CN114990437A - 冷镦钢盘条及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷镦钢盘条及其生产方法，涉及钢铁材料制造领域。盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.39～0.42％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.75～0.85％，Cr:0.90～1.00％，P≤0.018％，S≤0.012％，Al:0.010～0.055％，以及Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种。生产方法包括工序：电炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和高线轧制；其中，高线轧制工序具体包括：控制开轧温度为950～980℃，精轧入口温度为840～880℃，吐丝温度为840～880℃，轧后吐丝温度至800℃后进行缓慢冷却。本发明通过在冷镦钢盘条中添加少量的Nb和/或V，并在高线轧制工序中采用较低的轧制温度，在未明显影响冷镦钢盘条性能的情况下，有效细化晶粒，从而在后续的球化退火工序中，使其更易球化。

Description

冷镦钢盘条及其生产方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料制造领域，具体地涉及一种冷镦钢盘条及其生产方法。
背景技术
紧固件可将零件或构件紧固连接成一件整体，是一种重要的基础材料，广泛应用于机械、汽车、船舶、铁路、桥梁、建筑、仪器等领域。紧固件的一般生产流程为：盘条-球化退火-拉拔-冷镦-调质处理-攻丝-表面处理-成品。球化退火主要目的是提高盘条的变形能力，减少拉拔和冷镦过程中模耗，提高冷镦性能，减少冷镦开裂。
但随着双碳时代要求和行业竞争不断增强，球化退火因其加热温度高、加热时间长，能耗高、生产效率低，而成为降耗增效的主要目标。另外，虽然有免退火冷镦钢盘条，但其轧制生产设备要求苛刻，且盘条适用范围狭窄，无法在紧固件行业广泛采用。因而，在紧固件行业中球化退火依然是一个必需、且重要的工序。因此，如何使盘条更易球化，使其能够满足球化退火降低温度、缩短加热时间的要求来适应时代和行业的发展，成为行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷镦钢盘条及其生产方法。
本发明提供一种一种冷镦钢盘条的生产方法，所述盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.39～0.42％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.75～0.85％，Cr:0.90～1.00％，P≤0.018％，S≤0.012％，Al:0.010～0.055％，以及Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述生产方法包括工序：电炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和高线轧制；
其中，所述高线轧制工序具体包括：
控制开轧温度为950～980℃，精轧入口温度为840～880℃，吐丝温度为840～880℃，轧后吐丝温度至800℃进行缓慢冷却。
作为本发明的进一步改进，所述盘条的化学成分包括Nb和V，Nb和V的总质量百分比为0.01～0.04％，且Nb/V质量比值为1/2。
作为本发明的进一步改进，所述电炉冶炼工序包括：
控制转炉出钢终点C质量百分含量为0.08～0.15％，P质量百分含量≤0.018％，出钢温度为1800～1840℃，在出钢时加入的铝锭为1.5～3.0kg/t。
作为本发明的进一步改进，所述LF精炼工序包括：
控制精炼渣碱度为1.8～2.2，精炼渣呈白色后精炼时间≥20min，喂入钙线后软搅拌时间为20～25min。
作为本发明的进一步改进，所述小方坯连铸工序包括：
控制钢水过热度为25～35℃，拉速为2.7±0.1m/min，二冷比水量为每千克钢水1.23～1.25L。
作为本发明的进一步改进，所述小方坯连铸工序包括：
将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
作为本发明的进一步改进，所述轧后吐丝温度至800℃进行缓慢冷却，具体包括：
轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度≤1.15k/s。
本发明还提供一种冷镦钢盘条，其采用如上述的生产方法制备而成。
作为本发明的进一步改进，所述冷镦钢盘条晶粒度为8～9级。
作为本发明的进一步改进，所述冷镦钢盘条球化退火后球化评级为5～8级。
本发明的有益效果是：本发明通过在冷镦钢盘条中添加少量的Nb和/或V，并在高线轧制工序中采用较低的轧制温度，在未明显影响冷镦钢盘条性能的情况下，有效细化晶粒，从而在后续的球化退火工序中，使其更易球化，可用于生产变形量大、变形复杂的零件，且对轧制设备无特殊要求，克服了免退火冷镦钢盘条的缺点，且可以适应球化退火降耗增效的发展要求。
附图说明
图1是本发明实施例3提供的冷镦钢盘条球化退火后的金相组织图片。
图2是本发明对比例1提供的冷镦钢盘条在球化退火后的金相组织图片。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施方式及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
本实施方式提供一种冷镦钢盘条，其相比于常规冷镦钢盘条晶粒度更小，在相同球化退火工艺下，其更易球化，所形成的球化级别更高，且相比于免退火冷镦钢盘条，冷镦性能更优，能够满足10.9级、12.9级紧固件的生产需求。
冷镦钢盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.39～0.42％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.75～0.85％，Cr:0.90～1.00％，P≤0.018％，S≤0.012％，Al:0.010～0.055％，以及Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明中盘条的化学成分的设计，其核心思想是在不明显改变盘条力学性能的前提下，尽可能细化晶粒，从而使盘条在球化退火过程中，更易球化。
具体地，盘条的化学成分的设计原理说明如下：
C：是最重要的组成元素，C含量能显著影响钢材的组织结构从而直接影响盘条的强度，一方面，C含量的增大会显著提高钢材的强度；另一方面C含量过高会降低盘条的塑性，导致盘条的拉拔断丝，特别是当其超过0.5％时，会显著降低盘条的塑性与焊接性，基于此，本发明中C含量为0.39～0.42％。
Si：是固溶强化和脱氧元素，同时还可以用于降低钢中氧含量；但Si含量过高会降低钢材冷镦变形能力，加剧钢坯脱碳倾向，并会影响盘条表面质量，基于此，本发明中Si含量为0.15～0.25％。
Mn：是固溶强化元素，可以提高盘条的淬透性，从而提高其强度，同时还可以与有害元素S结合以降低盘条的热脆性；但Mn含量过高时高线轧制工序后容易出现影响拉拔的贝氏体或马氏体，进而导致盘条的塑性和拉拔性能差，基于此，本发明中Mn含量为0.75～0.85％。
Cr：与Mn类似，Cr可以提高盘条的淬透性，从而提高其强度，但Cr含量过高时高线轧制工序后容易出现影响拉拔的贝氏体或马氏体，进而导致盘条的塑性和拉拔性能差，基于此，本发明中Cr含量为0.90～1.00％。
Al：属于脱氧元素，Al和钢中的O结合形成Al2O3夹杂物，Al2O3夹杂物通过上浮进入钢渣中，而达到钢水脱氧的目的。另外Al与钢中的N形成细小的AlN，细小的AlN可以起到细化晶粒的作用，有利于盘条的冷镦变形和球化退火。但是过量的Al会导致钢中形成较多、尺寸小的Al2O3夹杂物，不易上浮去除，这样会导致连铸过程结晶器水口堵塞，不利于连铸生产。基于此，本发明中Al含量控制在0.010～0.055％。
P、S：属于有害杂质元素，含量分别控制在小于0.018％和小于0.012％。
Nb：其与钢中的C、N原子能够化合形成纳米尺度的碳化物及氧化物析出相，在加热时，析出相能够起到钉扎作用，限制奥氏体晶界迁移，从而阻止其晶粒的长大；在高线轧制过程中，析出相能够钉扎位错，抑制变形奥氏体的回复、再结晶，从而细化晶粒；在其后的铁素体相变过程中，碳氮化合物析出相粒子同样能够对铁素体晶粒起到钉扎作用限制其长大，从而细化晶粒。微量Nb可以在不影响调质处理后钢的强度或塑性的情况下，细化晶粒。基于此，本发明中Nb含量为0.005～0.02％。
V：与Nb类似，其与钢中的C、N原子化合形成的纳米尺度碳化物及氧化物析出相具有高熔点、高硬度及高弥散度，在加热时，析出相能够起到钉扎作用，限制奥氏体晶界迁移，从而阻止其晶粒的长大；在高线轧制过程中，析出相能够钉扎位错，抑制变形奥氏体的回复、再结晶，从而细化晶粒；在其后的铁素体相变过程中，析出碳氮化合物粒子同样能够对铁素体晶粒起到钉扎作用限制其长大，从而细化晶粒。但V含量过高时容易出现淬火组织，不利于盘条组织控制。基于此，本发明中Nb含量为0.005～0.02％。
通过添加Nb和/或V，利用其碳氮化合物的钉扎作用来细化晶粒，而随着晶粒的细化，在盘条组织中总晶界增多，使得碳的迁移与扩散更加容易和均匀，从而使得碳化物的分布更加弥散均匀，易于形成球化组织。
鉴于Nb和V元素均可以用于细化晶粒从而使得盘条易于球化，并且，为了减小添加Nb和V元素对盘条的其他性能造成影响，本发明添加了少量的Nb和V元素的同时，优化了碳、硅、锰以及铬等元素，使Nb和V只起到细化晶粒的作用，本发明所得盘条与同等级、常规冷镦钢盘条在拉拔性能、调质处理后的力学性能等质量指标相当。因此，相比于其他现有钢材添加较多Nb和V元素用于提高钢的强度、塑性等目的，本发明选择只添加少量的Nb和V，达到细化晶粒、易于球化的目的，且合金成本较低。如前所述，盘条的化学成分包括Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种，也即包括以下三种实施情况：其一，所述盘条的化学成分包括Nb:0.005～0.02％，而不包含V；其二，包括V:0.005～0.02％，而不包含Nb；其三，更为优选的，盘条的化学成分同时包括Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％，综合利用Nb和V的共同作用来起到细化晶粒的作用。
进一步的，基于发明人多次实验数据，在复合添加Nb和V时，将Nb/V的质量比值控制在1/2，可以使Nb和V在钢材中所形成的碳氮化合物所综合起到钉扎作用最优，而最有利于晶粒细化及球化，并且添加更少的Nb对盘条的性能影响也更小。
综上所述，本发明中的冷镦钢盘条通过添加少量的Nb和V，能够有效细化晶粒从而易于球化，在球化退火工艺之后，冷镦钢盘条晶粒度为8～9级、球化评级为5～8级，其显著优于常规冷镦钢盘条。
本发明还提供一种冷镦钢盘条生产方法，在本实施方式中，生产方法包括工序：电炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和高线轧制。
具体的，电炉冶炼工序包括：
控制转炉出钢终点C质量百分含量为0.08～0.15％，P质量百分含量≤0.018％，出钢温度为1800～1840℃，在出钢时加入的铝锭为1.5～3.0kg/t。
LF精炼工序包括：
控制精炼渣碱度为1.8～2.2，精炼渣呈白色后精炼时间≥20min，喂入钙线后软搅拌时间为20～25min。
在电炉冶炼和LF精炼工序中，基于前文所述盘条化学成分的设计思路，按照C:0.39～0.42％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.75～0.85％，Cr:0.90～1.00％，以及Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种成分设计向铁水中配入合金元素，以此来炼制钢水。由于在本发明中，添加的少量Nb和/或V不会显著影响钢材的性质，因此在电炉冶炼和LF精炼工序中，可以采用常规冷镦钢盘条熔炼工序中的具体工艺参数。
小方坯连铸工序包括：
控制钢水过热度为25～35℃，拉速为2.7±0.1m/min，二冷比水量为每千克钢水1.23～1.25L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
当连铸坯规格大于200mm×200mm时，会延长后续轧制钢坯时的加热时间。因此，在本实施方式中，将连铸坯规格控制为140mm×140mm，当然，连铸坯的尺寸不限于此，可以为任意工业可行的尺寸。
高线轧制工序包括：
控制开轧温度为950～980℃，精轧入口温度为840～880℃，吐丝温度为840～880℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度≤1.15k/s。
通过高线轧制将钢坯轧制为盘条，在本实施方式中，为了进一步细化晶粒，高线轧制各步骤所采用的温度低于常规冷镦钢盘条高线轧制所采用的温度，通过降低轧制温度可有效控制变形温度，使相变前奥氏体晶粒细小，并且较低的温度能够抑制Nb和V碳化物及氧化物析出相的再溶解，从而有效发挥Nb和V的细化晶粒效果。
采用缓冷工艺，可以避免珠光体相变过程中和相变过程后的冷却速率过快而相变时间不足形成贝氏体、马氏体组织等异常组织，提高盘条的拉拔性能。
综上所述，本发明通过在冷镦钢盘条中添加少量的Nb和/或V，并在高线轧制工序中采用较低的轧制温度，在未明显影响冷镦钢盘条性能的情况下，有效细化晶粒，从而在后续的球化退火工序中，使其更易球化，可用于生产变形量大、变形复杂的零件，且对轧制设备无特殊要求，克服了免退火冷镦钢盘条的缺点，且可以适应球化退火降耗增效的发展要求。
下面提供本发明的几个实施例和对比例来对本发明的技术方案进一步说明。
实施例1
实施例1提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.4％，Si:0.23％，Mn:0.81％，Cr:0.98％，P:0.015％，S:0.003％，Al:0.015％，Nb:0.005％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.08％，P质量百分含量为0.015％，出钢温度为1820℃，在出钢时加入的铝锭为2.5kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为2.1，精炼渣呈白色后精炼时间为25min，喂入钙线后软搅拌时间为20min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为27℃，拉速为2.7m/min，二冷比水量为每千克钢水1.25L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为970℃，精轧入口温度为885℃，吐丝温度为850℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.2k/s。
实施例2
实施例2提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.41％，Si:0.2％，Mn:0.79％，Cr:0.92％，P:0.014％，S:0.004％，Al:0.023％，V:0.01％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.01％，P质量百分含量为0.014％，出钢温度为1810℃，在出钢时加入的铝锭为2.8kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为2，精炼渣呈白色后精炼时间为23min，喂入钙线后软搅拌时间为22min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为29℃，拉速为2.7m/min，二冷比水量为每千克钢水1.23L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为980℃，精轧入口温度为880℃，吐丝温度为845℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.15k/s。
实施例3
实施例3提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.4％，Si:0.21％，Mn:0.83％，Cr:0.95％，P:0.015％，S:0.004％，Al:0.03％，V:0.01％，Nb:0.005％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.012％，P质量百分含量为0.015％，出钢温度为1800℃，在出钢时加入的铝锭为2.5kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为1.9，精炼渣呈白色后精炼时间为25min，喂入钙线后软搅拌时间为20min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为29℃，拉速为2.7m/min，二冷比水量为每千克钢水1.24L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为980℃，精轧入口温度为855℃，吐丝温度为850℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.1k/s。
对比例1
对比例1提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.4％，Si:0.2％，Mn:0.8％，Cr:1.05％，P:0.015％，S:0.003％，Al:0.021％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.05％，P质量百分含量为0.015％，出钢温度为1880℃，在出钢时加入的铝锭为3.5kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为1.7，精炼渣呈白色后精炼时间为18min，喂入钙线后软搅拌时间为13min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为38℃，拉速为2.785m/min，二冷比水量为每千克钢水1.18L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为1030℃，精轧入口温度为900℃，吐丝温度为880℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.75k/s。
对比例2
对比例2提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.41％，Si:0.18％，Mn:0.79％，Cr:1.03％，P:0.013％，S:0.005％，Al:0.035％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.05％，P质量百分含量为0.014％，出钢温度为1850℃，在出钢时加入的铝锭为3.3kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为1.8，精炼渣呈白色后精炼时间为17min，喂入钙线后软搅拌时间为15min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为39℃，拉速为2.83m/min，二冷比水量为每千克钢水1.19L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为1020℃，精轧入口温度为905℃，吐丝温度为875℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.85k/s。
对比例3
对比例3提供一种冷镦钢盘条，其化学成分以质量百分比计包括，C:0.42％，Si:0.21％，Mn:0.83％，Cr:1.02％，P:0.012％，S:0.004％，Al:0.03％。
其生产方法包括如下工序：
电炉冶炼：转炉出钢终点C质量百分含量为0.04％，P质量百分含量为0.013％，出钢温度为1885℃，在出钢时加入的铝锭为3.8kg/t。
LF精炼：精炼渣碱度为1.8，精炼渣呈白色后精炼时间为18min，喂入钙线后软搅拌时间为19min。
小方坯连铸：采用长水口及氩封、中间包覆盖剂、浸入式水口进行保护浇铸，钢水过热度为40℃，拉速为2.84m/min，二冷比水量为每千克钢水1.14L，并将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
高线轧制：控制开轧温度为1010℃，精轧入口温度为903℃，吐丝温度为878℃，轧后吐丝温度至800℃采用缓冷工艺，冷却速度为1.75k/s。
本发明实施例与对比例盘条的晶粒度如表1所示，实施例与对比例盘条以相同条件装入同一退火炉内进行球化退火，球化评级如表1所示：
规格/mm 晶粒度/级 球化评级/级
实施例1 18 8 5
实施例2 18 8 5
实施例3 20 9.0 8
对比例1 18 7.5 4
对比例2 18 7.0 4
对比例3 20 8.5 3
表1
如图1所示，为本发明实施例3提供的冷镦钢盘条球化退火后的金相组织图片，如图2所示，为本发明对比例1提供的冷镦钢盘条在球化退火后的金相组织图片，在图1中可以观察到明显更加细小均匀弥散分布的析出相，结合表1数据可知，采用本发明提供的方法所生产的盘条晶粒度更细，更易球化。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，
所述盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.39～0.42％，Si:0.15～0.25％，Mn:0.75～0.85％，Cr:0.90～1.00％，P≤0.018％，S≤0.012％，Al:0.010～0.055％，以及Nb:0.005～0.02％和V:0.005～0.02％二者中的任一种或二种，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述生产方法包括工序：电炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸和高线轧制；
其中，所述高线轧制工序具体包括：
控制开轧温度为950～980℃，精轧入口温度为840～880℃，吐丝温度为840～860℃，轧后吐丝温度至600℃进行缓慢冷却。
2.根据权利要求1所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述盘条的化学成分包括Nb和V，Nb和V的总质量百分比为0.01～0.04％，且Nb/V质量比值为1/2。
3.根据权利要求1所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述电炉冶炼工序包括：
控制转炉出钢终点C质量百分含量为0.06～0.15％，P质量百分含量≤0.016％，出钢温度为1600～1640℃，在出钢时加入的铝锭为1.5～3.0kg/t。
4.根据权利要求1所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述LF精炼工序包括：
控制精炼渣碱度为1.8～2.2，精炼渣呈白色后精炼时间≥20min，喂入钙线后软搅拌时间为20～25min。
5.根据权利要求1所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸工序包括：
控制钢水过热度为25～35℃，拉速为2.7±0.1m/min，二冷比水量为每千克钢水1.23～1.25L。
6.根据权利要求5所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸工序包括：
将连铸坯规格控制为140mm×140mm。
7.根据权利要求1所述的冷镦钢盘条的生产方法，其特征在于，所述轧后吐丝温度降至600℃后进行冷却，具体包括：
轧后吐丝温度至600℃采用缓冷工艺，冷却速度≤1.15k/s。
8.一种冷镦钢盘条，其特征在于，
采用如权利要求1～7任一项所述的生产方法制备而成。
9.根据权利要求8所述的冷镦钢盘条，其特征在于，所述冷镦钢盘条晶粒度为8～9级。
10.根据权利要求8所述的冷镦钢盘条，其特征在于，所述冷镦钢盘条球化退火后球化评级为5～6级。
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