钢的成分及含量见表1。
具体生产方法如下：采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序：
在初炼工序中，采用电炉冶炼，控制终点C的含量为0.12wt％，P的含量为0.010wt％，而且钢水的出钢温度为1622℃。
在精炼工序中，采用LF炉外精炼，取一次样分析前喂入铝线1.6m/t钢进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线1.8m/t钢进行钙处理；精炼渣碱度为3.5，白渣保持时间为22分钟。
在VD真空脱气工序中，真空度为25Pa，真空保持时间为13分钟；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为25min。
在连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1518℃，连铸拉速为0.52m/min；并采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌，以确保铸坯良好的组织和表面质量。
在轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1160℃，均热时间为2.1h，开轧温度为1080℃，终轧温度为960℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.3℃/s，下冷床空冷温度为520℃。
实施例2
该实施例生产的替代正火热处理45钢的非调质钢的成分及含量见表1。
具体生产方法如下：采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序：
在初炼工序中，采用电炉冶炼，控制终点C的含量为0.14wt％，P的含量为0.007wt％，而且钢水的出钢温度为1634℃。
在精炼工序中，采用LF炉外精炼，取一次样分析前喂入铝线1.8m/t钢进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线1.5m/t钢进行钙处理；精炼渣碱度为3.7，白渣保持时间为25分钟。
在VD真空脱气工序中，真空度为20Pa，真空保持时间为15分钟；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为20min。
在连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1515℃，连铸拉速为0.54m/min；并采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌，以确保铸坯良好的组织和表面质量。
在轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1140℃，均热时间为2.3h，开轧温度为1050℃，终轧温度为980℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.1℃/s，下冷床空冷温度为560℃。
实施例3
该实施例生产的替代正火热处理45钢的非调质钢的成分及含量见表1。
具体生产方法如下：采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序：
在初炼工序中，采用电炉冶炼，控制终点C的含量为0.10wt％，P的含量为0.008wt％，而且钢水的出钢温度为1629℃。
在精炼工序中，采用LF炉外精炼，取一次样分析前喂入铝线2.0m/t钢进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线2.0m/t钢进行钙处理；精炼渣碱度为3.1，白渣保持时间为20分钟。
在VD真空脱气工序中，真空度为22Pa，真空保持时间为12分钟；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为22min。
在连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1520℃，连铸拉速为0.50m/min；并采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌，以确保铸坯良好的组织和表面质量。
在轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1180℃，均热时间为2.5h，开轧温度为1100℃，终轧温度为935℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.5℃/s，下冷床堆冷温度为580℃。
对实施例1-3的方法得到的替代正火热处理45钢的非调质钢采用GB/T3077-2015合金结构钢标准试验方法进行有关性能实验测定，结果参见表2，有关性能测试的方法采用GB/T228《金属拉伸试验方法》、GB/T229《金属夏比缺口冲击试验方法》和GB/T231《金属布氏硬度试验方法》，表2的测定结果是按标准要求测定的两支试样的性能结果。
GB/T699-1999标准规定：45钢的成分重量百分比为：C：0.42～0.50％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.50～0.80％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Cr：≤0.25％、Ni：≤0.25％、Cu：≤0.25％；45正火钢的力学性能为：屈服强度≥355Mpa，抗拉强度≥600Mpa，延伸率≥16％，收缩率≥40％，冲击韧性值Aku2≥39J/cm2。
由表2能够得出，本发明的替代正火热处理45钢的非调质钢的力学性能满足了45钢正火后力学性能的要求，能够替代45钢制造小型锻件，满足了用户的需要。
另外本发明是在45钢基础上通过添加微量的V和Ti进行微合金化，并控制其碳当量，本发明应用于小型锻件，后续不再进行正火处理，较正常45钢生产成本增加约100元/吨钢；而常规45钢正火处理费用约200元/吨钢，总体成本比45钢节省了约100元/吨钢。
并且使用本发明45钢，锻造用户减少了热处理设备投资和热处理工序，提高了生产效率，减少了能源消耗，更加环保。
表1本发明非调质钢有关化学成分的含量(质量，％)
Figure BDA0003370602630000091
表2本发明非调质钢的性能
Figure BDA0003370602630000092

Claims (5)

1.一种替代正火热处理45钢的非调质钢，其特征在于：其成分质量百分比为：C：0.32～0.39％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，Cr：≤0.30％，V：0.04～0.10％，Ti：0.01～0.04％，P：≤0.020％，S：≤0.035％，Alt：0.01～0.04％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质；
碳当量Ceq(％)＝C％+0.14Si％+0.20Mn％+0.11Cr％+1.30V％+0.10Mo％+0.06Ni％，式中：C、Si、Mn、Cr、V、Mo、Ni为所述非调质钢中相应元素的质量百分比，所述碳当量为：0.62-0.70％。
2.根据权利要求1所述的替代正火热处理45钢的非调质钢，其特征在于：其力学性能为：屈服强度≥355Mpa，抗拉强度≥600Mpa，延伸率≥16％，收缩率≥40％，冲击韧性值Aku2≥39J/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的替代正火热处理45钢的非调质钢，其特征在于：其成分质量百分比为：C：0.37～0.40％，Si：0.25～0.35％，Mn：0.70～0.80％，Cr≤0.30％，V：0.04～0.06％，Ti：0.010～0.030％，P：≤0.020％，S：≤0.035％，Alt：0.010～0.030％，Cu：≤0.20％，Ni：≤0.20％，Mo：≤0.10％，O：≤15×10－4％，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.权利要求1所述的替代正火热处理45钢的非调质钢，其特征在于：所述非调质钢采用电炉连铸工艺生产，包括初炼工序、精炼工序、VD真空脱气工序、连铸工序以及轧制工序，其中：
在所述初炼工序中，控制终点C的含量为0.10～0.15wt％、P≤0.012wt％，而且钢水的出钢温度为1620～1640℃；
在所述精炼工序中，取一次样分析前喂入铝线进行脱氧；在LF炉出钢前喂入纯钙线进行钙处理；精炼渣碱度为3.0～4.0，白渣保持时间为20～25分钟；
在所述VD真空脱气工序中，在真空度30Pa以下保持12～15分钟进行真空处理；VD真空脱气结束时对钢水进行软吹氩处理，软吹时间为20-25min，以使氧含量降低至≤15×10－4％；
在所述连铸工序中，采用连铸全程保护浇注，中间包钢水温度控制在1512～1522℃；连铸拉速控制为0.50～0.54m/min；而且采用结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌；
在所述轧制工序中，钢坯在加热炉的均热温度为1130～1180℃，加热时间为2～2.5h，开轧温度为1030～1110℃，终轧温度为930～990℃；轧后钢材上冷床，冷却速度为1.0～1.5℃/s，下冷床钢材温度500～600℃，下冷床后放置在通风良好处空冷。
5.权利要求1-4任一所述的替代正火热处理45钢的非调质钢的应用，其特征在于：所述非调质钢用于小型锻件的制备，锻造后无需正火热处理。
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