CN114653915B - 一种钢线材及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种钢线材，其化学成分及其质量百分含量为C 0.26%～0.32%，Si≤0.10%，Mn 1.30%～1.60%，P≤0.025%，S≤0.010%，Ti 0.06%～0.10%，Al 0.015%～0.040%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明生产的非调质钢热轧盘条具有较高的强度和韧性，可满足下游客户采用冷镦工艺生产8.8级螺栓的要求，同时省略了线材改制过程中退火工序和螺栓成型后的调质处理工序，降低了生产制造成本，具有较高的经济效益。

Description

一种钢线材及其生产方法

技术领域

本发明属于钢线材生产领域，具体涉及冷镦钢线材技术领域。

背景技术

8.8级高强度紧固件常用ML35、SWRCH35K、10B21等材料制造，在线材改制过程中，根据螺栓成型变形量需求，部分产品需要进行退火处理，而形状相对简单的外六角螺栓、小法兰螺栓等产品，线材改制采用直抽工艺即可满足冷镦变形需求；螺栓成品性能通过调质处理实现。

非调质冷镦钢是一种省略后续退火和调质工艺的新型绿色环保材料，通过微合金化和控轧控冷工艺获得具有较高强韧性能的热轧盘条；通过拉拔加工，产品尺寸精度显著提升，并使线材强度提升至接近成品性能要求；通过高效的冷镦成型工艺，缩短了生产工序和生产周期，降低了能耗，大大提升了产品生产效率，从而具有显著的经济和社会效益。

目前8.8级高强度紧固件是高强度紧固件中需求量最大的产品，也是非调质冷镦钢替代调质钢的最大潜在用途需求；目前关于8.8-10.9级高强度紧固件用非调质冷镦钢有较多文献报道，但产品并未得到广泛市场化，尤其是9.8-10.9级用途。限制8.8级紧固件用非调质冷镦钢市场化的重要因素为原材料成本，即省略的退火和调质成本并未明显弥补原材料升高的成本以及冷镦模具损耗升高所增加的成本之和，尤其是无法替代采用直抽工艺生产8.8级紧固件的调质钢。

公布号为CN 106480372 A公开了《一种8.8级紧固件用非调质冷镦钢盘条及其生产方法》，其特征在于成分按重量百分比为C：0.25-0.30%，Si：0.40-0.60%，Mn：1.10-1.30，P：≤0.020%，S：≤0.015%，Cr：0.10-0.15%，V：0.06-0.10%，Ti：0.01-0.03%，不可避免的杂质不高于0.1%，其余为铁。所述样品的抗拉强度638-644MPa，面缩率62.5-65%。其加入了较高含量的昂贵V元素，使得原材料成本明显提升；另外，加入了较高含量的固溶强化极强的Si元素，使得铁素体变形抗力急剧增加，不利于冷镦生产变形量较大零件。

公布号为CN 112853210 A公开了《钛、稀土微合金化高强韧非调质钢及其制造方法》，其特征在于成分按重量百分比为：C 0.35-0.45％，Si 0.40-0.50％，Mn 1.30-1.60％，Ti 0.04-0.08％，P≤0.010％，S 0.03～0.10％, N≤0.005％，Ce 0.005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。主要用于制造汽车及工程机械领域700-800MPa级非调质直接切削结构件。该产品用途为生产直接切削结构件，非冷镦用途。

公布号为CN 112575257 A公开了《一种低成本含硼非调质700MPa高强度钢及其制造方法》，其特征在于成分按重量百分比为：C：0.05~0.09%，Si：0.12~0.60%，Mn：1.55~1.85%，P≤0.020%，S≤0.010%，Nb：0.015~0.060%，Alt：0.010~0.060%，B：0.0008~0 .0025%，Ti：0.008~0.020%，N≤0.0060%，O≤0.0030%，H≤0.0002%，Cr≤0.15%，Mo≤0.08%，Ni：≤0.15%，Cu≤0.15%，余量为Fe和不可避免的杂质。该产品钢板，显微组织为低碳贝氏体型，且该产品加入了昂贵的Nb合金。

公布号为CN 111304516 A公开了《一种高强度高低温冲击韧性吊钩用非调质钢及生产工艺》，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.25-0.40％ ，Si 0.20-0.40％，Mn1.50-1.80％％，V 0.07-0.10％，Al 0.020-0.040％，P≤0.010％，S≤0.010％，H≤2ppm，O≤10ppm，余为Fe。该产品采用V微合金化，钒铁相比钛铁价格昂贵，不利于成本控制，且从其生产工艺上来看，是棒材产品。

授权公告号为CN 111118403 B公开了《一种Ti微合金化高强韧性贝氏体非调质钢及其控锻控冷工艺和生产工艺》，该钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.20-0.30％、Si0.20-0.40％、Mn 1.90-2.10％、P≤0.010％、S 0.030-0.050％、Cr 0.40-0.60％、V≤0.01％、Ti 0.030-0.050％、Ni≤0.20％、Mo≤0.20％、Als 0.020-0.045％、N 40-60ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，且Ti-3.43*N≥0.017％且Ti×N≤0.00016％，该产品为Ф40-160mm圆钢，为棒材产品，且组织控制为贝氏体，其后续加工为中频感应加热的控锻控冷工艺。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种低成本且具有高强度、高韧性、良好冷镦变形能力的非调质冷镦钢盘条。

本发明技术方案为：一种钢线材，其化学成分及其质量百分含量为C 0.26%～0.32%，Si≤0.10%，Mn 1.30%～1.60%， P≤0.025%，S≤0.010%，Ti 0.06%～0.10%，Al0.015%～0.040%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

上述的一种钢线材的生产方法，包括连铸、钢坯加热、轧制、冷却工序，所述轧制工序，进精轧温度780～830℃；吐丝温度750～780℃。

进一步的，所述冷却工序中，以0.3～0.5℃/s的冷速冷却至530～570℃，然后进行空冷。

进一步的，所述钢坯加热工序，钢坯加热温度为1160～1200℃。

进一步的，所述连铸工序，浇注过程控制钢液过热度为15-20℃。

本发明冷却工序所述空冷，即盘条在空气中自然冷却。

以下对本发明线材中各元素含量和作用进行说明：

碳是最廉价的强化元素，增加碳含量会显著增加珠光体数量，带来强度明显提升，但会降低钢的塑性，采用0.32%以下的碳以获得较高的冷加工变形能力，但为避免盘条强度不足，将碳含量的下限控制在0.26%以上。

硅增加铁素体冷变形硬化率的作用很强，使钢的冷加工困难，且考虑到固溶强化带来塑性下降更明显，对于冷作强化非调质钢，应尽量降低硅的含量，其成分范围控制为≤0.10%。

锰为扩大奥氏体区元素，可降低临界转变温度，使珠光体团变得细小，并减少了珠光体的片间距，还使珠光体中渗碳体片的厚度减薄，可有效改善钢的韧性，另外，锰强化铁素体，在增加强度的同时，对延展性无影响，因此锰可以提高材料综合强韧性；但当锰含量过高时，增加珠光体体积分数，降低钢的韧性，也会加剧钢的偏析，使盘条的铁素体-珠光体带状加重，恶化韧性，因此锰含量控制在1.30%-1.60%。

相比于铌和钒，钛是最为经济的微合金添加元素；钛是强铁素体形成元素之一，使奥氏体相区变窄，因此利用钛在钢中该作用，可在相对高的温度下轧制，减轻了低温轧制对轧机负荷的要求，实现普通轧机轧制，不用新增加超重载轧机；钛在钢中起析出强化和阻止晶粒粗化作用。钛和碳的化合物（TiC）结合力极强，稳定性高，只有加热到1000℃以上才会缓慢溶入铁的固溶体中，因此TiC微粒具有阻止钢晶粒长大粗化的作用；钛在轧制变形时因形变诱导析出碳化物，可有效地钉扎奥氏体晶界使晶粒不会长大；钛含量较低时，主要起抑制奥氏体晶粒粗化的效果，并不产生明显的强化作用，钛含量过高，在晶界上形成钛的硫化物而引起钢的脆化，因此，本发明钢控制钛含量范围为0.06%-0.10%。

铝主要用来脱氧，以保证加入钛的收得率，防止钢中钛被氧化形成TiO₂夹杂物。

氮和碳一样可固溶于铁，具有间隙式固溶强化作用，氮导致钢的脆性的作用远大于磷，显著提高钢冷作变形硬化率，氮也是导致钢产生蓝脆的主要原因；另外，氮在钢中与钛的亲和力大于碳，液态凝固过程优先形成尺寸较大的氮化钛，对提高材料细晶强化和析出强化作用无益，因此，宜控制钢中氮含量不超过0.005%。

S、P作为杂质元素偏聚在晶界会降低钢的塑性和韧性，另外，钛还与硫结合生成颗粒状Ti4C2S₂，减弱了钛的析出强化，因此应尽可能控制得低一些。

以下对本发明线材生产方法进行说明：

[所述轧制工序，进精轧温度780～830℃；吐丝温度750～780℃。]

合金元素钛比钒具有更强的提高再结晶终止温度的作用，且钛的碳化物可在奥氏体低温下析出，因此通过控制进精轧温度780～830℃，在精轧轧制变形时适当诱导析出TiC微粒，一方面TiC析出物阻碍位错运动，使形变再结晶难以进行，从而轧制后保留了部分形变带和位错等，后续冷却过程中促进了铁素体形核，另一方面阻止形变再结晶晶粒长大，起到细晶强化作用。

考虑到钛的碳化物可在奥氏体低温区析出，析出温度越高，碳化物颗粒尺寸相对偏大，且降低了后续低温阶段弥散析出数量，降低了析出强化效果，因此控制较低的吐丝温度为750～780℃，为后续铁素体超量析出提供条件。

[所述冷却工序中，以0.3～0.5℃/s的冷速冷却至530～570℃，然后进行空冷。]

吐丝后的控冷工序，采用缓冷的工艺设计，以0.3～0.5℃/s缓慢冷却至530～570℃，后续空冷，目的是使铁素体超量析出，并在缓冷过程中获得弥散析出的TiC析出物，以获得高强度和良好的冷变形能力。

[所述钢坯加热工序，钢坯加热温度为1160～1200℃。]

加热温度的设定应充分考虑微合金元素的固溶和奥氏体组织的均匀化，所以加热温度设定为1160～1200℃。

[所述连铸工序，浇注过程控制钢液过热度为15-20℃。]

连铸过程采用相对较低的过热度，以尽量减少Ti与钢液中氮在凝固早期较高温度时析出粗大的氮化钛粒子，由于粗大且稀疏分布，不能有效阻止晶粒长大，不起强化作用，本发明连铸过程钢液过热度为15-20℃。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明获得的φ5.5～24mm的非调质钢热轧盘条的微观组织由铁素体+珠光体组成，晶粒度≥10.0级，铁素体含量占比≥67%且珠光体片层间距≤0.25μm，抗拉强度660～735MPa，断面收缩率≥55%，断后伸长率≥22.0%。

本发明生产的非调质钢热轧盘条具有较高的强度和韧性，可满足下游客户采用冷镦工艺生产8.8级螺栓的要求，同时省略了线材改制过程中退火工序和螺栓成型后的调质处理工序，降低了生产制造成本，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明盘条横截面显微组织代表性照片。

图2为本发明盘条横截面珠光体的代表性电镜照片。

图3为对比例1盘条中TiN非金属夹杂物代表性照片。

具体实施方式

通过冶炼、精炼、连铸，获得钢坯，其化学成分及其质量百分含量为C 0.26%～0.32%，Si≤0.10%，Mn 1.30%～1.60%， P≤0.025%，S≤0.010%，Ti 0.06%～0.10%，Al0.015%～0.040%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。连铸工序，浇注过程控制钢液过热度为15-20℃。钢坯加热工序，钢坯加热温度为1160～1200℃。轧制工序，进精轧温度780～830℃；吐丝温度750～780℃。冷却工序中，以0.3～0.5℃/s的冷速冷却至530～570℃，然后进行空冷。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1－6、对比例1－2

通过冶炼、精炼、连铸，获得钢坯，其化学成分及其质量百分含量见表1，连铸过程过热度、钢坯加热工序加热温度见表2，轧制工序进精轧温度和吐丝温度见表2，冷却工序缓冷过程冷速、缓冷终止温度见表2，盘条缓冷完毕后进行空冷。

表1

表2

实施例1－6、对比例1－2制备的盘条的力学性能、显微组织、晶粒度、珠光体片层间距以及铁素体含量占比检测结果示于表3中。

表3

对比例1盘条成分中Ti含量为0.04％，氮含量为0.0082％，导致钢中不易变形的尖角状TiN夹杂物数量较多，对深加工过程冷变形不利，也降低了有效Ti含量，在轧制时很难形变诱导析出TiC微粒，削弱了TiC抑制形变再结晶作用，从而削弱了形变诱导铁素体相变，不利于提高铁素体含量，从而降低了冷镦变形能力。

对比例2进精轧温度900℃，吐丝温度850℃，由于进精轧温度偏高，此时很难形变诱导析出一定数量的TiC微粒，导致再结晶充分，无法获得形变诱导铁素体析出，且高温轧制晶粒相对偏大，再配合相对较高的吐丝温度，形变晶粒得到充分再结晶和晶粒长大，最终导致获得相对粗大晶粒，粗大晶粒配合本发明缓冷工艺（0.3～0.5℃/s），珠光体片层间距偏大，最终导致材料强度、塑性偏低。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种钢线材，其化学成分及其质量百分含量为C 0.26%～0.32%，Si≤0.10%，Mn1.30%～1.60%，P≤0.025%，S≤0.010%，Ti 0.06%～0.10%，Al 0.015%～0.040%，N≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；微观组织由铁素体+珠光体组成，晶粒度≥10.0级，铁素体含量占比≥67%且珠光体片层间距≤0.25μm，抗拉强度660～735MPa，断面收缩率≥55%，断后伸长率≥22.0%。

2.根据权利要求1所述的一种钢线材的生产方法，包括连铸、钢坯加热、轧制、冷却工序，其特征在于，所述轧制工序，进精轧温度780～830℃；吐丝温度750～780℃；

所述冷却工序中，以0.3～0.5℃/s的冷速冷却至530～570℃，然后进行空冷；

所述连铸工序，浇注过程控制钢液过热度为15～20℃。

3.根据权利要求2所述的一种钢线材的生产方法，其特征在于，所述钢坯加热工序，钢坯加热温度为1160～1200℃。