一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条及其生产方法

摘要

本发明涉及一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条及其生产方法，所述合金冷镦钢盘条的化学成分按重量百分比计为：C 0.37％～0.41％、Si 0.15％～0.30％、Mn 0.75％～0.95％、Cr0.90％～1.20％、Mo 0.15％～0.30％、W 0.05％～0.15％，另含有V和Nb元素中的一种，其中V 0.030％～0.060％、Nb 0.010％～0.030％；其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过化学成分的合理设计，连铸连轧、加热、控轧控冷的生产工艺，生产出具有铁素体+珠光体组织，无全脱碳层的中碳铬钼合金冷镦钢盘条，该合金冷镦钢盘条具有较好的耐延迟断裂能力。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条及其生产方法。

背景技术

42CrMo等高强度冷镦钢主要用于生产12.9级高强度紧固件。近年来，随着国内汽车行业的迅猛发展，对高强度冷镦钢的需求量逐年增加。我国生产紧固件用线材的钢企较多，但生产产品质量参差不平，且多以中低端产品为主，国外进口材料具有淬透性好、纯净度高和装配稳定等诸多优点，因而高级别的紧固件市场长期被国外产品占据。

42CrMo等高强度冷镦钢盘条在轧制过程中，容易出现表面组织全脱碳的缺陷，并且该钢对延迟断裂能力要求高。

专利号为CN102808131A的中国专利，公开了“一种组织性能均匀的优质高强冷镦钢的制造方法”，采用电炉冶炼，生产效率较转炉冶炼低；另外，该方法成品成分中含有Mo元素，得到的是以贝氏体为主的盘条组织，强度较高，断面收缩率较低，对紧固件生产的模具寿命产生不利影响。另外，其未采用结晶器和凝固末端电磁搅拌来改善铸坯的内部质量，对盘条和紧固件产品的成分均匀性等问题有不利影响；未采用表面缺陷检测及修磨工艺，会造成盘条表面有缺陷以及紧固件开裂比率高等问题。

专利号为CN101045238A的中国专利，公开了“中碳合金冷镦钢在线软化轧制方法”：该方法在轧制过程中在线直接获得软化，强度、硬度明显降低，断面收缩率提高，简化球化退火处理，避免退火工序导致的表面脱碳。该方法吐丝温度较低，对轧机轧制能力要求高，负荷较重，使用能源高。

专利号为CN102321846A的中国专利，公开了“12.9级紧固件用含钛冷镦钢盘条及其生产方法”：其制备工艺为电炉冶炼、大盘卷线堆冷或斯太尔摩线控冷工序，具有成本低、耗能少等特点。但是盘条的成分不纯净，并且其采用小方坯生产，品质低。

发明内容

本发明提供了一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条及其生产方法，通过化学成分的合理设计，连铸连轧、加热、控轧控冷的生产工艺，生产出具有铁素体+珠光体组织，无全脱碳层的中碳铬钼合金冷镦钢盘条，该合金冷镦钢盘条具有较好的耐延迟断裂能力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条，所述合金冷镦钢盘条的化学成分按重量百分比计为：C 0.37％～0.41％、Si 0.15％～0.30％、Mn 0.75％～0.95％、Cr 0.90％～1.20％、Mo 0.15％～0.30％、W 0.05％～0.15％，另含有V和Nb元素中的一种，其中V0.030％～0.060％、Nb 0.010％～0.030％；其余为Fe及不可避免的杂质。

所述的耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条的生产方法，所述合金冷镦钢盘条的生产工艺路线为：铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－方坯连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－控冷－精整－检查－入库；其中：

连铸连轧过程中：连铸坯为断面尺寸为(250～350)×(350～450)mm的大方坯，过热度不大于30℃；结晶器电磁搅拌电流强度为300～400A，通过电磁搅拌改善连铸坯内部偏析、缩孔、疏松、非金属夹杂物缺陷；将大方坯加热并轧制成截面尺寸为100～200mm的正方形钢坯，并对钢坯表面进行修磨，保证钢坯表面无缺陷；

具体轧制方法按以下步骤进行：

1)加热炉一段炉温890～960℃；二段炉温1080～1150℃；上均热段1030～1080℃；下均热段1000～1050℃,空燃比为2～3；

2)控制开轧温度为930～980℃，精轧入口温度为880～950℃，减定径入口温度850～920℃，吐丝温度840～870℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以6～12℃/s冷速冷却到640～750℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.2～1.0℃/s，出罩温度为460～630℃，冷床空冷；

所获得的中碳铬钼冷镦钢盘条，具有铁素体+珠光体组织，抗拉强度为960～1020MPa，延伸率为14～20％，面缩率为50～68％，表面组织无全脱碳层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过化学成分的合理设计，连铸连轧、加热、控轧控冷的生产工艺，生产出具有铁素体+珠光体组织，无全脱碳层的中碳铬钼合金冷镦钢盘条，该合金冷镦钢盘条具有较好的耐延迟断裂能力；

2)所生产的合金冷镦钢盘条用于打制12.9级强度紧固件，使紧固件具有较好的耐延迟断裂能力，大大提高了紧固件产品的使用寿命和安全系数。

具体实施方式

本发明所述一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条，所述合金冷镦钢盘条的化学成分按重量百分比计为：C 0.37％～0.41％、Si 0.15％～0.30％、Mn 0.75％～0.95％、Cr0.90％～1.20％、Mo 0.15％～0.30％、W 0.05％～0.15％，另含有V和Nb元素中的一种，其中V 0.030％～0.060％、Nb 0.010％～0.030％；其余为Fe及不可避免的杂质。

所述的耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条的生产方法，所述合金冷镦钢盘条的生产工艺路线为：铁水预处理－转炉冶炼－LF炉精炼－方坯连铸－连轧－钢坯清理－加热－轧制－控冷－精整－检查－入库；其中：

连铸连轧过程中：连铸坯为断面尺寸为(250～350)×(350～450)mm的大方坯，过热度不大于30℃；结晶器电磁搅拌电流强度为300～400A，通过电磁搅拌改善连铸坯内部偏析、缩孔、疏松、非金属夹杂物缺陷；将大方坯加热并轧制成截面尺寸为100～200mm的正方形钢坯，并对钢坯表面进行修磨，保证钢坯表面无缺陷；

具体轧制方法按以下步骤进行：

1)加热炉一段炉温890～960℃；二段炉温1080～1150℃；上均热段1030～1080℃；下均热段1000～1050℃,空燃比为2～3；

2)控制开轧温度为930～980℃，精轧入口温度为880～950℃，减定径入口温度850～920℃，吐丝温度840～870℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以6～12℃/s冷速冷却到640～750℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.2～1.0℃/s，出罩温度为460～630℃，冷床空冷；

所获得的中碳铬钼冷镦钢盘条，具有铁素体+珠光体组织，抗拉强度为960～1020MPa，延伸率为14～20％，面缩率为50～68％，表面组织无全脱碳层。

本发明所述一种耐延迟断裂的合金冷镦钢盘条中各种化学成分的设计原则如下：

C：C是钢中固溶强化作用最明显的元素，随着C含量的增加，钢的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，本发明中，对于铁素体和珠光体组织的冷镦钢，C选择在0.37％～0.41％范围内。

Si：Si是铁素体固溶强化元素，同时也会导致冷镦变形抗力的急剧升高，明显提高模具的消耗，不利于冷加工塑性变形，故本发明中Si的范围为0.15％～0.30％。

Mn：Mn起固溶强化和细晶强化的作用，并推迟珠光体和铁素体转变，提高钢的强度和加工硬化性能；故本发明中Mn的控制范围为0.75％～0.95％。

Cr：Cr能提高钢的强韧性，并提高耐大气腐蚀，具有较好的冷镦成型性能；同时可有效提高淬透性，保证材料淬火后的强度和硬度；故本发明中Cr的成分范围为0.90％～1.20％。

Mo：Mo可大幅提高淬透性，保证材料淬火后的硬度和强度；此外，该元素具备极强的耐延迟断裂能力，故本发明中，Mo的含量控制在0.15％～0.30％。

W：W可显著阻碍奥氏体晶界碳化物的析出，可以细化晶粒，提高钢的强度、塑性、冲击韧性、氢脆敏感性等性能，本发明中W的含量控制在W：0.05～0.15％。

V：V在钢中形成碳化物，可以提高紧固件成品的耐延迟断裂能力，另一方面可以细化晶粒，提高材料综合性能，本发明中V的含量控制在V：0.030～0.060％。

Nb：Nb的氮化物、碳化物可在高温奥氏体区内溶解，又在低温奥氏体区内析出，析出物可以阻碍原始奥氏体晶粒长大，对晶界的钉轧作用使相变后铁素体晶粒得到细化，本发明中Nb的含量控制在0.010～0.030％。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，依据本发明技术方案进行碳铬钼冷镦钢的化学成分设计，冶炼后浇注成断面尺寸为280×380mm的大方坯，过热度26℃；结晶器电磁搅拌电流强度为400A，将280×380mm的大方坯加热并轧制成断面尺寸为155×155mm的钢坯，对钢坯表面缺陷位置进行修磨。

钢坯在高速线材轧机上轧制盘条，轧制工艺如下：

1)加热炉一段炉温900℃；二段炉温1100℃；上均热段1050℃；下均热段1020℃,空燃比为2.3；

2)控制开轧温度为960℃，精轧入口温度为910℃，减定径入口温度890℃，吐丝温度860℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以7℃/s冷速冷却到670℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.4℃/s，出罩温度为500℃，冷床空冷。

【实施例2】

本实施例中，依据本发明技术方案对中碳铬钼冷镦钢的化学成分进行设计，冶炼后浇注成断面尺寸为280×380mm的大方坯，过热度25℃，结晶器电磁搅拌电流强度为400A，将280×380mm的大方坯加热并轧制成断面为155×155mm尺寸的钢坯，对钢坯表面缺陷位置进行修磨。

钢坯在高速线材轧机上轧制盘条，轧制工艺如下：

1)加热炉一段炉温910℃；二段炉温1120℃；上均热段1040℃；下均热段1020℃,空燃比为2.4；

2)控制开轧温度为970℃，精轧入口温度为920℃，减定径入口温度900℃，吐丝温度850℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以7℃/s冷速冷却到665℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.5℃/s，出罩温度为490℃，冷床空冷。

【实施例3】

本实施例中，依据本发明技术方案对中碳铬钼冷镦钢的化学成分进行设计，冶炼后浇注成断面尺寸为280×380mm的大方坯，过热度24℃，结晶器电磁搅拌电流强度为400A，将280×380mm的大方坯加热并轧制成断面为155×155mm尺寸的钢坯，对钢坯表面缺陷位置进行修磨。

钢坯在高速线材轧机上轧制盘条，轧制工艺如下：

1)加热炉一段炉温890℃；二段炉温1090℃；上均热段1045℃；下均热段1025℃,空燃比为2.5；

2)控制开轧温度为955℃，精轧入口温度为915℃，减定径入口温度895℃，吐丝温度855℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以7℃/s冷速冷却到680℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.6℃/s，出罩温度为510℃，冷床空冷。

【实施例4】

本实施例中，依据本发明技术方案对中碳铬钼冷镦钢的化学成分进行设计，冶炼后浇注成断面尺寸为280×380mm的大方坯，过热度27℃，结晶器电磁搅拌电流强度为400A，将280×380mm的大方坯加热并轧制成断面为155×155mm尺寸的钢坯，对钢坯表面缺陷位置进行修磨。

钢坯在高速线材轧机上轧制盘条，轧制工艺如下：

1)加热炉一段炉温900℃；二段炉温1100℃；上均热段1050℃；下均热段1030℃,空燃比为2.45；

2)控制开轧温度为950℃，精轧入口温度为920℃，减定径入口温度900℃，吐丝温度860℃；

3)斯太尔摩风冷线冷却方式：以9℃/s冷速冷却到700℃入罩，保温罩全部关闭，罩内冷速为0.8℃/s，出罩温度为500℃，冷床空冷。

按上述3个实施例生产的中碳含铬冷镦钢，实测化学成分见表1，性能指标见表2。

表1中碳铬钼合金冷镦钢盘条的化学成份(wt％)

注：钢中残余Ni、Cu的质量分数各不大于0.20％。

表2中碳铬钼合金冷镦钢盘条的力学性能

上述实施例获得的中碳铬钼合金冷镦钢盘条的表面组织无全脱碳层；采用本实施例所述盘条制成12.9级强度螺栓，将其与普通SCM440热轧盘条制成的12.9级强度螺栓(经调质热处理)进行耐延迟断裂能力对比；按慢应变速率试验(SSRT)方法进行检验，结果表明，采用本实施例盘条制成的螺栓较普通SCM440盘条制成的螺栓，其耐延迟断裂能力提高了9％以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。