CN115537663B

CN115537663B - 高硅高氮非调质钢及其制备方法

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Publication number: CN115537663B
Application number: CN202211252544.8A
Authority: CN
Inventors: 钟芳华; 刘年富; 黄铸铭; 李娟�; 钟凡; 周成宏; 董凤奎; 邓湘斌; 杨伟光; 赵贺楠; 胡昭锋; 戴坚辉; 何健楠
Original assignee: Baowu JFE Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu JFE Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2042-10-13
Also published as: CN115537663A

Abstract

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体而言，涉及高硅高氮非调质钢及其制备方法，高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计包括：Si：0.60‑0.80％和N：0.015‑0.025％；本发明的制备方法的加热轧制中，预热段温度≤750℃，加热时间≥120min；一加热段温度800‑1050℃，一加热时间≥60min；二加热段温度1230‑1260℃，二加热时间50‑80min；均加热段温度1220‑1240℃，均加热时间40‑70min。本发明的高硅高氮非调质钢能够兼顾表面质量和性能。

Description

高硅高氮非调质钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体而言，涉及高硅高氮非调质钢及其制备方法。

背景技术

非调质钢是一种同时满足高性能和低成本要求的环境友好型钢材，随着汽车及其相关配套行业的环保节能以及降本等压力的增加，非调质钢在汽车零部件上的应用越来越广泛。

但是，相关技术提供的非调质钢难以兼顾其表面质量和性能。

发明内容

本发明的目的在于提供高硅高氮非调质钢及其制备方法，本发明的高硅高氮非调质钢能够兼顾表面质量和性能。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种高硅高氮非调质钢，高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计为：C：0.44-0.52%，Si：0.60-0.80%，Mn：1.40-1.60%，P≤0.025%，S：0.020-0.035%，Cr：0.10-0.20%，V：0.10-0.20%，Ni：0.10-0.20%，Cu≤0.10%，Mo≤0.05%，Al≤0.030%，N：0.015-0.025%，Ti：0.010-0.025%，其余为Fe和其他不可避免的杂质；高硅高氮非调质钢的碳当量值Ceq：0.77-0.93，金相组织为：珠光体+铁素体。

在可选的实施方式中，高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计为：C：0.44-0.48%，Si：0.70-0.80%，Mn：1.45-1.55%，P≤0.020%，S：0.020-0.030%，Cr：0.13-0.18%，V：0.15-0.20%，Ni：0.15-0.20%，Cu≤0.05%，Mo≤0.05%，Al：0.005%-0.020%， N：0.015-0.022%，Ti：0.010-0.020%；高硅高氮非调质钢的碳当量值Ceq：0.80-0.89。

第二方面，本发明提供如前述实施方式的高硅高氮非调质钢的制备方法，包括：

S1：转炉冶炼；

S2：LF钢包炉精炼；

S3：RH真空脱气；

S4：连铸；

S5：加热轧制；其中，

步骤S5中，预热段温度≤750℃，加热时间≥120min；一加热段温度800-1050℃，一加热时间≥60min；二加热段温度1230-1260℃，二加热时间50-80min；均加热段温度1220-1240℃，均加热时间40-70min。

在可选的实施方式中，步骤S5中，轧制时，单道次压下量≤15%。

在可选的实施方式中，步骤S5中，开坯机冷却水流量为70-100m³/h。

在可选的实施方式中，步骤S2中，碱度控制在4-6；步骤S3中，碱度控制在2-3，并喂入硫铁线和Al线。

在可选的实施方式中，步骤S4中，控制结晶器保护渣的粘度为0.8±0.05Pa·s，结晶器水流量为3000±20L/min，二冷水流量为0.20±0.02L/kg。

在可选的实施方式中，步骤S4中，中包钢水温度为1498-1518℃；连铸过程将钢水过热度为20-30℃。

在可选的实施方式中，步骤S4中，连铸坯入坑缓冷温度≥600℃，出坑温度≤200℃。

在可选的实施方式中，步骤S1中，转炉终点碳为0.10-0.30%，出钢温度为1640-1650℃。

本发明包括以下有益效果：

本发明实施例提供的高硅高氮非调质钢的组分中的Si 在钢中以固溶体的形式存在于铁素体中，具有显著的固溶强化作用；Ni是非碳化物形成元素，固溶于钢中，可以提高淬透性并降低共析点C含量；优化Si和N的用量，一方面确保钢具有优异的塑性、韧性和强度，另一方面还能提高钢的表面质量。

本发明实施例提供的高硅高氮非调质钢的制备方法通过优化组分中的Si和N的量、以及提高二加热段和均热段的温度，避免FeO-SiO₂氧化物共晶产物凝固，以降低除鳞难度，提高钢的表面质量，并确保钢具有优异的塑性、韧性和强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明实施例1的高硅高氮非调质钢除鳞的示意图；

图2为本发明实施例2的高硅高氮非调质钢除鳞的示意图；

图3为本发明对比例1的非调质钢除鳞的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

相关技术提供的非调质钢在经过连铸、加热、轧制等生产过程时，受冷却、加热的组织相变及热应力等的影响容易产生表面裂纹，影响产品质量，即相关技术提供的非调质钢难以兼顾其表面质量和性能。

本发明提供一种高硅高氮非调质钢其不仅具有良好的性能，其抗拉强度高，还能兼顾表面质量，能够适用于制作抗拉强度1000Mpa级以上的曲轴、连杆。

本发明的高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计为：C：0.44-0.52%，Si：0.60-0.80%，Mn：1.40-1.60%，P≤0.025%，S：0.020-0.035%，Cr：0.10-0.20%，V：0.10-0.20%，Ni：0.10-0.20%，Cu≤0.10%，Mo≤0.05%，Al≤0.030%，N：0.015-0.025%，Ti：0.010-0.025%，其余为Fe和其他不可避免的杂质；高硅高氮非调质钢的碳当量值Ceq：0.77-0.93，金相组织为：珠光体+铁素体。

C是保证非调钢曲轴使用强度所必需的成分。碳对钢的强化效果大约是Si的5倍，Cr的9倍和Mn的18倍，因此，为保证使用高硅高氮非调质钢制备的曲轴具有足够的强度、硬度，钢中必须有相当高的C含量，故定C含量为0.44-0.52％，例如：0.44%、0.46%、0.48%、0.50%、0.52%等，在此不作具体限定。

在较优的实施方式中，C含量为0.44-0.48%。

Si 在钢中以固溶体的形式存在于铁素体中，具有显著的固溶强化作用，但是Si含量过高、会降低钢的塑性和韧性；故本公开将硅控制在0.60-0.80%，例如：0.60%、0.65%、0.70%、0.75%、0.80%等；优化Si的用量，一方面确保钢具有优异的塑性、韧性和强度，另一方面还能提高钢的表面质量。

在较优的实施方式中，Si含量为0.70-0.80%。

Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，是保证非调钢使用强度所必需的成分；同时，Mn与S形成MnS夹杂，提高钢的切削加工性；但Mn含量大于1.60％时，锻件容易出现贝氏体，导致组织不合格，恶化锻件的疲劳性能。故本公开将Mn含量控制为1.40-1.60％，例如：1.40%、1.45%、1.50%、1.55%、1.60%等，以减少贝氏体的出现，提高组织合格率，确保锻件具有良好的疲劳性能。

在较优的实施方式中，Mn含量为1.45-1.55%。

P 元素在钢液凝固时容易形成微观偏析，随后在高温加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。将P的量控制为≤0.025%，例如：0.025%、0.020%、0.015%等，能够避免钢的脆性显著增大的问题，以确保钢的优异性能。

在较优的实施方式中，P≤0.020%。

S 与Mn 形成细小、分散分布MnS而改善钢的切削加工性。S 含量过高将恶化钢的热加工性，将S含量控制在0.020～0.035％，例如：0.020%、0.030%、0.035%等，即可避免恶化钢的热加工性。

在较优的实施方式中，S的含量为0.020-0.030%。

Cr在钢中可以增加淬透性，并改善钢的力学性能，但是Cr含量过高，会恶化钢的切削加工性能。本公开的Cr含量为0.10-0.20%，例如：0.10%、0.12%、0.13%、0.15%、0.18%、0.20%等，即可避免恶化钢的削切加工性能。

在较优的实施方式中，Cr的含量为0.12-0.20%；进一步优选地，Cr的含量为0.13-0.18%。

V强碳化物形成元素，主要表现在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大；随奥氏体化温度升高，V（C、N）在奥氏体中的溶解量增加，在随后的控锻控冷过程中，细小的V（C、N）析出量也增加，但是若V过高，钢的成本增加。本公开控制V的含量为0.10-0.20%，例如：0.10%、0.15%、0.18%、0.20%等，一方面能够提升钢的性能，另一方面能够改善成本的过度增加。

在较优的实施方式中，V的含量为0.15-0.20%。

Ni是非碳化物形成元素，固溶于钢中，可以提高淬透性并降低共析点C含量，但是Ni过高，钢的成本增加。因此，Ni元素含量在0.10-0.20%，例如：0.10%、0.15%、0.18%、0.20%等。

在较优的实施方式中，Ni的含量为0.15-0.20%。

增加N含量是为了保证所述的非调质钢中V的沉淀强化和锻造后获得最佳的强韧性能。因此，本发明确定N的含量0.015-0.025%，例如：0.15%、0.20%、0.22%、0.25%等；优化N的用量，一方面确保钢具有优异的塑性、韧性和强度，另一方面还能提高钢的表面质量。

在较优的实施方式中，N的含量为0.015-0.022%。

Ti在钢中与C、N结合，形成Ti(C，N)第二相粒子，钉扎晶界，细化晶粒，提高屈服强度和抗拉强度，从而提高曲轴疲劳强度。Ti含量太高，容易在连铸冷却过程中吸出大量大尺寸液相TiN，影响非调钢的纯净度。因此，本公开控制N的含量为0.010-0.025%，例如：0.010%、0.015%、0.020%、0.025%等。

在较优的实施方式中，Ti的含量为0.010-0.020%。

在较优的实施方式中，Cu≤0.05%，例如：0.05%、0.04%等；Mo≤0.05%，例如：0.05%、0.04%等；Al：0.005%-0.020%，例如：0.005%、0.010%、0.020%等。

本发明中，Ceq值由公式：Ceq=C+Si/7+Mn/8+Cr/9+Ni/22+V/3+Cu/9，计算得出。

进一步地，本发明的高硅高氮非调质钢的抗拉强度≥1000MPa，A≥10%，Z≥25%；晶粒度≥5级；轧态硬度285-310HBW。

本发明还提供一种高硅高氮非调质钢的制备方法，其包括：

S1：转炉冶炼；

S2：LF钢包炉精炼；

S3：RH真空脱气；

S4：连铸；

S5：加热轧制；

S6：试样组织、性能检测。

在一些实施方式中，步骤S1中，转炉终点碳控制在0.10-0.30%，出钢温度控制在1640-1650℃。

在一些实施方式中，步骤S2的精炼过程中，进行全程吹氩搅拌，加入造渣材料造渣，精炼渣保持时间12-15min，例如：12min、13min、14min、15min等；上述造渣材料包括石灰、萤石和脱氧剂。精炼过程过程中加入镍板、铬铁等合金调整成分。精炼全程采用高碱度渣系，碱度控制在4-6，例如：4、5、6等，充分脱氧并保证夹杂物去除干净。

在一些实施方式中，步骤S3中，RH工序调整精炼渣碱度至2-3，喂入硫铁线和Al线，以调整S和Al含量。

需要强调的是，LF阶段碱度控制4-6，通过高碱度渣系进行深脱氧，促进夹杂物上浮，提高钢水纯净度，RH阶段控制碱度2-3，主要是为了加入S，即利于硫含量加入，若是碱度太高的话S易与Ca形成CaS进入渣中，导致S收得率低，故优化RH阶段的碱度，以确保S收得率。

进一步地，步骤S3中，真空度控制在266Pa以内，高真空时间控制在15-20min，高真空能够有效地去除氢气，以改善钢种中因氢含量高而导致铸坯开裂或圆钢形成氢致裂纹的问题。

再进一步地，为防止钢种形成大尺寸的含Al、Ca夹杂物，真空处理结束后，不允许喂入钙线。真空处理后立即投入碳化谷壳保温，软吹时间控制在20-30min，例如：20min、25min、30min等，氩气流量控制5-25Nm³/h，例如：5Nm³/h、10Nm³/h、15Nm³/h、20Nm³/h、25Nm³/h等。

在一些实施方式中，步骤S4包括铸坯表面质量、铸坯成分均匀性及铸坯冷却的控制方法。为减少钢水二次氧化，连铸全程采用吹氩保护浇铸。为了获得良好的铸坯表面质量，连铸过程中控制结晶器保护渣的粘度为0.8±0.05Pa·s，例如：0.795Pa·s、0.8Pa·s、0.805Pa·s等，结晶器水流量为3000±20L/min，例如：2980L/min、3000L/min、3020L/min等，二冷水流量为0.20±0.02L/kg，例如：0.18L/kg、0.20L/kg、0.22L/kg等；通过控制保护渣的粘度、结晶器水流量和二冷水流量，提高铸坯过拉矫机时温度，避开铸坯脆化温度区间，降低铸坯裂纹风险。

由于Si在加热过程中易形成FeO-SiO₂氧化物共晶产物，该共晶产物粘度高、易嵌入基体中，凝固后很难去除；N则会与V和Ti等元素形成细小的析出物钉扎在晶界，细化晶粒，提高材料的强度，但是这些细小析出物容易降低晶界的结合力，进而增大了裂纹的敏感性。

故通过保护渣的粘度、结晶器水流量和二冷水流量三者相互协同、配合，能够提高铸坯过拉矫机时的表面温度，有利于减少FeO-SiO₂氧化物共晶产物凝固，避免表面开裂。其中，保护渣黏度提高，在渣道内的固态渣膜会变厚，增大铸坯与结晶器壁间的热阻，减少铸坯传热，提高铸坯出结晶器的温度；结晶器水量降低，进出水温差大，铸坯与结晶器壁的温度梯度变小，铸坯传热减少，出结晶器温度提高；二冷水喷的水少，带走的热量少，进拉矫机的温度高；通过保护渣的粘度、结晶器水流量和二冷水流量三者相互协同、配合，能够实现提高铸坯过拉矫机时温度，避开铸坯脆化温度区间，降低铸坯裂纹风险。

进一步地，为获得铸坯相对均匀成分控制，中包钢水温度控制在1498-1518℃，例如：1498℃、1500℃、1510℃、1518℃等；连铸过程将钢水过热度控制在20-30℃，例如：20℃、25℃、30℃等，采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌和轻压下工艺联合控制铸坯从表到里的成分均匀性。结晶器电磁搅拌参数控制为710A±10A/2.5Hz、末端电磁搅拌参数控制为680A±10A/3.5Hz；为控制好铸坯表面质量，连铸坯采用高温缓冷或红送装炉方式，连铸坯入坑缓冷温度≥600℃，出坑温度≤200℃。

由于本发明的高硅高氮非调质钢中硅含量高，在加热过程中易形成FeO-SiO₂氧化物共晶产物(熔点1173℃)，这种共晶产物粘度高、易嵌入基体中，凝固后很难去除。此外，此高硅高氮非调质钢中的氮含量高，加热过程中表面易形成裂纹。这两个因素对表面质量影响很大。

因此为了确保高硅高氮非调质钢具有优异的表面质量，在本发明中步骤S5，需要严格控制各段加热温度及加热时间和除鳞水压力，其中，预热段温度≤750℃，例如：750℃、730℃、710℃等，加热时间≥120min，例如：120min、130min、140min等；一加热段温度800-1050℃，例如：800℃、900℃、1000℃、1050℃等，加热时间≥60min，例如：60min、65min、70min等；二加热段温度1230-1260℃，例如：1230℃、1240℃、1250℃、1260℃等，加热时间50-80min，例如：50min、60min、70min、80min等；均加热段温度1220-1240℃，例如：1220℃、1230℃、1240℃等，加热时间40-70min，例如：40min、50min、60min、70min等。

提高二加热段和均热段温度，确保钢坯进除鳞机前温度在1173℃以上，避免FeO-SiO₂氧化物共晶产物凝固，以降低除鳞难度。高温段时间（二加热段和均热段的时间）不宜过长，过长导致脱碳严重。

进一步地，除鳞水压力按23±1MPa控制，以便于在设备运行条件下，尽可能提高除鳞水压力，确保除鳞干净。

再进一步地，轧制过程中控制开坯机道次压下量，单道次压下量≤15%，例如：15%、12%、10%等；开坯机冷却水流量为70-100m³/h，例如：70m³/h、80m³/h、90m³/h、100m³/h等；如此，可以减少铸坯表面由于冷却过快导致的应力裂纹。

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1-2的组分见表1，制备方法参数见表2。

表1 非调质钢的组分（wt%）

表2 非调质钢的制备方法

对比例1

对比例1与实施例1的非调质钢的组分相似，区别在于二加热段的温度为1193℃，均热段的温度为1185℃，两者均低于实施例1。

对比例2

对比例2与实施例1的非调质钢的组分相似，区别在于结晶器水流量为3400L/min，二冷水流量为0.26L/kg，两者均高于实施例1。

对比例3

对比例3与实施例1的非调质钢的组分相似，区别在于保护渣黏度为0.68Pa/S，低于实施例1。

对比例4

对比例4的制备方法与实施例1相似，区别仅在于Si和N的量不同，Si和N的量均更少，Si的量为0.50wt%，N的量为100ppm。

对比例5

对比例5的制备方法与实施例1相似，区别仅在于Si和N的量不同，Si和N的量均更高，Si的量为0.92wt%，N的量为312ppm。

比较各个实施例和对比例的非调质钢的性能，结果见表3。

表3 非调质钢的性能

根据表3的结果以及图1-3可知，本发明的非调质钢的组分和制备方法能够在钢具有优异的抗拉强度等性能的同时，确保其表面质量，提高合格率。其中，对比例1的二加热段和均热段的温度均低于实施例1，其表面探伤初检合格率均差于实施例1；对比例2的结晶器水流量和二冷水量均高于实施例1，其表面探伤初检合格率明显差于实施例1；对比例3的保护渣黏度低于实施例1，其表面探伤初检合格率明显差于实施例1；对比例4的Si和N的量均低于实施例1，其强度明显差于实施例1；对比例5的Si和N的量均高于实施例1，其强度虽然高于实施例1，但表面探伤初检合格率明显差于实施例1。

综上所述，本发明一方面通过优化Si和N的量确保高硅高氮非调质钢能够兼顾表面质量和性能，另一方面还协同制备方法的优化提高二加热段和均热段的温度，避免FeO-SiO₂氧化物共晶产物凝固，以降低除鳞难度，提高钢的表面质量，并确保钢具有优异的塑性、韧性和强度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高硅高氮非调质钢，其特征在于，所述高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计为：C：0.44-0.52%，Si：0.60-0.80%，Mn：1.40-1.60%，P≤0.025%，S：0.020-0.035%，Cr：0.10-0.20%，V：0.10-0.20%，Ni：0.10-0.20%，Cu≤0.10%，Mo≤0.05%，Al≤0.030%，N：0.015-0.025%，Ti：0.010-0.025%，其余为Fe和杂质；所述高硅高氮非调质钢的碳当量值Ceq：0.77-0.93，金相组织为：珠光体+铁素体；其中，

所述高硅高氮非调质钢的制备方法包括：

S1：转炉冶炼；

S2：LF钢包炉精炼；

S3：RH真空脱气；

S4：连铸；

S5：加热轧制；其中，

步骤S5中，预热段温度≤750℃，加热时间≥120min；一加热段温度800-1050℃，一加热时间≥60min；二加热段温度1230-1260℃，二加热时间50-80min；均加热段温度1220-1240℃，均加热时间40-70min；

步骤S4中，控制结晶器保护渣的粘度为0.8±0.05Pa·s，结晶器水流量为3000±20L/min，二冷水流量为0.20±0.02L/kg。

2.根据权利要求1所述的高硅高氮非调质钢，其特征在于，所述高硅高氮非调质钢的组分按质量百分含量计为：C：0.44-0.48%，Si：0.70-0.80%，Mn：1.45-1.55%，P≤0.020%，S：0.020-0.030%，Cr：0.13-0.18%，V：0.15-0.20%，Ni：0.15-0.20%，Cu≤0.05%，Mo≤0.05%，Al：0.005%-0.020%，N：0.015-0.022%，Ti：0.010-0.020%；所述高硅高氮非调质钢的碳当量值Ceq：0.80-0.89。

3.如权利要求1或2所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，包括：

S1：转炉冶炼；

S2：LF钢包炉精炼；

S3：RH真空脱气；

S4：连铸；

S5：加热轧制；其中，

步骤S4中，控制结晶器保护渣的粘度为0.8±0.05Pa·s ，结晶器水流量为3000±20L/min，二冷水流量为0.20±0.02L/kg。

4.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S5中，轧制时，单道次压下量≤15%。

5.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S5中，开坯机冷却水流量为70-100m³/h。

6.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S2中，碱度控制在4-6；步骤S3中，碱度控制在2-3，并喂入硫铁线和Al线。

7.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S4中，中包钢水温度为1498-1518℃；连铸过程将钢水过热度为20-30℃。

8.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S4中，连铸坯入坑缓冷温度≥600℃，出坑温度≤200℃。

9.根据权利要求3所述的高硅高氮非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤S1中，转炉终点碳为0.10-0.30%，出钢温度为1640-1650℃。