CN114855076B - 一种高球化率高碳钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种高球化率高碳钢及其制备方法，属于钢材制备技术领域，钢的化学成分以质量分数计包括：C:0.80％‑1.05％、Si:0.15％‑0.45％、Mn：0.15％‑0.80％、Cr：0.10％‑2.00％、Nb:0.010％‑0.10％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质；在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.01～0.10％Nb，Nb在固溶后析出，促使钢形成细片状珠光体，能够在现有球化工艺下，进一步提高球化率。

Description

一种高球化率高碳钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种高球化率高碳钢及其制备方法。

背景技术

高碳钢广泛应用于机械、汽车、能源等领域，可以用于制作轴承、轴、刀片、锯片、链条等，具有高硬度、高耐磨性、疲劳性好等特点。高碳钢在制作上述产品时，会经过球化退火、淬回火处理，降低其硬脆性增加韧性和组织均匀性，其中球化组织对获得最终的性能有关键的影响，如球化率不良＜80％、碳化物颗粒粗大(大于2μm)对疲劳性能影响极大。高碳钢的球化率提高和组织的改善主要集中在球化退火工艺的优化上，如采用周期退火、临界退火、交替退火等方式，如中国发明专利申请CN111961814A一种高碳钢球化退火工艺，提供了一种高碳钢的球化退火工艺，可以缩短高碳钢的球化时间；但是对于轴承、轴、刀片等制造领域，球化工艺基本定型，要进一步提高现有高碳钢的球化率较为困难，同时工业验证时间周期较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高球化率高碳钢及其制备方法，以解决目前现有高碳钢提高球化率较为困难的问题。

本发明实施例提供了一种高球化率高碳钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：

C:0.80％-1.05％、Si:0.15％-0.45％、Mn：0.15％-0.80％、Cr：0.10％-2.0％、Nb:0.010％-0.10％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。

可选的，所述钢的化学成分以质量分数计包括：

C:0.90％-1.00％、Si:0.25％-0.35％、Mn：0.35％-0.50％、Cr：1.00％-1.50、Nb:0.060％-0.080％、P≤0.025％、S≤0.025％，余量为Fe及不可避免杂质。

可选的，所述钢的显微组织包括细片状珠光体。

可选的，所述钢的显微组织还包括网状碳化物。

可选的，所述钢的奥氏体晶粒度≥8.0级。

可选的，所述钢的球化率＞95％。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的高球化率高碳钢的制备方法，所述方法包括：

将钢水进行冶炼和连铸，得到钢坯；

将所述钢坯进行加热，得到热钢坯；

将所述热钢坯进行轧制，后进行冷却，得到高碳钢。

可选的，所述加热的均热温度为1180℃-1220℃，所述加热的总加热时间≥2.5h。

可选的，所述轧制包括粗轧和精轧；

所述粗轧的进口温度为1000℃-1050℃，所述粗轧采用4-6道次轧制，所述粗轧的轧制速度为2m/s-10m/s，所述粗轧的总变形量为50％-80％；

所述精轧的出口温度为850℃-950℃，所述精轧采用6-12道次轧制，所述精轧的轧制速度为10m/s-15m/s，所述粗轧的总变形量为60％-98％。

可选的，所述冶炼中，所述钢的化学成分Nb的加入时机为冶炼末期；所述连铸中，矫直温度为950℃-980℃。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的高球化率高碳钢，在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.01～0.10％的Nb，Nb在固溶后析出，促使钢形成细片状珠光体，能够在现有球化工艺下，进一步提高球化率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例提供的方法的流程图；

图2是本发明实施例1提供的钢的显微组织图；

图3是本发明对比例1提供的钢的显微组织图；

图4是本发明实施例1提供的钢采用氧化法测量的晶粒度图；

图5是本发明对比例1提供的钢采用氧化法测量的晶粒度图；

图6是本发明实施例1提供的钢球化处理后的显微组织；

图7是本发明对比例1提供的钢球化处理后的显微组织；

图8是本发明实施例提供的球化退火工艺示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种高球化率高碳钢，所述钢的化学成分以质量分数计包括：

C:0.80％-1.05％、Si:0.15％-0.45％、Mn：0.15％-0.60％、Cr：0.10％-2.0％、Nb:0.010％-0.10％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质。

在本发明化学成分设计中控制原理如下：

C：0.80～1.05％，C是一种固溶强化元素，可以提高基体组织的硬度和强度。由于耐磨性的要求，碳含量过低不利于硬度提高，碳含量过高容易析出粗大的网状碳化物不利于韧性的改善，因此将C含量控制在0.80～1.05％；

Si：0.15～0.45％，Si是固溶强化元素，可提高组织的强度。Si含量过低难以达到需要的强度，Si含量过高会导致球化退火时表面质量严重恶化。因此将Si含量控制在0.15～0.45％；

Mn：0.15％～0.80％，Mn是合金元素，可提高组织的强度。适量的Mn含量可提高钢的强度但是过高会增加带状偏析倾向不利于碳化物细化。因此将Mn含量控制在0.15～0.80％；

Cr：0.10～2.0％，Cr是碳化物形成元素，可提高淬透性，Cr含量过高易形成块状碳化物使其韧性降低，疲劳寿命下降，过低不利于其强度的提高，因此将Cr含量控制在0.10～2.0％；

Nb：0.01～0.10％，在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.01～0.10％的Nb，为了细化奥氏体晶粒抑制珠光体团长大获得细片层珠光体组织。细片状珠光体缩小碳扩散距离，从而影响碳化物尺寸、形态、分布。Nb含量过高会形成未溶的大颗粒碳化物，过低不能发挥Nb的析出细化晶粒作用。因此将Nb含量控制在0.01～0.10％。

在一些实施例中，钢的化学成分以质量分数计包括：

C:0.90％-1.00％、Si:0.25％-0.35％、Mn：0.35％-0.50％、Cr：1.00％-1.50、Nb:0.060％-0.080％、P≤0.025％、S≤0.025％，余量为Fe及不可避免杂质。

在一些实施例中，钢的内部显微组织为细片状珠光体或有少量薄膜状网状碳化物，所述钢的奥氏体晶粒度≥8级。

控制珠光体组织均匀细小，能够在现有球化工艺下，进一步提高球化率。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的高球化率高碳钢的制备方法，所述方法包括：

S1.将钢水进行冶炼和连铸，得到钢坯；

在一些实施例中，所述冶炼中，所述钢的化学成分Nb的加入时机为冶炼末期；所述连铸中，矫直温度为950℃-980℃。

具体的，化学成分铌以铌铁的形式在冶炼末期时加入。

控制钢坯的矫直温度为960～980℃，能够抑制微细的碳化物在浇注时析出，有利于铌固溶于钢中。

S2.将所述钢坯进行加热，得到热钢坯；

在一些实施例中，加热的均热温度为1180℃-1220℃，所述加热的总加热时间≥2.5h。

控制加热的均热温度为1180～1220℃，总加热时间≥2.5h的原因为：一方面为了控制中心偏析，降低碳在铸坯中心分布，控制加热时的奥氏体晶粒尺寸；另一方面为了铌的有效固溶，从而更有效发挥铌的作用。若所述均热温度小于1180℃，不利于Nb完全固溶到钢中，若所述均热温度大于1220℃，晶粒容易长大。

S3.将所述热钢坯进行轧制，后进行冷却，得到高碳钢。

在一些实施例中，轧制包括粗轧和精轧；

所述粗轧的进口温度为1000℃-1050℃，所述粗轧采用4-6道次轧制，所述粗轧的轧制速度为2m/s-10m/s，所述粗轧的总变形量为50％-80％；

所述精轧的出口温度为850℃-950℃，所述精轧采用6-12道次轧制，所述精轧的轧制速度为10m/s-15m/s，所述粗轧的总变形量为60％-98％。

控制粗轧的进口温度为1000～1050℃，所述精轧的出口温度为850～950℃，轧后冷速大于1.0℃/s的目的是为了实现铌的析出强化和促进珠光体形核。若所述进口温度、出口温度、轧后冷速太低或太高，均不利于铌的析出强化和促进珠光体形核，获得的细片状的珠光体有利于高球化率。

通过上述方法获得的高碳钢，其微观组织为细片状珠光体，索氏体率大于95％，晶粒度为8.0级以上，在球化处理时，可缩短碳扩散距离，碳化物分布均匀细小。

综上所述，本方法实现高球化率的机理在于：(1)在化学组分上，在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.01～0.10％Nb；(2)在生产方法上，控制加热温度均热温度为1180～1220℃，总加热时间≥2.5h，以控制碳成分偏析，同时有利于铌的有效固溶，从而更有效发挥铌的作用；并控制所述的开轧温度1000～1050℃，终轧温度850～950℃，轧后冷速大于1℃/s，以促进铌的析出强化和加速珠光体形核，所述条件共同使得最后生产得到的高球化率的高碳钢，球化处理时，碳化物均匀细小，球化率大于95％。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的高球化率高碳钢及其制备方法进行详细说明。

实施例1-3

一种球化率良好的高碳钢的制备方法，步骤如下：

S1、钢水进行冶炼和连铸，获得钢坯，钢水的化学成分如下表所示：

	C	Si	Mn	Cr	Nb	P	S
								实施例1	0.82	0.25	0.29	0.20	0.10	0.013	0.004
实施例2	0.95	0.20	0.28	0.90	0.06	0.010	0.005
								实施例3	1.00	0.60	0.35	1.85	0.02	0.013	0.004

S2、将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得高碳钢，各工艺参数下表所示：

对比例1

一种球化率良好的高碳钢的制备方法，步骤如下：

S1、钢水进行冶炼和连铸，获得钢坯，钢水的化学成分如下表所示：

	C	Si	Mn	Cr	Nb	P	S
								对比例1	0.82	0.22	0.28	0.20	/	0.010	0.008
对比例2	0.95	0.22	0.28	0.9	/	0.018	0.015
								对比例3	1.00	0.25	0.29	1.85	/	0.013	0.004

S2、将所述原料钢坯进行加热，后进行粗轧和精轧，空冷至室温，获得高碳钢，各工艺参数下表所示：

如图2和图3所示，图2是实施例1提供的钢的显微组织图、图3是对比例1提供的钢的显微组织图，由图1和图2可得，实施例1的珠光体片层细小，索氏体率大于95％，对比例珠光体片层间距粗大，索氏体率为85％。实施例1的索氏体率大于对比例1，这表明高球化率的高碳钢具有细片层珠光体，索氏体率高的特征。

如图5所示，图5是对比例1提供的采用氧化法测量的晶粒度图，对比例1中，所述加热均热温度为1140℃，所述粗轧的进口温度为970℃，所述精轧的出口温度为800℃，空冷速度为0.3℃/s；不在本发明的范围内，组织中存在晶粒混晶情况。

因此，上述实施效果表明本发明所述的高球化率的高碳钢在显微组织具有珠光体片层细小，索氏体率大于95％的特征。

对获得的高碳钢进行球化处理，所述球化处理，为高碳钢普遍可采用的一种工艺，包括：以≤100℃/h的速率升温至700±20℃保温14～16h，随炉冷却至室温，球化工艺曲线如图8所示。

如图6和图7所示，图6为实施例1提供的球化处理后的球化组织图，图7为对比例1提供的球化处理后的球化组织图，可知：对比例1碳化物不均匀，碳化物颗粒大，球化率小于85％，这表明本发明所述的高球化率的高碳钢具有球化率大于95％，碳化物分布均匀、细小的特征。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的方法通过在高碳钢成分基础上，添加了质量百分比为0.01～0.10％Nb，在生产方法上，控制加热温度均热温度为1180～1220℃，总加热时间≥2.5h，以让碳尽量扩散，降低碳的成分偏析；同时有利于铌的有效固溶，从而更有效发挥铌的作用；并控制所述的开轧温度1000～1050℃，终轧温度850～950℃，轧后冷速大于1℃/s以实现铌的析出并促进形成细片状珠光体，所述条件共同使得最后生产得到的高碳钢为细片状珠光体或有极少量网状碳化物，索氏体率大于95％，在球化处理时，碳化物均匀细小，球化率大于95％。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种高球化率高碳钢，其特征在于，所述钢的化学成分以质量分数计包括：

C:0.90％-1.00％、Si:0.25％-0.35％、Mn：0.35％-0.50％、Cr：1.00％-1.50%、Nb:0.060％-0.080％、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质, 所述钢的显微组织包括细片状珠光体和网状碳化物，所述钢的球化率＞95％，所述钢的奥氏体晶粒度≥8.0级，所述高碳钢的制备工艺包括将钢水进行冶炼和连铸，得到钢坯；将钢坯进行加热，得到热钢坯；将热钢坯进行轧制，所述连铸中，矫直温度为950℃-980℃；轧制包括粗轧和精轧；

所述粗轧的进口温度为1000℃-1050℃，所述粗轧采用4-6道次轧制，所述粗轧的轧制速度为2m/s-10m/s，所述粗轧的总变形量为50％-80％；

所述精轧的出口温度为850℃-950℃，所述精轧采用6-12道次轧制，所述精轧的轧制速度为10m/s-15m/s，所述精轧的总变形量为60％-98％。

2.一种权利要求1所述的高球化率高碳钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将钢水进行冶炼和连铸，得到钢坯；

将所述钢坯进行加热，得到热钢坯；

将所述热钢坯进行轧制，后进行冷却，得到高碳钢。

3.根据权利要求2所述的高球化率高碳钢的制备方法，其特征在于，所述加热的均热温度为1180℃-1220℃，所述加热的总加热时间≥2.5h。

4.根据权利要求2所述的高球化率高碳钢的制备方法，其特征在于，所述冶炼中，所述钢的化学成分Nb的加入时机为冶炼末期。

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