CN115094326A - 一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用，所述耐高温冷镦钢，包括以下化学成分：C、Si、Mn、Cr、W、Mo、Ti、Nb，且耐热系数H值≥14.0；所述耐高温冷镦钢的常温抗拉强度≥1000MPa，常温屈服强度≥925MPa，700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％，适用于制作汽车发动机排气歧管、增压器等高温环境的高强度螺栓。

Description

一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用
技术领域
本发明属于紧固件用钢技术领域，涉及一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用。
背景技术
紧固件是我国装备制造业的基础性产业，国内铁路建设保持较快发展，不仅新建铁路和既有线改造为高速动车组、大功率机车、重载货车提供了新的市场需求，而且在役装备的更新换代也为紧固件提供了市场空间。近年来，开发具有特殊性能的高强紧固件用钢是热门课题。
目前国外在高级别、高等级的紧固件用冷镦钢开发和生产上具有较大优势，目前我国紧固件市场正处于“低端过剩，高端短缺”现状，特别是在航空航天、汽车等领域，国内高强度紧固件实物质量尚不能完全满足使用要求，大量质量可靠的高强度紧固件还需进口。高强度耐热紧固件需要承受高温、交变载荷，要求材料具有高的抗松弛性、足够的强度等性能，其原材料冷镦钢的70％来自进口。
发动机螺栓的应用环境复杂，如温度场(高/低温)、振动、冷热交替等，发动机正常工作时排气温度一般可达500℃～600℃，进气方式使用涡轮增压的排气温度会更高。发动机排气系统耐热紧固件，主要用于排气歧管、增压器、催化器等部位，其需要承受高温、交变载荷，要求原材料冷镦钢具有高的抗松弛性、足够的高温强度，随着各大厂家对发动机性能的不断提升，排气温度呈逐步上升趋势，需要开发具有更多具有优秀耐高温性能的冷镦钢产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用，所述耐高温冷镦钢的常温抗拉强度≥1000MPa，常温屈服强度≥925MPa，700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％，适用于制作汽车发动机排气歧管、增压器等高温环境的高强度螺栓。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种耐高温冷镦钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.03％～0.10％、Si0.40％～0.70％、Mn 2.10％～2.40％、Cr 2.50％～2.80％、W 1.30％～1.50％、Mo 0.30％～0.50％、Ti 0.40％～0.60％、Nb 0.15％～0.35％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，为了保证钢具有优异的耐高温性能，需保证耐热系数H值≥14.0，其中，
Figure BDA0003731265300000021
所述耐高温冷镦钢热轧态的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，其中，贝氏体的体积百分比为87～93％，晶粒度7-8级；所述耐高温冷镦钢在热处理之后金相组织为回火索氏体，晶粒度7-8级。
所述耐高温冷镦钢的常温抗拉强度≥1000MPa，常温屈服强度≥925MPa，700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％。
所述耐高温冷镦钢的热处理方法，包括以下步骤：
(1)球化退火：线材加热至650℃～680℃保温，而后加热至800℃～820℃保温，再降温至710℃～740℃保温，然后随炉冷却，如果偏离以上球化退火工艺，容易产生球化不足或者渗碳体异常长大现象；
(2)淬火：920℃～970℃淬火，空冷，高于此淬火温度奥氏体开始粗大化，低于此温度各合金元素无法充分固溶；
(3)回火：710℃～750℃回火，随炉冷却，高于此回火温度奥氏体开始粗大化，低于此温度各合金元素无法充分固溶。
步骤(1)中，线材加热至650℃～680℃保温2～3h，而后加热至800℃～820℃保温3～6h，再降温至710℃～740℃保温2～4h，然后随炉冷却至室温。
所述耐高温冷镦钢的生产方法，包括以下步骤：冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→方坯连铸→加热→线材轧制→斯太尔摩冷却线缓冷→热处理；所述热处理采用本发明所述的热处理方法进行。
所述冶炼步骤中，采用电弧炉或转炉进行冶炼，出钢时控制留钢时间大于4分钟，并进行挡渣控制，以避免下渣。吹氩站采用底吹氩，且保证吹氩时间大于5分钟，促使夹杂物上浮。
所述LF炉精炼步骤中，加入精炼剂和还原剂快速造渣，选用CaO-SiO2-Al2O3渣系，控制精炼后白渣碱度R在3.5～6.5，以保证吸附夹杂的效果。
所述VD真空脱气步骤中，软吹时间大于5分钟，充分去渣及去除气体、夹杂，同时保证钢液面不裸露，避免钢液面与空气接触而增氮。
所述方坯连铸步骤中，方坯尺寸为140mm×140mm～250mm×250mm。
所述加热步骤中，控制连铸方坯加热的均热温度1170～1220℃，如果均热温度低于1170℃，合金元素不能均匀扩散及固溶，且导致钢由于偏析出现性能不均匀；如果高于1220℃，奥氏体晶粒开始变粗大。
所述线材轧制步骤中，控制吐丝温度740～770℃，如果吐丝温度低于740℃，对轧制设备的负担较大；如果高于770℃，难以在斯太尔摩线上完成全部相变，在集卷时大量相变为马氏体组织，造成盘条脆性断裂；
所述斯太尔摩冷却线缓冷步骤中，控制保温段1#、2#罩盖开，风机开50％～70％，将盘条迅速降温至550℃～650℃，后面罩盖全关，风机全关，保温时间20～25min，控制盘条冷却速度控制为1℃/s以下。，这样的缓冷工艺下可得到贝氏体+铁素体+珠光体，其中，贝氏体的体积百分比为87～93％的理想组织，晶粒度7-8级，该组织塑性较好，不会发生脆断，且加工性能好，且合适的晶粒度能够保证钢不会因为晶粒过粗而发生钢的塑韧性差，也不会因为晶粒过细导致晶界面积较多，高温时因为晶界软化而恶化高温性能。
所述耐高温冷镦钢的直径为Φ5.5～35mm。
本发明还提供了所述耐高温冷镦钢在制作高温环境中使用的螺栓中的应用，所述耐高温冷镦钢700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％，适用于制作汽车发动机排气歧管、增压器等高温环境的高强度螺栓。
本发明提供的耐高温冷镦钢中，各化学成分控制及作用如下：
C：C是钢中最基本有效的强化和淬透性元素。但随着其含量增大，延展性降低，且C含量增加会导致钢中碳化物较多，在高温应用时易粗大，恶化钢的高温性能。C含量控制在0.03％～0.10％。
Si：Si是钢中有效强化的元素，尤其是C含量较低时，可适当提高Si含量保证强度。但若其过量会导致紧固件成形性降低，也会恶化常温塑性和热塑性，此外Si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。Si含量控制在0.40％～0.70％。
Mn：Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性，且增加晶界的偏析，导致晶界强度降低，导致钢在高温性能由于晶界弱化而降低。Mn含量控制在2.10％～2.40％。
Cr：Cr元素在钢中显著提高强韧性和热强性，Cr有部分在钢中固溶强化，另一部分析出细小的碳化物质点，在晶界沉淀，提高晶界强度，通过固溶强化和晶界强化提高高温强度。过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。Cr含量控制在2.50％～2.80％。
W：W耐高温，且溶于钢中会与碳形成碳化物，能提高钢的常温强度和高温强度，但过量的W会降低钢的抗蚀性和高温抗氧化性。W含量控制在1.30％～1.50％。
Ti：Ti与钢中N、C元素形成Ti(C,N)析出相具有抑制加热过程和热处理过程中晶粒长大的效果，同时固溶Ti强烈抑制高温下C的扩散，有效减轻高温碳化物长大趋势；但过高的Ti含量易产生液析大颗粒TiN夹杂物，降低钢的疲劳性能，因此，Ti含量应控制在0.40％～0.60％。
Nb：Nb在钢中和C形成氮化物，起到固碳作用，抑制高温下碳的扩散，同时钉轧在晶界上起到晶界强化的作用，有效提高钢的高温蠕变性能。Nb含量过高容易产生粗大的碳氮化物夹杂。Nb含量控制在0.15％～0.35％。
S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对材料的拉拔性能和冷镦性能有害；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.015％，S≤0.015％。
O：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤0.0015％。
本发明中的钢所达到的耐高温性能不是依靠各元素独立的耐热作用，而是利用各合金元素复合作用，从而达到最优的耐高温性能，为了达到最优的耐高温性能，需要保证耐热系数H值≥14.0。通过Cr、W、Mo、Ti、Nb在钢中的固溶强化、沉淀强化及晶界强化作用，保证本发明钢的高温强度及高温蠕变性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.通过控制耐高温冷镦钢中的Cr、W、Mo、Ti、Nb满足H值的定义公式，且H值≥14.0来保证冷镦钢的耐高温性能；
2.通过对方坯连铸之前的各工序进行控制，充分除杂；
3.使用合理的热处理方法保证热处理之后耐高温冷镦钢的常温抗拉强度≥1000MPa，常温屈服强度≥925MPa，700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％；
4.本发明提供的耐高温冷镦钢适用于制作汽车发动机排气歧管、增压器等高温环境的高强度螺栓。
附图说明
图1为实施例1中冷镦钢热轧态的金相组织，金相组织为90％贝氏体+铁素体+珠光体；
图2为对比例1中冷镦钢热轧态的金相组织，金相组织为马氏体+贝氏体；
图3为实施例1中冷镦钢热处理后的金相组织，金相组织为回火索氏体。
具体实施方式
本发明提供的一种耐高温冷镦钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.03％～0.10％、Si 0.40％～0.70％、Mn 2.10％～2.40％、Cr 2.50％～2.80％、W 1.30％～1.50％、Mo 0.30％～0.50％、Ti 0.40％～0.60％、Nb 0.15％～0.35％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其耐热系数H值≥14.0，其中，
Figure BDA0003731265300000071
所述耐高温冷镦钢的生产方法如下：冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→140mm×140mm～250mm×250mm方坯连铸→加热→线材轧制→斯太尔摩冷却线缓冷得到Φ5.5～35mm盘条成品→热处理，具体为：
冶炼步骤中，采用电弧炉或转炉进行冶炼，出钢时控制留钢时间大于4分钟，并进行挡渣控制，以避免下渣。吹氩站采用底吹氩，且保证吹氩时间大于5分钟，促使夹杂物上浮；
LF炉精炼步骤中，加入精炼剂和还原剂快速造渣，选用CaO-SiO2-Al2O3渣系，控制精炼后白渣碱度R在3.5～6.5，以保证吸附夹杂的效果；
VD真空脱气步骤中，软吹时间大于5分钟，充分去渣及去除气体、夹杂，同时保证钢液面不裸露，避免钢液面与空气接触而增氮；
方坯连铸步骤中，连铸时采用电磁搅拌，全程采用保护浇铸，连铸140mm×140mm～250mm×250mm方坯；
加热步骤中：控制连铸方坯加热的均热温度1170～1220℃；
线材轧制：控制吐丝温度740～770℃；
斯太尔摩冷却线缓冷步骤中，控制保温段1#、2#罩盖开，风机开50％～70％，将盘条迅速降温至550℃～650℃，后面罩盖全关，风机全关，保温时间20～25min，控制盘条冷却速度控制为1℃/s以下。；
热处理具体包括球化退火→淬火→回火，球化退火采用等温退火，先将线材加热650℃～680℃保温2～3h，而后加热至800℃～820℃保温3～6h，再降温至
Figure BDA0003731265300000091
Figure BDA0003731265300000101
Figure BDA0003731265300000111
Figure BDA0003731265300000121
Figure BDA0003731265300000131
Figure BDA0003731265300000141
MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％，适用于制作汽车发动机排气歧管、增压器等高温环境的高强度螺栓。
对比例1是化学成分组成控制适当，但生产方法控制不当的例子，其方坯在加热炉内均热温度过高，导致晶粒过粗，又由于轧制工艺控制不当，导致组织基本为马氏体，盘条发生多处脆断，无法正常使用。
对比例2的化学成分组成及生产方法控制适当，但是热处理工艺控制不当，未能达到通过固溶强化、细小碳化物弥散强化及晶界强化来提高高温力学性能的目的，其高温强度低，蠕变性能也较差。
对比例3是化学成分虽然在要求范围内，但是耐热指数H值未达到14.0的例子，导致高温抗拉强度低于600MPa，蠕变伸长率也高于0.70％。
对比例4市场上通用的耐热冷镦钢42CrMo，其高温力学性能均比本发明钢差，在700℃下高温抗拉强度仅达到313MPa，600℃下100h蠕变伸长率也较高，会导致螺栓在600℃时发生应力松弛而失效。
上述参照实施例对一种耐高温冷镦钢及其热处理方法、生产方法和应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温冷镦钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C0.03％～0.10％、Si 0.40％～0.70％、Mn 2.10％～2.40％、Cr 2.50％～2.80％、W1.30％～1.50％、Mo 0.30％～0.50％、Ti 0.40％～0.60％、Nb 0.15％～0.35％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其耐热系数H值≥14.0，其中，
Figure FDA0003731265290000011
2.根据权利要求1所述的耐高温冷镦钢，其特征在于，所述耐高温冷镦钢热轧态的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，其中，贝氏体的体积百分比为87～93％，晶粒度7-8级；所述耐高温冷镦钢在热处理之后金相组织为回火索氏体，晶粒度7-8级。
3.根据权利要求1所述的耐高温冷镦钢，其特征在于，所述耐高温冷镦钢的常温抗拉强度≥1000MPa，常温屈服强度≥925MPa，700℃高温抗拉强度≥600MPa，700℃高温屈服强度≥525MPa，600℃下持续100h蠕变塑性伸长率≤0.70％。
4.如权利要求1-3任意一项所述的耐高温冷镦钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：
(1)球化退火：线材加热至650℃～680℃保温，而后加热至800℃～820℃保温，再降温至710℃～740℃保温，然后随炉冷却；
(2)淬火：920℃～970℃淬火，空冷；
(3)回火：710℃～750℃回火，随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，线材加热至650℃～680℃保温2～3h，而后加热至800℃～820℃保温3～6h，再降温至710℃～740℃保温2～4h，然后随炉冷却至室温。
6.如权利要求1-3任意一项所述的耐高温冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→方坯连铸→加热→线材轧制→斯太尔摩冷却线缓冷→热处理；所述热处理采用权利要求4或5所述的热处理方法进行。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述LF炉精炼步骤中，控制精炼后白渣碱度R在3.5～6.5；所述VD真空脱气步骤中，软吹时间大于5分钟。
8.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述加热步骤中，控制连铸方坯加热的均热温度1170～1220℃。
9.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述线材轧制步骤中，控制吐丝温度740～770℃；所述斯太尔摩冷却线缓冷步骤中，控制保温段1#、2#罩盖开，风机开50％～70％，将盘条迅速降温至550℃～650℃，后面罩盖全关，风机全关，保温时间20～25min，控制盘条冷却速度控制为1℃/s以下。
10.如权利要求1-3任意一项所述的耐高温冷镦钢在制作高温环境中使用的螺栓中的应用。
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