CN117187687A - 一种高性能螺栓用钢及其生产方法 - Google Patents
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- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高性能螺栓用钢及其生产方法，化学成分质量百分比为：0.24%≤C≤0.29%、1.35≤Si≤1.50%、1.75%≤Mn≤1.95%、0.70%≤Cr≤0.80%、0.20%≤Ni≤0.25%、0.23%≤Mo≤0.27%、0.050%≤V≤0.070%、0.20%≤Cu≤0.25%、Al≤0.003%、P≤0.011%，S≤0.006%，余量为Fe。本发明C、Si、Mn、Cr、Mo合金元素的加入，提高钢的强度、硬度、韧性和耐磨性，显著提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；加入Ni、Cu、V在细化钢组织的同时，提高钢的强度、塑性、耐候性和冲击韧性，使产品强度达到12.9级螺栓的要求。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁行业中的特种合金钢，更具体地说，它涉及一种高性能螺栓用钢及其生产方法。
背景技术
用高强度钢制造或需要施以较大预紧力的螺栓称为高性能螺栓，多用于桥梁、钢轨、风电及超高压设备的连接，具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力载荷作用下不致松动等优点，产生的断裂多为脆性断裂，随着大型风电设备、大飞机、汽车、高速火车、大型船舶、大型成套设备等为代表的先进制造已进入重要的发展方向，高性能螺栓用于重要机械的连接，目前，国内外高性能螺栓用料常使用铬钼钢。
GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对铬钼钢进行了以下规定：C：0.38%-0.45%、Si：0.17%-0.37%、Mn：0.50%-0.80%、P≤0.020%、S≤0.020%、Cr：0.90%-1.20%、Ni≤0.30%、Cu≤0.25%、Mo：0.15%-0.25%，高性能螺栓用于重要机械的连接，反复的拆装或各式的安装扭矩法对高性能螺栓要求越来越高，现有的铬钼钢性能达不到要求，使用寿命缩短，甚至发生意外，加工困难，制造成本高，提升的关键还在高性能螺栓用钢材，因此亟需一种高强度、高韧性、高寿命的螺栓用钢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高性能螺栓用钢及其生产方法。提高材料的强韧性和疲劳寿命，通过淬火+高温回火，最终达到高性能螺栓所需的性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高性能螺栓用钢，其主要化学成分质量百分比为：0.24%≤C≤0.29%、1.35≤Si≤1.50%、1.75%≤Mn≤1.95%、0.70%≤Cr≤0.80%、0.20%≤Ni≤0.25%、0.23%≤Mo≤0.27%、0.050%≤V≤0.070%、0.20%≤Cu≤0.25%、Al≤0.003%、P≤0.011%，S≤0.006%，余量为Fe。
本发明进一步改进方案是，C：0.27%、Si：1.41%、Mn：1.82%、P：0.010%、S：0.004%、Cr：0.74%、Ni：0.23%、Mo：0.25%、V：0.056%、Cu：0.22%、Al：0.002%。
本发明可从材质上将高性能螺栓的强韧性、耐候性提高，减少能源消耗和环境污染，提高生产效率，降低生产成本。本发明的生产方法，生产的高性能螺栓用钢组织更均匀，性能更稳定。
下面具体说明本发明高性能螺栓用钢化学成分的限定理由：
C：能提高钢的强度和淬透性，考虑材质强韧性及其稳定性的要求，本发明C含量控制在0.24%-0.29%之间；
Si：能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度，也是一种脱氧剂，在本发明中，对强度起到提升作用，因此本发明Si含量控制在1.35%-1.50%之间；
Mn：能够提高钢的硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn还有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性；本发明将Mn含量控制在1.75%-1.95%之间；
Cr：能显著提高钢的强度、硬度和淬透性，鉴于高性能螺栓用钢一般采用淬火+回火工艺制造，为提高淬火后的强韧性，本发明添加0.70%-0.80%的Cr元素；
Ni：能够降低钢材临界转变温度，降低合金元素的扩散速度，显著提高钢的低温冲击韧性，Ni含量越高对冲击韧性越好。Ni还能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。Ni属于贵重合金，考虑到成本问题，所以本发明中Ni含量控制在0.20%-0.25%；
Mo：能够强化铁素体，提高钢的强度和硬度，还能降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，本发明添加0.23%-0.27%的Mo；
V：在钢中主要以碳化物、氮化物形态存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，提高钢的强韧性，本发明将V含量控制在0.050%-0.070%；
Al：钢中氧化铝夹杂会导致螺栓产生脆性断裂，严重影响材料的使用寿命，所以本发明严格控制钢中残余Al含量，目标将Al含量控制在0.003%以下；
Cu：能提高钢的强度，改善钢的抗大气腐蚀能力，当Cu含量大于0.20%时，其耐腐蚀性是不含Cu钢的2-5倍，本发明将Cu含量限定为0.20%-0.25%；
P：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，P元素还是一种极易偏析元素，会增加钢的回火脆性，降低疲劳寿命。为减轻钢的偏析，防止螺栓在低温环境下产生冷脆断裂，提高螺栓的疲劳寿命，本发明将P残留含量控制在0.011％以下，尽可能控制的更低；
S：是一种易偏析元素，在钢中一般以FeS形式存在，当钢凝固时，FeS在原生晶界处析出使钢产生热脆性，S还影响钢材性能的均匀性，且S在钢中主要以非金属夹杂物的形态存在，影响钢的纯净度，降低螺栓的疲劳寿命。所以本发明对S残留含量进行了严格限定，必须≤0.006%，尽可能控制的更低。
一种高性能螺栓用钢的生产方法，包括以下步骤：
（1）KR脱硫：选取P≤0.100%、S≤0.030%、0.30%≤Mn≤0.70%、Si：0.20%-0.60%的铁水，在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂（CaO+CaF2（9：1））进行脱硫，脱硫后铁水S≤0.003%，将脱硫后含硫的渣子全部去除，避免加入转炉造成回硫；
（2）转炉冶炼：采用100t转炉冶炼，使用自产连铸切头切尾废钢冶炼，此废钢S≤0.005%，不使用污泥球和烧结矿，确保出钢S含量在0.006%左右；纯铜与废钢一起加入炉内；采用顶底复吹转炉吹炼，采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.008%，出钢温度1620℃-1660℃，出钢使用不含铝的镁碳砖砌筑的专用钢包，出钢过程采用石灰400kg/炉+石英砂200kg/炉进行造渣，不使用含铝的精炼渣；出钢加入低氮增碳剂、低钛低铝硅铁、低碳铬铁、金属锰进行合金化，采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：采用100t精炼炉冶炼，精炼过程使用石灰和碳化硅调整渣况，不进行渣面脱氧，冶炼全程严禁使用含铝脱氧剂；精炼中前期采用450-500NL/min的强搅拌，精炼后期采用150-200NL/min的弱搅拌，避免炉渣卷入钢水产生大颗粒夹杂物；在精炼中期分别加入4.3kg/t钼铁、2.3kg/t镍板和1.2kg/t钒铁，调整Mo、Ni 、V达到目标成分；全程使用低钛低铝硅铁、金属锰调整钢中Si、Mn含量；
（4）RH真空脱气：采用RH真空脱气，生产前使用低铝钢水进行真空室清洗，避免Al含量增加，在真空度≤100pa的高真空条件下保持25min，确保钢水破空H≤1.5ppm；
（5）软吹及不变性处理：RH破空后不进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为25min-40min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分去除；
（6）连铸：采用200×200mm方坯弧形连铸机进行浇注，控制过热度为15℃-30℃；执行强冷慢拉工艺生产，一冷水水量设定150m3/h，关闭结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌参数：100A/10Hz，避免溶质元素向中心聚集，控制铸坯溶质元素偏析，充分均匀组织，提高内部质量；实行全程全保护浇铸生产，控制浇注过程氧化；
（7）连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热200-240min，控制加热温度，尤其是高温段温度1200℃-1220℃，确保开轧温度1150℃-1170℃；经13架连轧机轧制成形；
（8）精整：圆钢采用矫直+抛丸+机械倒棱+超声波内探+漏磁表探工艺，超声波探伤精度执行GB/T4162中A级要求，表面探伤精度执行缺陷深度不超过0.3mm要求，确保表面和内部质量。
本发明进一步改进方案是，所述步骤2在转炉加入铁水量与废钢量经过称重确定后，根据冶炼过程铁损量10%及成分中线要求计算得到纯铜加入量，计算公式为：纯铜加入量=铁水内铜含量*（铁水+废钢）*90%/95%收得率。
本发明进一步改进方案是，所述步骤6二冷水与坯料的比水量设定0.60L/kg，坯料拉速1.20m/min。
本发明生产的高性能螺栓用钢，使用创新的化学成分设计和特有的生产工艺，实现了低硫、低Al及高纯净度和高成分均匀性的控制，具有高强韧性、耐候性、长寿命等特点，材料性能达到如下水平：抗拉强度Rm：1450-1530Mpa，屈服强度Rel≥1100Mpa，断后伸长率≥9%、冲击功KV2（-40℃）≥40J，可满足12.9级高强度螺栓的使用要求。
本发明的有益效果在于：
第一、本发明相较于传统的铬钼钢，C含量由0.38%-0.45%降低至0.24%-0.29%、Cr含量由0.90%-1.20%降低至0.70%-0.80%，Si含量由0.17%-0.37%提升至1.35%-1.5%、Mn含量由0.50%-0.80%提升至1.75%-1.95%，细化了铁素体晶粒、提高钢的强韧性。
第二、针对高性能螺栓用钢的性能和使用要求，本发明将C、Si、Mn、Cr、Mo元素成分进行调控，充分发挥合金元素的作用，提升钢的强韧性，确保运行稳定、安全。
第三、本发明中Cu、Ni、V合金元素的加入量，在细化组织的同时，提高钢的强度、塑性、耐候性和冲击韧性，使产品性能达到12.9级高强度螺栓的使用要求。
第四、本发明的高性能螺栓用钢的生产方法，确保了钢的纯净度和均匀性：采用KR深脱硫铁水和自产连铸切头切尾废钢冶炼，不使用污泥球和烧结矿，转炉冶炼结束控制出钢S含量在0.006%左右，出钢使用不含铝的镁碳砖砌筑的专用钢包，出钢过程采用石灰400kg/炉+石英砂200kg/炉造渣，不使用含铝的精炼渣；全程使用低钛低铝硅铁、金属锰调整钢中Si、Mn含量；精炼过程使用石灰和碳化硅调整渣况，不进行渣面脱氧，冶炼全程严禁使用含铝脱氧剂；精炼后期采用150-200NL/min的弱搅拌，避免炉渣卷入钢水产生大颗粒夹杂物；采用RH真空脱气，生产前使用低铝钢水进行真空室清洗，处理过程延长高真空保持时间和软吹时间，降低钢水气体含量，使夹杂物充分上浮去除；钢水到连铸浇注成200×200mm方坯，全程采用保护浇注，关闭结晶器电磁搅拌，执行强冷慢拉连铸工艺，降低连铸坯偏析，保证连铸坯质量；连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热200-240min，控制加热温度，尤其是高温段温度1200℃-1220℃，确保开轧温度1150℃-1170℃，经13架连轧机轧制成形，提高尺寸精度。
具体实施方式
本发明专利提供了一种高性能螺栓用钢及其生产方法。
本发明的化学成分如表1所示。
本发明采用以下生产工艺制备：
（1）KR脱硫：选取P≤0.100%、S≤0.030%、0.30%≤Mn≤0.70%、Si：0.20%-0.60%的铁水，由于Mn是以MnO存在，高了会溢渣、低了氧化热源不够，由于Si是以SiO2存在，低了热源不够、高了炉渣碱度低不利于脱磷的铁水；在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂（CaO+CaF2（9：1））进行脱硫，脱硫后铁水S≤0.003%，将脱硫后含硫的渣子全部去除，避免加入转炉造成回硫；
（2）转炉冶炼：采用100t转炉冶炼，使用自产连铸切头切尾废钢冶炼，此废钢S≤0.005%，不使用污泥球和烧结矿，污泥球和烧结矿里硫含量达到0.4%，不利于出钢S的控制，确保出钢S含量在0.006%左右；镍板和纯铜与废钢一起加入炉内，在转炉加入铁水量与废钢量经过称重确定后，根据冶炼过程铁损量10%及成分中线要求，计算得到纯铜加入量，计算公式为：铁水内铜含量*（铁水+废钢）*90%/95%收得率；采用顶底复吹转炉吹炼，采用双渣法即造两次氧化渣操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.008%，出钢温度1620℃-1660℃；出钢使用不含铝的镁碳砖砌筑的专用钢包，目的控制残余Al含量，出钢过程采用石灰400kg/炉+石英砂200kg/炉进行造渣，不使用含铝的精炼渣，因为精炼渣里Al2O3含量达到55%；出钢加入低氮增碳剂、低钛低铝硅铁、低碳铬铁、金属锰进行合金化，其中Ti≤0.02%、Al≤0.02%，这些合金里的残余元素含量低，目的控制残余Al含量；采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：采用100t精炼炉冶炼，精炼过程使用石灰和碳化硅调整渣况，不进行渣面脱氧，冶炼全程严禁使用含铝脱氧剂；精炼中前期采用450-500NL/min的强搅拌，精炼后期采用150-200NL/min的弱搅拌，避免炉渣卷入钢水产生大颗粒夹杂物；在精炼中期分别加入4.3kg/t钼铁、2.3kg/t镍板和1.2kg/t钒铁，调整Mo、Ni 、V达到目标成分；全程使用低钛低铝硅铁、金属锰调整钢中Si、Mn含量，目的控制残余Ti、Al、P含量的代入；
（4）RH真空脱气：采用RH真空脱气，生产前使用低铝钢水进行真空室清洗，避免Al含量增加，目的控制残余Al，A类夹杂物影响性能指标，在真空度≤100pa的高真空条件下保持25min，确保钢水破空H≤1.5ppm。
（5）软吹及不变性处理：RH破空后不进行变性处理，原因是变性处理的钙处理会增加夹杂物；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为25min-40min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分去除；
（6）连铸：采用200×200mm方坯弧形连铸机进行浇注，控制过热度为15℃-30℃；执行强冷慢拉工艺生产，强冷慢拉目的是控制溶质元素偏析，一冷水水量设定150m3/h，二冷水与坯料比水量设定0.60L/kg，坯料拉速1.20m/min，关闭结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌参数：100A/10Hz，避免溶质元素向中心聚集，控制铸坯溶质元素偏析，充分均匀组织，提高内部质量。实行全程全保护浇铸生产，控制浇注过程氧化。
（7）轧制：连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热200-240min，控制加热温度，尤其是高温段温度1200℃-1220℃，确保开轧温度1150℃-1170℃；经13架连轧机轧制成形。
（8）精整：圆钢采用矫直+抛丸+机械倒棱+超声波内探+漏磁表探工艺，超声波探伤精度执行GB/T4162中A级要求，表面探伤精度执行缺陷深度不超过0.3mm要求，确保表面和内部质量。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
所得高性能螺栓用钢的化学成分如表2所示，规格Φ38mm材料的力学性能、非金属夹杂物、晶粒度情况如表3、4、5所示。
表3中实施例1-4的抗拉强度、屈服强度、断后生长率检测参照GB/T 228.1-2021,冲击功检测参照GB/T229-2020。
Claims (6)
1.一种高性能螺栓用钢，其特征在于，化学成分质量百分比为：0.24%≤C≤0.29%、1.35≤Si≤1.50%、1.75%≤Mn≤1.95%、0.70%≤Cr≤0.80%、0.20%≤Ni≤0.25%、0.23%≤Mo≤0.27%、0.050%≤V≤0.070%、0.20%≤Cu≤0.25%、Al≤0.003%、P≤0.011%，S≤0.006%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高性能螺栓用钢，其特征在于：化学成分质量百分比为：C：0.27%、Si：1.41%、Mn：1.82%、Cr：0.74%、Ni：0.23%、Mo：0.25%、Cu：0.22%、Al：0.002%、V：0.056%、P：0.010%、S：0.004%，余量为Fe。
3.一种高性能螺栓用钢的生产方法，其特征在于：按照权利要求1所述化学成分配置冶炼原料，冶炼原料依次经过以下步骤：KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、软吹、连铸、轧制，得到Φ30-Φ50mm的高性能螺栓用钢。
4.根据权利要求3所述的一种高性能螺栓用钢的生产方法，其特征在于：（1）KR脱硫：选取P≤0.100%、S≤0.030%、0.30%≤Mn≤0.70%、Si：0.20%-0.60%的铁水，在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂（CaO+CaF2（9：1））进行脱硫，脱硫后铁水S≤0.003%，将脱硫后含硫的渣子全部去除，避免加入转炉造成回硫；
（2）转炉冶炼：采用100t转炉冶炼，使用自产连铸切头切尾废钢冶炼，此废钢S≤0.005%，不使用污泥球和烧结矿，确保出钢S含量在0.006%左右；纯铜与废钢一起加入炉内；采用顶底复吹转炉吹炼，采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.008%，出钢温度1620℃-1660℃，出钢使用不含铝的镁碳砖砌筑的专用钢包，出钢过程采用石灰400kg/炉+石英砂200kg/炉进行造渣，不使用含铝的精炼渣；出钢加入低氮增碳剂、低钛低铝硅铁、低碳铬铁、金属锰进行合金化，采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；
（3）精炼：采用100t精炼炉冶炼，精炼过程使用石灰和碳化硅调整渣况，不进行渣面脱氧，冶炼全程严禁使用含铝脱氧剂；精炼中前期采用450-500NL/min的强搅拌，精炼后期采用150-200NL/min的弱搅拌，避免炉渣卷入钢水产生大颗粒夹杂物；在精炼中期分别加入4.3kg/t钼铁、2.3kg/t镍板和1.2kg/t钒铁，调整Mo、Ni 、V达到目标成分；全程使用低钛低铝硅铁、金属锰调整钢中Si、Mn含量；
（4）RH真空脱气：采用RH真空脱气，生产前使用低铝钢水进行真空室清洗，避免Al含量增加，在真空度≤100pa的高真空条件下保持25min，确保钢水破空H≤1.5ppm；
（5）软吹及不变性处理：RH破空后不进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为25min-40min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分去除；
（6）连铸：采用200×200mm方坯弧形连铸机进行浇注，控制过热度为15℃-30℃；执行强冷慢拉工艺生产，一冷水水量设定150m3/h，关闭结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌参数：100A/10Hz，避免溶质元素向中心聚集，控制铸坯溶质元素偏析，充分均匀组织，提高内部质量；实行全程全保护浇铸生产，控制浇注过程氧化；
（7）连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热200-240min，控制加热温度，尤其是高温段温度1200℃-1220℃，确保开轧温度1150℃-1170℃；经13架连轧机轧制成形；
（8）精整：圆钢采用矫直+抛丸+机械倒棱+超声波内探+漏磁表探工艺，超声波探伤精度执行GB/T4162中A级要求，表面探伤精度执行缺陷深度不超过0.3mm要求，确保表面和内部质量。
5.根据权利要求4所述的一种高性能螺栓用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2在转炉加入铁水量与废钢量经过称重确定后，根据冶炼过程铁损量10%及成分中线要求计算得到纯铜加入量，计算公式为：纯铜加入量=铁水内铜含量*（铁水+废钢）*90%/95%收得率。
6.根据权利要求4所述的一种高性能螺栓用钢的生产方法，其特征在于：所述步骤6二冷水与坯料的比水量设定0.60L/kg，坯料拉速1.20m/min。
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|---|---|---|---|---|
| RU2249626C1 (ru) * | 2003-12-26 | 2005-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Интелмет НТ" | Сортовой прокат, круглый, из среднеуглеродистой борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей |
| CN108754303A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-11-06 | 北京交通大学 | 一种耐大气腐蚀及耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢 |
| CN111455258A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-28 | 江苏利淮钢铁有限公司 | 一种玻璃幕墙预埋紧固件用钢及其生产方法 |
| CN114086062A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-25 | 江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司 | 一种高铁车轴用钢及其生产方法 |
| CN115710676A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-02-24 | 北京科技大学 | 一种低成本高强韧贝氏体/马氏体复相钢 |
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