一种高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条及其制备方法

摘要

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条及其制备方法。非调质冷镦钢盘条的组成为C：0.16～0.18％，Si：≤0.20％，Mn：1.40～1.50％，P：≤0.008％，S：≤0.008％，Ti：0.05～0.06％，V：0.10～0.13％，Al：≤0.01％，N：60～90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法包括转炉冶炼、LF精炼、方坯连铸、盘条轧制。本发明通过优化组分中元素的成分设计，采用创新性的冶炼工艺，结合先进的控轧控冷技术，有效的提高了钢的强度和塑性，实现了不退火、不调质生产10.9级高强度紧固件，显著降低了下游行业的加工成本。

说明书

技术领域

本发明属于冷镦钢技术领域，具体涉及一种高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条及其制备方法。

背景技术

冷镦钢又称冷镦成型用钢，冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载使其成型，广泛用于生产螺钉，销钉，螺母等紧固件的生产，广泛用于汽车、造船、设备制造、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。冷镦工艺可节省原料，降低成本，而且通过冷作硬化提高工件的抗拉强度，改善性能，冷镦用钢必须具有良好的冷顶锻性能，对钢材的表面质量要求严格，通常采用优质碳钢，若钢的含碳量大于0.25％，应进行球化退火热处理，以改善钢的冷镦性能。目前我国国内应用较为广泛的冷镦钢盘条的钢种根据强度级别可分类为低碳优质碳素结构钢、中碳优质碳素结构钢、低碳合金结构钢和中碳合金钢四类。冷镦钢行业通常将C含量<0.25％的冷镦钢称为低碳冷镦钢，将C含量0.25～0.48％的冷镦钢称为中碳冷镦钢。

高强度冷镦钢通常是指用于生产8.8级以上的螺钉类产品或8级以上的螺母类产品，而随着紧固件行业自身及下游汽车、高铁、航空、风电、工程机械等行业的发展，高强度紧固件逐渐以10.9级以上螺钉类产品或10级以上螺母类产品为主，其中，10.9级螺钉类产品和10级螺母类产品成为主流。不同强度级别的紧固件需要选用不同的冷镦钢钢种，并采用不同的加工工艺。通常6.8级以下的紧固件多采用非热处理型中碳和低碳冷镦钢制造，成品紧固件无需淬火回火处理，8.8级高强度紧固件，也逐渐实现了免退火冷镦成型和非调质。但10.9级高强度紧固件用钢受到强度要求和钢材原料的限制，通常采用中碳优质碳素结构钢或中碳合金钢生产。一方面，冷镦成型前需要进行球化退火；另一方面，为了使成品紧固件机械性能满足要求，还需要进行调质热处理。

目前，国内多数钢厂主要提供中碳Cr-Mo冷镦钢(代表性牌号包括ML35CrMo、SCM435、35CrMo等)、中碳Cr冷镦钢(代表性牌号包括ML40Cr、40Cr等)和中碳B冷镦钢(代表性牌号包括10B33、10B30等)三个系列，以满足下游用户10.9级紧固件的生产需求。

由于C是影响钢材冷塑性变形的最主要元素，含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。实践证明，含碳量每提高0.1％，其屈服强度σs约提高27.4Mpa；抗拉强度σb提高58.8～78.4Mpa。由此可见，钢中含碳量对于钢材的冷塑性变形性能的影响很大。在生产实际中，对于冷镦和冷挤变形程度高达65％～80％的冷镦钢，当其含碳量大于0.25％时，要求盘条在冷镦和冷挤压前必须要进行球化退火。目前紧固件行业给盘条或钢丝球化退火的成本平均在400元/吨左右，冷镦成型后的紧固件调质热处理成本在500元/吨左右，这造成了国内紧固件企业生产10.9级紧固件的成本大幅度上升，同时带来高额的能源消耗以及大量的环境污染。

因此，亟需要开发一种无需经过球化退火和调质热处理，就能满足10.9级高强度紧固件生产的绿色钢材，即高强度紧固件用非调质冷镦钢。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过优化C、Mn、Ti、V、N、Al等元素的成分设计，采用创新性的冶炼工艺，结合先进的控轧控冷技术，有效的提高了钢的强度和塑性，实现了不退火、不调质生产10.9级高强度紧固件，显著降低了下游行业生产高强度紧固件的加工成本。

化学成分设计：

本发明所述盘条化学成分设计按重量百分数计为C：0.16～0.18％，Si：≤0.20％，Mn：1.40～1.50％，P：≤0.008％，S：≤0.008％，Ti：0.05～0.06％，V：0.10～0.13％，Al：≤0.01％，N：60～90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明盘条成分相对于中碳Cr-Mo冷镦钢，大幅度降低了C含量，并取消了Cr、Mo元素的加入，加入了一定量的Ti和V两个微合金元素，提高了N的要求，以便获得TiCN、VCN的第二相强化作用，同时细化晶粒；其中，N的控制含量是重点，当N低于60ppm时，无法有效的与Ti和V进行化合，进而降低TiCN、VCN的数量；当N高于90ppm时，过剩的N会以固溶形式溶解在钢中，进而降低钢的塑性。此外，降低了Al的含量，以便减少连铸过程中大包敞开浇铸时钢水中的Al被氧化而生成高熔点的Al

在以上成分设计的基础上，采用创新性的冶炼工艺，结合先进的控轧控冷技术，有效的提高了钢的强度和塑性，开发出了高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条，实现了下游用户不退火、不调质生产10.9级高强度紧固件。

一种高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条的制造方法，包括：转炉冶炼工序、LF精炼工序、方坯连铸工序、盘条轧制工序。下面对本发明的盘条制造方法做详细叙述。

转炉冶炼工序：

转炉冶炼工序全程底吹氮气搅拌，出钢温度≥1600℃，出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金(氮锰合金、钛铁、钒铁)、增碳剂(碳化硅)、渣料(石灰、电石)；出钢碳控制在0.05％～0.08％范围内，出钢P≤0.010％，采用硅锰和铝作为脱氧剂。

LF精炼工序：

LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并于中期补喂硅锰线和锰铁；LF冶炼后期依次加入氮锰合金、钛铁、钒铁，并调整至目标成分，其中，钛铁选用钛线，在LF精炼出站前10分钟通过喂丝机加料；钒铁选用钒线，在LF出站时再通过喂丝机加料。

LF工序只在前期使用铝脱氧，中期开始采用硅锰类脱氧剂，是为了控制钢中Al含量；后期合金化采用氮锰合金，根据钢水成分精确的控制N含量；Ti、V合金采用喂丝机和合金线的方式加入，可有效的稳定和提高合金收得率，降低合金消耗成本。

方坯连铸工序：

方坯连铸工序连铸过热度控制在20～35℃，大包采取敞开浇铸方案；连铸执行慢节奏恒拉速(拉速1.60m/min)控制；二冷采用弱冷，比水量0.55L/kg；结晶器采用电磁搅拌，其中，电流200±10A，频率3±0.2Hz；连铸过程采用碱性覆盖剂，使用河南省西保冶材集团有限公司专用保护渣。

其中，大包采用敞开浇注的方式，是为使空气中的N进入钢水，进一步提高钢水中N含量。根据大批量的实践数据，采用大包敞开浇铸的方式，钢水可稳定增加10～15ppm的N。大包敞开浇注需要两个前提：第一个前提是LF必须采用氮锰合金精确调整N含量，以便确保最终N含量达到60～90ppm的要求；第二个前提是钢中Al含量一定要不高于0.01％，否则敞开浇注的过程钢中Al会和空气中的氧气反映生成高熔点的Al

盘条轧制工序：

盘条精轧机组采用800～815℃低温控轧，轧后810～825℃低温吐丝，随后采用0.2～0.3℃/s的冷却速度缓冷至500℃以下再集卷打捆，轧后冷却过程中，由于钢中存在大量的TiCN，为铁素体提供了足够的形核质点，促使铁素体迅速形核，实现了铁素体晶粒的细化。

有益效果

本发明通过优化C、Mn、Ti、V、N、Al等元素的成分设计，采用创新性的冶炼工艺，结合先进的控轧控冷技术，有效的提高了钢的强度和塑性。本发明的非调质冷镦钢盘条拉拔后无需退火可直接冷镦成型，并通过冷拉拔、冷镦等冷作硬化工序提高了材料的机械性能，实现了不退火、不调质生产10.9级高强度紧固件，显著降低了下游行业生产高强度紧固件的加工成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。

本发明：ZTFT18非调质冷镦钢盘条(Φ8.0mm)的具体成分如下：

Wt，％

备注：N：60～90ppm。

盘条制造流程：转炉冶炼工序—LF精炼工序—方坯连铸工序—盘条轧制。

实施例1

1、成分设计

化学成分设计按重量百分数计为C：0.16％，Si：0.07％，Mn：1.43％，P：0.005％，S：0.006％，Ti：0.052％，V：0.10％，Al：0.08％，N：65ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

2、转炉冶炼

转炉加入炼钢原料(炼钢原料为铁水、生铁和废钢，其中，生铁占炼钢原料总重的5％，废钢占炼钢原料总重的5％，炼钢原料的总装入量130t/炉)，转炉冶炼全程底吹氮搅拌，出钢温度1625～1640℃，出钢C控制在0.08％～0.10％，出钢P≤0.008％；出钢1/4开始依次加入脱氧剂、合金(氮锰合金、钛铁、钒铁)、增碳剂(碳化硅)、渣料(石灰、电石)。

3、LF精炼

LF精炼时间30分钟，LF精炼工序前期采用铝粒强化脱氧和脱硫，并于中期补喂适当的硅锰线和锰铁；LF冶炼后期依次加入氮锰合金、钛铁、钒铁，并调整至目标成分(采用氮锰合金控制氮含量比目标值低15ppm)，其中，钛铁选用钛线，在LF精炼出站前10分钟通过喂丝机加料；钒铁选用钒线，在LF出站时再通过喂丝机加料。

4、方坯连铸

方坯连铸工序连铸过热度控制在20～35℃，大包采取敞开浇铸方案，连铸中包采用整体式塞棒中包，中包使用时间8小时，水口直径35mm，水口使用时间5h。采用拉速1.60m/min恒拉速控制；结晶器采用电磁搅拌，其中电流200±10A，频率3±0.2Hz；二冷采用弱冷配水模式，比水量0.55L/kg；连铸过程采用碱性覆盖剂，使用河南省西保冶材集团有限公司专用保护渣。

5、盘条轧制

盘条采用高速线材生产线轧制，轧后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，其中盘条精轧机组采用800～815℃低温控轧，轧后810～825℃低温吐丝，随后采用0.2～0.3℃/s的冷却速度缓冷至500℃以下再集卷打捆，其余轧制参数均采用常规工艺即可。

实施例2

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.18％，Si：0.16％，Mn：1.49％，P：0.005％，S：0.002％，Ti：0.059％，V：0.13％，Al：0.07％，N：88ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其他条件同实施例1。

实施例3

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.17％，Si：≤0.1％，Mn：1.45％，P：0.006％，S：0.003％，Ti：0.056％，V：0.12％，Al：0.06，N：70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，其他条件同实施例1。

对比例1

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.21％，Si：0.07％，Mn：1.43％，P：0.005％，S：0.006％，Ti：0.052％，V：0.10％，Al：0.08％，N：65ppm，其他条件同实施例1。

对比例2

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.16％，Si：0.07％，Mn：1.43％，P：0.005％，S：0.006％，Ti：0.01％，V：0.10％，Al：0.08％，N：65ppm，其他条件同实施例1。

对比例3

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为C：0.16％，Si：0.07％，Mn：1.43％，P：0.005％，S：0.006％，Ti：0.052％，V：0.005％，Al：0.08％，N：65ppm，其他条件同实施例1。

对比例4

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为N：50ppm。其他条件同实施例1。

对比例5

将实施例1步骤1中化学成分替换为按重量百分数计为N：100ppm，其他条件同实施例1。

对比例6

将实施例1步骤5中盘条轧制中吐丝温度替换为880～900℃，其他条件同实施例1。

对比例7

将实施例1步骤5中盘条轧制中冷却速度替换为0.4～0.5℃/s，其他条件同实施例1。

本发明实施例与对比例盘条热轧态的拉伸性能和冷顶锻性能比较如下表1：

表1

本发明实施例与对比例盘条冷拉拔后(减面率30％)的拉伸性能和冷顶锻性能比较如下表2：

表2

备注：1.盘条经30％减面率的冷拉拔后1/4冷顶锻性能合格，可保证钢丝不退火冷镦成型各类10.9级高强度紧固件。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。