CN115976418A - 一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法,属于金属冶炼技术领域,解决常规长杆螺栓钢调质生产工序复杂和成本高等问题,解决方案为:以C、Mn元素为基础,合理搭配少量V、Nb等元素设计,化学成分设计合理,非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢在强韧性、成型性及疲劳性能方面综合性能优良;其制备方法依次包括以下步骤:转炉冶炼、LF炉外精炼、控氮、连铸浇注、连铸坯分段加热、高压除鳞,本发明采用转炉+LF+连铸连轧的通用性生产工艺流程,经过各工序工艺优化后进行生产,可实现批量稳定生产及生产工艺的推广应用,免去了下游用户拉拔、调质工序,减少了生产成本和生产周期。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域,具体涉及一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法。
背景技术
随着我国汽车工业的飞速发展,以及全球节能减排的持续推进,国内外大力推进新能源汽车的研发和推广,作为新能源汽车的核心部件,电池包的安装固定可采用多块金属隔板/盖板,也可以采用长杆螺栓进行紧固。但是与金属隔板、盖板相比,使用长杆螺栓固定可以大幅减轻重量,因此长杆螺栓的开发更加符合绿色节能和电动汽车轻量化的需求。
长杆螺栓生产制造流程—般为:盘条—球化退火—酸洗—冷拔—冷镦—调质—表面处理。然而,传统长杆螺栓在调质处理过程中不可避免会面临以下几个问题:
1)长杆螺栓的调质热处理无法使用网带炉,只能采用箱式电阻炉,生产周期长、能耗高,造成生产效率低、制造成本高;
2)淬火将导致长杆螺栓变形,需要增加矫直处理,且直线度不能得到保证;
3)除调质外还需进行球化退火处理,多次热处理不仅消耗大量能源资源,污染环境,而且容易产生变形、开裂、脱碳等产品缺陷,质量风险髙。
为了解决上述问题,采用非调质钢生产长杆螺栓成为首选。非调高强热轧螺栓用钢不仅性能优于常规的调质型高强螺栓用钢,制造高强度螺栓产品可省去钢材冷拔前的退火处理、冷拔工工序和螺栓成形后的调质处理,节约制造大量成本,在很大程度上简化了生产工序,短了生产周期,降低了能源消耗。同时解决了深加工螺栓冲头过程中强度高、磨具耗大和易开裂等问题。满足未来可持续发展,低能耗、低污染和高性能的钢材成为发展的方向,深加工行业逐渐向高效率低成本和加工流程减量化的方向快速发展,适应了新流程的新材料开发方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足,解决常规长杆螺栓钢调质生产工序复杂和成本高等问题,本发明提供了一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法。根据材料对强韧性、疲劳寿命的特殊要求,设计了锰、钒、铌、氮元素的合理配比,并对残余元素进行了严格控制,保证了非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢具有良好的综合性能,为保证螺栓使用过程的强韧性,在精炼过程中加入V元素;为保证螺栓钢的纯净度,提高螺栓的疲劳寿命,严格控制钢中的硅元素含量(Si≤0.10%),对转炉和精炼脱氧、软吹工序进行合理控制,降低夹杂物含量;为保证钢材细小的奥氏体晶粒度,本发明通过V的微合金化,并将Al/N控制在≥2.0,通过均质化加热、高轧制比、TMCP轧制技术控制,保证GF20Mn2V钢具有优良的组织均匀性。
为实现上述目的,本发明是根据以下技术方案实现的:
一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢,其化学成分及其质量百分比为:C:0.16wt%~0.22wt%,Si≤0.10wt%,Mn:1.70wt%~2.40wt%,P≤0.025wt%,S≤0.025wt%,V:0.08wt%~0.15wt%,Al:0.025wt%~0.035wt%,N:0.010wt%~0.015wt%,H≤0.00025wt%,O≤0.0020wt%,其余为Fe及不可避免的杂质。
GF20Mn2V钢属于低碳铁素体+珠光体型非调质高强度螺栓用钢。化学成分设计要点:
(1)、在满足强度要求的前提下,较低的碳含量可以得到良好的拉拔、冷镦性能;
(2)、硅在受力结构钢中极易氧化,当氧从表面侵入时,晶界或晶粒附近的硅比其他元素优先扩散到晶界,与固溶在表面的微量氧在晶界结合形成氧化物,并呈网状分布,硅的内氧化物降低了零件表面强度和疲劳强度,会导致应力分布不均,弱化晶界增加了零件断裂的可能性,故尽量减少硅含量,采用低硅的化成成分设计,减少内氧化对高强螺栓钢的危害;
(3)、利用锰细化铁素体晶粒、珠光体团和珠光体片间距来提高非调质冷镦钢的强韧性,但是过多增加锰的质量分数会导致珠光体的增多,降低钢的韧性,且锰质量分数过高时,会促进贝氏体的生成;
(4)、钒作为重要的微合金元素,在钢中形成的V(C,N)析出可抑制再结晶,起到细晶强化作用,在铁素体中弥散的V(C,N)可提高钢的强度,碳氮化物粒度越小,析出强化效果越强;
(5)、铝和氮作为显著细化晶粒的元素,在钢中主要以氮化铝析出物的形式存在,可有效阻止其晶粒长大,保证晶粒度细小而均匀,进一步提高螺栓的使用寿命;
(6)、氧在钢材中主要以氧化物夹杂和部分固溶氧形式存在,通过氧含量的控制,保证钢材高的纯净度,通过精炼过程良好的脱氧工艺,保证氧含量不大于20ppm。
一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法,包括以下步骤:
S1、转炉冶炼:
S1-1、合金及渣料准备:按照非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比称取原料,其中Fe-Mn合金、Fe-Si合金的烘烤温度≥350℃,碳粉水份≤0.5wt%,钢芯铝干燥不潮湿;造渣材料要求干燥、水份检验合格;
S1-2、铁水装炉制度:铁水:85t±1t,废钢+生铁:14t~15t,总装入量:100t±2t;扒渣率100%,铁水温度T≥1250℃;
采用双渣法冶炼:开吹时加入球团500Kg~800Kg,吹炼过程氧压控制在0.78MPa~0.82MPa;吹炼3min~5min时进行倒渣,加入第二批渣料;
S1-3、出钢温度T:1640±10℃,并根据出钢口、包况、生产节奏调整,确保LF到站温度≥1550℃,出钢成分:0.08wt%≤[C]≤0.15wt%,[P]≤0.015wt%;
S2、LF炉外精炼:
将步骤S1制得的铁水加入LF炉精炼,然后加入CaO、萤石调渣,总渣量控制在2%以内,待化渣良好、渣变白,并且给电时间≥10min、钢水温度≥1560℃时钢水取样,根据钢水取样结果,按GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比要求进行微调,采用少量多次的加入方法微调铁水中的化学成分,每次补加合金量小于100Kg,精炼时间不小于70min;
S3、控氮:LF炉外精炼后当铁水温度≥1580℃时吹入氮气,软吹时间≥20min,软吹期间氮气压力不大于0.2MPa,软吹时禁止调成分以及剧烈的氮气搅拌操作;
S4、连铸浇注:连铸浇注过热度控制在20℃~35℃,并且连铸浇注过程中采用电磁搅拌;
S5、连铸坯分段加热:预热段加热温度为850℃~950℃,加热段加热温度为1120℃~1180℃,均热段加热温度为1100℃~1160℃,连铸坯总加热时间≥2.5h;
S6、高压除鳞:采用单道次多喷头喷水,开轧温度1000℃~1040℃,吐丝温度890℃~930℃,保证除鳞率≥95%,制得非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢。
进一步地,在所述步骤S1中,转炉冶炼终渣的MgO含量为8wt%-10wt%。
与现有技术相比本发明的有益效果为:
1、本发明提供的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢以C、Mn元素为基础,合理搭配少量V、Nb等元素设计,化学成分设计合理,非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢在强韧性、成型性及疲劳性能方面综合性能优良,完善了新能源用高强非调钢材料体系;
2. 本发明提供的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢免去了下游用户拉拔、调质工序,减少了生产成本和生产周期,更加符合绿色节能以及电动汽车轻量化的需求。
3、本发明采用转炉+LF +连铸连轧的通用性生产工艺流程,经过各工序工艺优化后进行生产,可实现批量稳定生产及生产工艺的推广应用。
附图说明
图1为非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢奥氏体晶粒图;
图2为非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢微观组织形貌图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。若未特别指明,实施例均按照常规实验条件。另外,对于本领域技术人员而言,在不偏离本发明的实质和范围的前提下,对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法,包括以下步骤:
S1、转炉冶炼:
S1-1、合金及渣料准备:非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比为:C:0.16wt%~0.22wt%,Si≤0.10wt%,Mn:1.70wt%~2.40wt%,P≤0.025wt%,S≤0.025wt%,V:0.08wt%~0.15wt%,Al:0.025wt%~0.035wt%,N:0.010wt%~0.015 H≤0.00025wt%,O≤0.0020wt%,其余为Fe及不可避免的杂质。按照非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比称取原料,其中Fe-Mn合金、Fe-Si合金的烘烤温度≥350℃,碳粉水份≤0.5wt%,钢芯铝干燥不潮湿;造渣材料要求干燥、水份检验合格;
S1-2、铁水装炉制度:铁水:85t±1t,废钢+生铁:14t~15t,总装入量:100t±2t;扒渣率100%,铁水温度T≥1250℃;
采用双渣法冶炼:开吹时加入球团500Kg~800Kg,吹炼过程氧压控制在0.78MPa~0.82MPa;吹炼3min~5min时进行倒渣,加入第二批渣料;
S1-3、出钢温度T:1640±10℃,并根据出钢口、包况、生产节奏调整,确保LF到站温度≥1550℃,出钢成分:0.08wt%≤[C]≤0.15wt%,[P]≤0.015wt%;转炉冶炼终渣的MgO含量为8wt%-10wt%;
S2、LF炉外精炼:
将步骤S1制得的铁水加入LF炉精炼,然后加入CaO、萤石调渣,总渣量控制在2%以内,待化渣良好、渣变白,并且给电时间≥10min、钢水温度≥1560℃时钢水取样,根据钢水取样结果,按GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比要求进行微调,采用少量多次的加入方法微调铁水中的化学成分,每次补加合金量小于100Kg,精炼时间不小于70min;
S3、控氮:LF炉外精炼后当铁水温度≥1580℃时吹入氮气,软吹时间≥20min,软吹期间氮气压力不大于0.2MPa,软吹时禁止调成分以及剧烈的氮气搅拌操作;
S4、连铸浇注:连铸浇注过热度控制在20℃~35℃,并且连铸浇注过程中采用电磁搅拌;
S5、连铸坯分段加热:预热段加热温度为850℃~950℃,加热段加热温度为1120℃~1180℃,均热段加热温度为1100℃~1160℃,连铸坯总加热时间≥2.5h;
S6、高压除鳞:采用单道次多喷头喷水,开轧温度1000℃~1040℃,吐丝温度890℃~930℃,保证除鳞率≥95%,制得非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢。
将本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢与20MnTiB钢进行特性对比检测,具体检测项目包括:非金属夹杂物,轧材奥氏体晶粒等级,力学性能,显微组织。
(1)非金属夹杂物对比:
非金属夹杂物测试方法为:分别取不同炉号的正常冶炼炉中冶炼的GF20Mn2V钢液和20MnTiB钢液,检测钢液中非金属夹杂物A、B、C、D类和DS,具体检测数据如表1所示。
(2)奥氏体晶粒等级对比:
测试GF20Mn2V钢和20MnTiB钢轧材奥氏体晶粒等级,本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的奥氏体晶粒均匀:奥氏体晶粒等级≥9.0级,横截面奥氏体晶粒极差≤1.0级,较20MnTiB钢整体提高1级,奥氏体晶粒形貌如图1所示,晶粒度检测数据如表2所示。
(3)力学性能对比:
对GF20Mn2V钢和20MnTiB钢的力学性能进行测试,本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢热轧态抗拉强度Rm≥900MPa(平均Rm=920 MPa),屈服强度Rel:580MPa~650MPa。热轧钢坯直接经过冷镦后抗拉强度Rm从900MPa提高到1500MPa,总伸长率Agt:10%~15%,拥有较高的应变硬化能力,较20MnTiB钢调质后平均提高200MPa,力学性能指标较20MnTiB钢整体提升,综合性能提高明显,具体检测数据见表3。
(4)显微组织对比:
如图2所示,对本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢轧材的微观组织形貌进行观察,钢的组织为铁素体+珠光体组织,且组织均匀。
将本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢用于新能源汽车的核心部件电池包的安装固定,保证性能要求的同时大幅减轻重量,符合绿色节能以及电动汽车轻量化的需求。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢,其特征在于:所述非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比为:C:0.16wt%~0.22wt%,Si≤0.10wt%,Mn:1.70wt%~2.40wt%,P≤0.025wt%,S≤0.025wt%,V:0.08wt%~0.15wt%,Al:0.025wt%~0.035wt%,N:0.010wt%~0.015wt%,H≤0.00025wt%,O≤0.0020wt%,其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、转炉冶炼:
S1-1、合金及渣料准备:按照非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比称取原料,其中Fe-Mn合金、Fe-Si合金的烘烤温度≥350℃,碳粉水份≤0.5wt%,钢芯铝干燥不潮湿;造渣材料要求干燥、水份检验合格;
S1-2、铁水装炉制度:铁水:85t±1t,废钢+生铁:14t~15t,总装入量:100t±2t;扒渣率100%,铁水温度T≥1250℃;
采用双渣法冶炼:开吹时加入球团500Kg~800Kg,吹炼过程氧压控制在0.78MPa~0.82MPa;吹炼3min~5min时进行倒渣,加入第二批渣料;
S1-3、出钢温度T:1640±10℃,并根据出钢口、包况、生产节奏调整,确保LF到站温度≥1550℃,出钢成分:0.08wt%≤[C]≤0.15wt%,[P]≤0.015wt%;
S2、LF炉外精炼:
将步骤S1制得的铁水加入LF炉精炼,然后加入CaO、萤石调渣,总渣量控制在2%以内,待化渣良好、渣变白,并且给电时间≥10min、钢水温度≥1560℃时钢水取样,根据钢水取样结果,按GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比要求进行微调,采用少量多次的加入方法微调铁水中的化学成分,每次补加合金量小于100Kg,精炼时间不小于70min;
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S6、高压除鳞:采用单道次多喷头喷水,开轧温度1000℃~1040℃,吐丝温度890℃~930℃,保证除鳞率≥95%,制得非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢。
3.根据权利要求2所述的一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法,其特征在于:在所述步骤S1中,转炉冶炼终渣的MgO含量为8wt%-10wt%。
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