CN115007661A - 一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，所述20CrMnTi棒材的直径规格为16‑40mm，包括对连铸坯进行加热、除鳞、粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却步骤；所述加热为四段加热，所述加热的时间为≥110min，所述加热Ⅰ段和均热段的总加热时间为≥50min；所述粗轧的入口温度为970‑990℃，所述精轧的出口温度为940‑960℃，所述穿水冷却为将来料冷却至返红温度为840‑860℃，所述冷床冷却的冷床入口温度为840‑860℃。选择较为适中的低温轧制，再配合轧后穿水及冷床密排缓冷，对棒材生产线的设备能力要求较低，无需装备减定径机组。

Description

一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种20CrMnTi棒材的生产方法，尤其涉及一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法。
背景技术
近年来，我国的汽车、工程机械等行业迅速发展，20CrMnTi棒材作为我国开发的齿轮钢主体钢种，因其淬透性、低温冲击性能、抗疲劳性能等力学性能良好，广泛用于齿轮、轴类、活塞类零配件。
20CrMnTi属于低碳合金钢，一般按国家标准GB/T3077-2015合金结构钢的相关技术要求进行生产交货，该标准要求20CrMnTi棒材在供货状态为退火或高温回火时布氏硬度不大于217HBW；但在实际生产中，考虑工序及成本因素，棒材多为热轧态生产供货(接近于正火态)，即轧制完成后通过冷床进行自然冷却，不进行退火或高温回火。在轧后棒材的组织和硬度的控制方面手段非常有限，小规格的20CrMnTi棒材(一般为≤Φ50mm)由于冷床冷却速度快，钢中发生贝氏体或马氏体组织转变，棒材的硬度从200HBW～220HBW上升到240HBW～300HBW。另由于冷床冷却过程中冷却不均匀，易导致棒材截面组织转变不同步使棒材产生弯曲，增加矫直工序。下游客户一般通过剪切或锯切下料，过高的硬度会导致下料时出现崩口等缺陷产生，且增加锯片、剪刃等消耗，降低加工效率，增加成本。
目前，控制组织及性能的方法主要分为两种：(1)高温上冷床、缓慢冷却。例如公开号为CN110129653A的中国发明专利公开了一种低硬度20CrMnTi棒材的生产方法，其记载了：轧后棒材穿水后进入冷床进行自然冷却，棒材上冷床温度控制在930±30℃，20CrMnTi棒材规格为Φ30mm-Φ42mm。但当棒材规格减小，由于冷床上冷却速度快，仍然会导致贝氏体及马氏体组织出现，因此该方法不适用于小规格20CrMnTi棒材。另该方法需要保证冷床区域环境无不受控冷却源(如自然风口)，否则组织转变仍不受控，且易造成严重弯曲。(2)低温轧制。授权号为CN108906884B的中国发明专利公开了一种高性能20CrMnTi齿轮钢的低温轧制生产方，其公开了：控制减定径机组入口温度为800-830℃；该方法精轧温度极低，则会使减定径机组等设备载荷增大，工装磨损增大，增加设备隐患及生产成本，该方法针对无减定径机组或轧机能力一般的棒材产线并不适用。另外，公开号为CN113926852A的中国发明专利公开了一种控制小规格20CrMnTi棒材组织及硬度的方法，其提到根据20CrMnTi系列棒材成分高低进行DI值计算，进而选择合适的轧制工艺制度。针对一条成熟棒材生产线，考虑产量因素，各规格轧制速度、各轧制道次变形量、冷床冷却速度基本相对固定，且钢坯存在成分偏析、不同炉钢坯存在成分波动，这些因素都对工艺制定不确定性造成影响，该方法在批量生产中难以实现。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，所述20CrMnTi棒材的直径规格为16-40mm，包括对连铸坯进行加热、除鳞、粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却步骤；
所述加热为四段加热，包括预热段、加热II段、加热I段和均热段；所述预热段的温度≤850℃，所述加热II段的温度为950-1030℃，所述加热I段的温度为1070-1100℃，所述均热段的温度为1050-1080℃；所述加热的时间为≥110min，所述加热I段和均热段的总加热时间为≥50min；
所述粗轧的入口温度为970-990℃，
所述精轧的出口温度为940-960℃，
所述穿水冷却为将来料冷却至返红温度为840-860℃，
所述冷床冷却的冷床入口温度为840-860℃。
优化地，所述连铸坯为方坯，其尺寸为150～200mm×150～200mm。
进一步地，所述除鳞为采用高压水去除氧化铁皮，高压水的压力≥13MPa。
优化地，所述粗轧、中轧和精轧的轧制道次分别为8道次、6道次和4-6道次。
优化地，所述穿水冷却采用2～4个水箱组合供水，水压为8-10bar、最大流量为240m3/h，每个水箱最大水冷速度为100℃/s。
优化地，所述冷床的每排齿上排两支棒材且无空缺，冷床出口温度为150-300℃。
优化地，所述加热在四段步进式加热炉内进行。
本发明小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，选择较为适中的低温轧制，再配合轧后穿水及冷床密排缓冷(即通过严格控制加热、粗轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却等温度)，对棒材生产线的设备能力要求较低，无需装备减定径机组；既避免了超低温轧制带来的设备载荷增大、工装磨损增大，又可以稳定控制棒材得到组织为铁素体与珠光体及硬度为170-210HBW，同时晶粒细小均匀，综合力学性能满足GBT3077-2015标准的要求，且棒材直线度满足客户使用要求，无需增加矫直工序，节约生产成本；优化了加热工艺，降低了加热过程煤气消耗，节约了生产成本，尤其适用于小规格20CrMnTi棒材的生产。
附图说明
图1为实施例1的产品金相图(50μm)；
图2为实施例1的产品金相图(200μm)；
图3为实施例2的产品金相图(50μm)；
图4为实施例2的产品金相图(200μm)。
图5为实施例3的产品金相图(50μm)；
图6为实施例3的产品金相图(200μm)。
图7为对比例1的产品金相图(50μm)；
图8为对比例1的产品金相图(200μm)；
图9为对比例2的产品金相图(50μm)；
图10为对比例2的产品金相图(200μm)。
图11为对比例3的产品金相图(50μm)；
图12为对比例3的产品金相图(200μm)。
具体实施方式
本发明小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，所述20CrMnTi棒材(20CrMnTi系列棒材的化学成分：C：0.17～0.23；Si：0.17～0.37；Mn：0.80～1.15；Cr：1.00～1.30；Ti：0.04～0.10；P≤0.030；S≤0.025；Al：0.015～0.025；N：0.0040～0.0060；其余为Fe，质量分数共计为100％)的直径规格为16-40mm，包括对连铸坯进行加热、除鳞、粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却步骤；所述加热为四段加热，包括预热段、加热II段、加热I段和均热段；所述预热段的温度≤850℃，所述加热II段的温度为950-1030℃，所述加热I段的温度为1070-1100℃，所述均热段的温度为1050-1080℃；所述加热的时间为≥110min，所述加热I段和均热段的总加热时间为≥50min所述粗轧的入口温度为970-990℃，所述精轧的出口温度为940-960℃，所述穿水冷却为将来料冷却至返红温度为840-860℃，所述冷床冷却的冷床入口温度为840-860℃。选择较为适中的低温轧制，再配合轧后穿水及冷床密排缓冷(即通过严格控制加热、粗轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却等温度)，对棒材生产线的设备能力要求较低，无需装备减定径机组；既避免了超低温轧制带来的设备载荷增大、工装磨损增大，又可以稳定控制棒材得到组织为铁素体与珠光体及硬度为170-210HBW，同时晶粒细小均匀，综合力学性能满足GBT3077-2015标准的要求，且棒材直线度满足客户使用要求，无需增加矫直工序，节约生产成本；优化了加热工艺，降低了加热过程煤气消耗，节约了生产成本，尤其适用于小规格20CrMnTi棒材的生产。
所述连铸坯为方坯，其尺寸为150～200mm×150～200mm。所述除鳞为采用高压水去除氧化铁皮，高压水的压力≥13MPa。所述粗轧、中轧和精轧的轧制道次分别为8道次、6道次和4-6道次。所述穿水冷却采用2～4个水箱组合供水(可以根据需要自由组合)，水压为8-10bar、最大流量为240m3/h，每个水箱最大水冷速度为100℃/s。所述冷床的每排齿上排两支棒材且无空缺，冷床出口温度为150-300℃；具体地，操作方法为：棒材上冷床时，冷床入口温度为840-860℃，冷床缓慢步进，保证每排齿上排两支棒材，且不存在空缺，确保棒材在冷床上能够相对均匀冷却，即使出现少量弯曲倾向，凭借齿条式冷床的自矫直功能能够有效抑制这种弯曲生成，最终出冷床温度为150-300℃，此时棒材内部组织转变已结束，则不会存在弯曲。所述加热在四段步进式加热炉内进行。
下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法(用于制作高性能20CrMnTi齿轮钢)，其规格为20mm，包括以下步骤：
(1)钢坯加热：将180mm×180mm×9000mm的连铸坯(C：0.20％、Si：0.24％、Mn：0.92％、Cr：1.04％、Ti：0.072％、P：0.016％、S：0.001％、Al：0.022％和N：0.0048％，其余为Fe，质量分数共计为100％)采用冷装方式放入四段步进式加热炉中进行加热：预热段的温度786℃、加热II段的温度998℃、加热I段的温度1081℃、均热段的温度1074℃；该加热工序中的总加热时间为118min，加热I段和均热段的总加热时间为57min；
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，高压水的压力15.1MPa；
(3)轧制：将除鳞后的钢坯送入轧机组进行粗轧、中轧和精轧，轧制道次分别为8道次、6道次和6道次；粗轧工序中粗轧入口温度为978℃，精轧工序中精轧出口温度为957℃；
(4)穿水冷却：该工序使用2个水箱，水压为9.1bar，流量为200m3/h，水冷速度为80℃/s；将来料穿水冷却至返红温度(冷床入口温度)为851℃；
(5)冷床冷却：冷床入口温度为851℃，冷床缓慢步进，保证每排齿上排两支棒材，且不存在空缺，出冷床温度为167℃，最终得到成品。
该方法获得的20CrMnTi热轧态组织为铁素体+珠光体(参见图1和图2)，其棒材产品力学性能如表1所示。
表1实施例1制备的成品机械性能表
Figure BDA0003715943630000051
实施例2
本实施例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法(用于制作高性能20CrMnTi齿轮钢)，其规格为30mm，包括以下步骤：
(1)钢坯加热：将180mm×180mm×9000mm的连铸坯采用冷装方式放入四段步进式加热炉中进行加热；连铸坯中各含量成分的质量百分比为：C：0.21％、Si：0.22％、Mn：0.90％、Cr：1.03％、Ti：0.067％、P：0.020％、S：0.002％、Al：0.025％和N：0.0045％，其余为Fe，质量分数共计为100％；其中，预热段的温度831℃、加热II段的温度1021℃、加热I段的温度1084℃、均热段的温度1069℃；该加热工序中的总加热时间为125min，加热I段和均热段的总加热时间为60min；n；
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，高压水的压力15.6MPa；
(3)轧制：将除鳞后的钢坯送入轧机组进行粗轧、中轧和精轧，轧制道次分别为8道次、6道次和6道次；粗轧工序中，粗轧入口温度为981℃；精轧工序中，精轧出口温度为946℃；
(4)穿水冷却：穿水冷却工序中使用2个水箱，水压为9.8bar，流量为220m3/h，水冷速度为92℃/s，将来料穿水冷却至返红温度(冷床入口温度)为842℃；
(5)冷床冷却：冷床入口温度为855℃，冷床缓慢步进，保证每排齿上排两支棒材，且不存在空缺，出冷床温度为226℃，最终得到成品。
该轧制生产工艺下，20CrMnTi热轧态组织为铁素体+珠光体(参见图3和图4)，其棒材产品力学性能如表2所示。
表2实施例2制备的成品机械性能表
Figure BDA0003715943630000052
实施例3
本实施例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法(用于制作高性能20CrMnTi齿轮钢)，其规格为40mm，包括以下步骤：
(1)钢坯加热：将180mm×180mm×9000mm的连铸坯采用冷装方式放入四段步进式加热炉中进行加热；连铸坯中各含量成分的质量百分比为：C：0.19％、Si：0.22％、Mn：0.89％、Cr：1.00％、Ti：0.061％、P：0.015％、S：0.003％、Al：0.023％和N：0.0054％，其余为Fe，质量分数共计为100％；其中，预热段的温度814℃、加热II段的温度1012℃、加热I段的温度1089℃、均热段的温度1077℃；该加热工序中的总加热时间为123min，加热I段和均热段的总加热时间为61min；
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，高压水的压力14.2MPa；
(3)轧制：将除鳞后的钢坯送入轧机组进行粗轧、中轧和精轧，轧制道次分别为8道次、6道次和4道次；粗轧工序中，粗轧入口温度为984℃；精轧工序中，精轧出口温度为949℃；
(4)穿水冷却：穿水冷却工序中使用2个水箱，水压为9.5bar，流量为240m3/h，水冷速度为100℃/s，将来料穿水冷却至返红温度(冷床入口温度)为842℃；
(5)冷床冷却：冷床入口温度为842℃，冷床缓慢步进，保证每排齿上排两支棒材，且不存在空缺，出冷床温度为273℃，最终得到成品。
该轧制生产工艺下，20CrMnTi热轧态组织为铁素体+珠光体(参见图5和图6)，其棒材产品力学性能如表3所示。
表3实施例3制备的成品机械性能表
Figure BDA0003715943630000061
对比例1
本例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：钢坯加热工序采用高温加热，预热段的温度833℃、加热II段的温度1014℃、加热I段的温度1186℃、均热段的温度1173℃。使粗轧工序中，粗轧入口温度为1065℃；精轧工序中，精轧出口温度为1028℃，经过穿水冷却后冷床入口温度为926℃，出冷床温度为316℃。
该轧制生产工艺下，20CrMnTi热轧态组织为贝氏体(参见图7和图8)，其棒材产品热轧态硬度为272HBW，晶粒度为6.0，直线度为6.0％0，需矫直交货。
对比例2
本例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：未经过穿水冷却，后冷床入口温度为952℃，出冷床温度为330℃。
该轧制生产工艺下，20CrMnTi热轧态组织为贝氏体(参见图9和图10)，其棒材产品热轧态硬度为266HBW，晶粒度为6.5，直线度为7.2％0，需矫直交货。
对比例3
本例提供一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：冷床冷却过程，未保证每排齿上排两支棒材，且分布不均匀，出冷床温度为109℃。
该轧制生产工艺下，20CrMnTi热轧态组织为铁素体+珠光体+贝氏体(参见图11和图12)，其棒材产品热轧态硬度为249HBW，晶粒度为8.0，直线度为4.8‰，需矫直交货。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，所述20CrMnTi棒材的直径规格为16-40mm，包括对连铸坯进行加热、除鳞、粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却步骤；其特征在于：
所述加热为四段加热，包括预热段、加热Ⅱ段、加热Ⅰ段和均热段；所述预热段的温度≤850℃，所述加热Ⅱ段的温度为950-1030℃，所述加热Ⅰ段的温度为1070-1100℃，所述均热段的温度为1050-1080℃；所述加热的时间为≥110min，所述加热Ⅰ段和均热段的总加热时间为≥50min；
所述粗轧的入口温度为970-990℃，
所述精轧的出口温度为940-960℃，
所述穿水冷却为将来料冷却至返红温度为840-860℃，
所述冷床冷却的冷床入口温度为840-860℃。
2.根据权利要求1所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述连铸坯为方坯，其尺寸为150~200mm×150~200mm。
3.根据权利要求1或2所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述除鳞为采用高压水去除氧化铁皮，高压水的压力≥13MPa。
4.根据权利要求1所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述粗轧、中轧和精轧的轧制道次分别为8道次、6道次和4-6道次。
5.根据权利要求1所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述穿水冷却采用2~4个水箱组合供水，水压为8-10bar、最大流量为240m3/h，每个水箱最大水冷速度为100℃/s。
6.根据权利要求1所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述冷床的每排齿上排两支棒材且无空缺，冷床出口温度为150-300℃。
7.根据权利要求1所述小规格20CrMnTi棒材组织及性能的控制方法，其特征在于：所述加热在四段步进式加热炉内进行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115971243A (zh) * 2023-02-05 2023-04-18 新疆八一钢铁股份有限公司 一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法

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