CN116815053A - 一种高强度非调质冷镦钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度非调质冷镦钢及其生产方法，成分：C0.15％～0.28％、Si0.60％～0.75％、Mn1.6％～1.9％、Cr0.2％～0.30％、V0.08～0.15％、Nb0.01～0.03％、Alt0.015％～0.035％、P≤0.015％、S≤0.015％、T.O≤0.0020％、N≤0.0060％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明采用高C‑高Mn，添加Cr、V、Nb等微合金晶粒元素，提高强韧性，获得铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体复合显微组织，生产的非调质冷镦钢用来制作抗拉强度1100MPa以上的高强度紧固件，有良好的强度、塑韧性和耐延迟断裂性能。
Description
技术领域
本发明属于非调质冷镦钢技术领域，尤其涉及一种高强度非调质冷镦钢及其生产方法。
背景技术
紧固件是一种非常重要且量大面广的最普通的通用基础件，广泛应用于机械制造、工程结构、铁路、汽车及拖拉机、建筑等行业中，约有70％的被联接件和组合装置是由紧固件联接的。紧固件主要靠冷镦成形，材料在制作过程中要承受高达70～80％的总变形量，要求材料在冷镦前有较好的塑性和低的硬度，因而传统工艺生产的冷镦钢线材需在冷镦和拉拔前进行耗时耗能的球化退火和调质这两道热处理工序。
近年来迫于节能降本的压力，紧固件生产厂家迫切要求钢厂开发能省去调质处理和拉拔前球化退火处理的新型节能冷镦钢线材，代替调质钢，不仅可节约能源，据统计每吨钢最高可节省电能近2500kw·h，此外，还可以避免因热处理而造成的淬火裂纹、工件变形、表面氧化脱碳等问题，不仅简化工艺，提高生产效率，对节能、降耗和减少环境污染具有特别重要的意义和必要性，具有显著的经济效益和社会效益，因此在国内外已得到较为广泛的应用。
目前国内外主要是通过采用微合金化、控轧控冷，及冷加工硬化达到同等调质钢水平。国际上20世纪80年代开始冷作强化非调质钢的研究开发，国内也开发成功非调质冷镦钢，可用于生产螺丝、牙条等变形量较小的紧固件，主要面向机械、建筑行业。
但是，随着技术的发展，各行业对紧固件的强度、性能等要求越来越高，对非调质冷镦钢的生产也带来了新的挑战。
2020年5月29日公开的公开号为CN111206190A的专利，公开了一种耐候紧固件用非调质冷镦钢、耐候紧固件及二者的生产方法，其组分及其重量百分比为：C0.10％～0.20％、Si0.30％～0.50％、Mn1.30％～1.50％、Cr0.60％～0.80％、Ni0.20％～0.30％、Cu0.20％～0.30％、V0.05％～0.10％、Alt0.040％～0.060％、Ti0.010％～0.020％、N0.010％～0.015％、O≤0.0015％、P≤0.030％、S≤0.020％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，化学成分上保证耐候指数I＞6.5；且Ni/Cu≥0.8、(Ti+V)/N≥5.5；所述耐候紧固件用非调质冷镦钢具有良好的耐候性能，其可在不退火的情况下直接拉拔成强度等级在9.8级以上的紧固件，但最高强度只有1000MPa，不能满足产品对高强度的要求。
2010年1月6日公开的公开号为CN101619414A公开了一种10.9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘条的轧制方法，组分重量百分比(％):C0.08-0.14％，Si0.03-0.35％，Mn1.80-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B0.0005-0.003％，Ti0.01-0.03％，Als0.010-0.050％，Nb0.02％-0.04％，其余为铁和微量杂质。其热轧盘条的轧制方法为:加热温度1050-1250℃，粗、中轧温度1000-1050℃，精轧温度750-830℃，变形量为50-60％，变形速率为20/s，吐丝温度730-850℃，吐丝后分两段控制冷却，550℃以上以≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.1-3℃/s的冷速缓冷，但抗拉强度只有770-840MPa，不能满足产品对高强度的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度非调质冷镦钢及其生产方法，通过成分设计和工艺优化，获得的高强度非调质冷镦钢用来制作抗拉强度1100MPa以上的高强度紧固件，可省去球化退火和调质处理，且经过拉拔和稳定化处理后抗拉强度Rm≥1100MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥44％，有良好的强度和塑韧性，且具有良好的耐延迟断裂性能。
本发明具体技术方案如下：
一种高强度非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：
C 0.15％～0.28％、Si 0.60％～0.75％、Mn 1.6％～1.9％、Cr 0.2％～0.30％、V0.08～0.15％、Nb 0.01～0.03％、Alt 0.015％～0.035％、P≤0.015％、S≤0.015％、T.O≤0.0020％、N≤0.0060％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
本发明提供的一种高强度非调质冷镦钢的生产方法，包括以下工艺流程：按照成分配料→电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→加热→初轧开坯→六连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
为保证线材成品的表面质量，连铸采用大圆坯，可有效保证铸坯的表面质量，轧制成150mm方坯后在高线进行轧制，最终成品表面结疤、凹坑等缺陷深度≤0.1mm。
所述高线轧制，采用低温轧制实现在线软化的目的，控制入减定径机温度740～760℃，吐丝温度750～770℃。
所述控轧控冷，为了获得本发明所需铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体复相组织，本发明采用先快冷后慢冷的方式，前5台保温罩盖打开，风机开到88％快速冷却，冷却速率6～8℃/s冷至470～520℃，后面6到11台风机全关，保温罩盖全部关闭，冷却速率0.7～1.0℃/s，避免马氏体组织的产生，温度至400～440℃集卷、上钩，随后空冷至室温打包、称重。
按照以上方法生产的高强度非调质冷镦钢的热轧态显微组织为：铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体，其中铁素体面积含量≥30％，马氏体+珠光体面积含量≥60％，抗拉强度为Rm≥930MPa。
以上方法生产的高强度非调质冷镦钢加工为紧固件，加工工艺流程为：冷拔→冷镦成型→加工螺纹→低温稳定化处理→表面处理加工紧固件。其中低温稳定处理工艺：加热200±10℃保温90±5min空冷，可与镀锌、达克罗等表面处理工艺相结合实现，可省去淬火+回火处理。
所述高强度非调质冷镦钢按照上述方法经过拉拔和稳定化处理后，钢材的奥氏体晶粒度≥10.0级，抗拉强度Rm≥1100MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥44％，延迟断裂性能R值≥0.82,有良好的强度和塑韧性，且具有良好的耐延迟断裂性能。
本发明设计思路如下：
C：为保证1100MPa高强度级别，适当增加C元素含量，C含量必须≥0.15％才能获得珠光体型冷作强化非调质钢。随着C含量增加，珠光体比例增加，强度提高，同时相对的铁素体的比例降低，塑性随之下降，冷加工性变差，故为了保证塑韧性实现免退火处理，保证，C含量控制在0.28％以下。C含量宜控制为0.15％～0.28％。
Si：为保证铁素体含量≥30％，适当增加硅含量，可增加组织中铁素体含量，并使晶粒变细，因而有利于韧性提高。同时硅元素具有很强的固溶强化作用，显著提高钢的加工硬化率。因此控制Si含量为0.60％～0.75％。
Mn：Mn含量可提高钢中铁素体和珠光体的硬度和强度，实现1100MPa强度，同时Mn含量可以提高淬透性，有利于获得一定量的马氏体，增加强度。但过量的Mn会降低钢的塑性。因而M n含量控制在1.6％～1.9％。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性，与Mn元素结合获得一定量的马氏体，以获得所需的高强度，并且通过固溶强化还能够显著提升珠光体的硬度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制、锻造过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性和冷加工性，因而控制Cr含量为0.2％～0.3％。
V、Nb：V、Nb元素均能够明细地细化晶粒，提高钢材的强韧性，与钢中的N、C元素形成V(C,N)、Nb(C,N)析出相，高温析出的第二相微粒对原始奥氏体晶界起到钉扎作用，细化奥氏体，低温区域析出的粒子成为铁素体、珠光体转变的形核点，提高铁素体的形核率，细化铁素体。最终使得生产的钢具有超细晶，呈现出优异的强度和塑性配合，在不退火的情况下可直接拉拔和冷镦。另外V(C,N)、Nb(C,N)析出相具有较强的氢陷阱能，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散和晶界偏聚，从而改善钢的耐延迟断裂性能。且V、Nb复合添加效果更好，因此，V含量应控制在0.08％～0.15％，Nb含量应控制在0.01～0.03％。
Alt：Alt是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，Al和C、N形成的碳化物微粒可细化晶粒，提高耐延迟断裂性能。过低的Al含量导致AlN析出量不足，不能起到抑制晶粒长大的效果，过高的Al含量易形成粗大的碳氮化物引起夹杂物含量增大，导致钢的纯净降低，耐延迟断裂性降低。Alt含量控制在0.015％～0.035％。
S和P：S、P等杂质元素在晶界处偏聚，将使耐延迟断裂性能大大降低。P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性；S元素形成MnS夹杂和在晶界偏析，从而增加钢的延迟断裂敏感性，因而P、S含量控制在P≤0.010％、S≤0.010％。
T.O和N：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量控制T.O≤0.0020％；N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N≤0.0060％。
本发明在钢成分设计中，为了获得高的强度，采用高C-高Mn的成分设计，获得一定量的马氏体组织来提高强度。同时添加Cr、V、Nb等微合金晶粒元素，提高强韧性，最终获得铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体复合显微组织。本发明生产的高强度非调质冷镦钢可用来制作抗拉强度1100MPa以上的高强度紧固件，可省去球化退火和调质处理。热轧态显微组织为：铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体，抗拉强度为Rm≥930MPa，经过拉拔和稳定化处理后钢材的奥氏体晶粒度≥10.0级，抗拉强度Rm≥1100MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥44％，延迟断裂性能R值≥0.82,有良好的强度和塑韧性，且具有良好的耐延迟断裂性能。
附图说明
图1为本发明具有优异耐蚀性的非调质冷镦钢热轧态显微组织，为铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体。
具体实施方式
本发明结合以下实施例和对比例对本申请进一步说明。
实施例1-实施例5
一种具有优异耐蚀性的非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和其它不可避免的杂质。
表1本发明实施例化学成分(wt％)
一种具有优异耐蚀性的非调质冷镦钢，包括以下质量百分比成分：按照表1中实施例1的成分生产。
以上各实施例具有优异耐蚀性的非调质冷镦钢的生产方法采用以下工艺流程生产：
按照成分配料→电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→加热→初轧开坯→六连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
各实施例和对比例具体工艺参数如表2所示。
表2本发明实施例和对比例线材轧制工艺
以上实施例1-实施例5和对比例1生产的高强度非调质冷镦钢不需要调质处理，冷拔→冷镦成型→加工螺纹→经过200℃±10℃、保温90min低温稳定化处理→表面处理加工紧固件，力学性能如表3所示。
力学性能测试方法GB/T 228.1金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法
延迟断裂性能采用室温下慢应变速率拉伸试验(SSRT)来评定分析，延迟断裂强度比R＝RBN/RBN0(充氢试样的缺口抗拉强度为RBN；未充氢试样的缺口抗拉强度为RBN0)(目前延迟断裂性能没有统一标准)
表3本发明实施例最终产品性能
以上画下划线的数据为不满足本申请要求的数据。
各实施例经过以上方法加工为紧固件，抗拉强度Rm≥1100MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥44％，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级，说明实施例具有较好的强韧性，同时具有良好的耐延迟断裂性能。
对比例1是C、Si、Mn含量不在本发明范围内，按照本发明工艺生产强度不够。
表4中对比例2的性能是调质处理后的性能，调质工艺淬火890℃，保温100min，回火500℃，保温120min。对比例2是采用实施例1的化学成分，采用常规缓冷工艺得到铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体组织，需要经过调整处理，且强度达不到1100MPa级别，延迟断裂性能也较差。
Claims (9)
1.一种高强度非调质冷镦钢，其特征在于，所述高强度非调质冷镦钢包括以下质量百分比成分：
C 0.15％～0.28％、Si 0.60％～0.75％、Mn 1.6％～1.9％、Cr 0.2％～0.30％、V0.08～0.15％、Nb 0.01～0.03％、Alt 0.015％～0.035％、P≤0.015％、S≤0.015％、T.O≤0.0020％、N≤0.0060％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的高强度非调质冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：按照成分配料→电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→加热→初轧开坯→六连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线轧制→控轧控冷→线材成品→包装、入库。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述高线轧制，控制入减定径机温度740～760℃，吐丝温度750～770℃。
4.根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于，所述控轧控冷，先以冷却速率6～8℃/s冷至470～520℃，然后以冷却速率0.7～1.0℃/s冷却至400～440℃，空冷至室温。
5.根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于，高强度非调质冷镦钢的热轧态显微组织为：铁素体+马氏体+珠光体+残余奥氏体，其中铁素体面积含量≥30％，马氏体+珠光体面积含量≥60％，抗拉强度为Rm≥930MPa。
6.根据权利要求2-5任一项所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法生产的高强度非调质冷镦钢经过拉拔和稳定化处理加工为紧固件。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述稳定化处理方法为加热200±10℃保温90±5min空冷。
8.根据权利要求6或7所述的生产方法，其特征在于，稳定化处理后，产品奥氏体晶粒度≥10.0级。
9.根据权利要求6或7所述的生产方法，其特征在于，稳定化处理后，产品抗拉强度Rm≥1100MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.93，断后伸长率A≥12％，断面收缩率Z≥44％，延迟断裂性能R值≥0.82。
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