一种具有低强度高塑性免退火冷镦钢用盘条及其制造方法

摘要

本发明涉及一种具有低强度高塑性免退火冷镦钢用盘条及制造方法，化学成分按质量百分比计为：C：0.20～0.26％，Si：≤0.15％，Mn：0.75～1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：0.25～0.35％，Ti：0.02～0.06％，Al:0.020～0.080％，Cu：≤0.30％，B:0.0008～0.0030％，H：≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。生产盘条的直径范围6‑16mm。生产工艺流程：转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD脱气、连铸、坯料表面处理、线材控温轧制、斯太尔摩冷却。本发明生产的热轧盘条具有细小的铁素体和预球化的珠光体，抗拉强度低而塑性高，可以省略球化退火，能够直接用于冷镦法兰面变形量较大的紧固件。冷镦的紧固件经热处理后，能够满足8.8级和10.9级产品性能要求。

说明书

技术领域

本发明属于冷镦钢用盘条制备技术领域，具体涉及一种具有低强度高塑性免退火冷镦钢用盘条及制造方法。

背景技术

冷镦是指用冷镦机采用多工位冷镦模在室温下进行冷挤压或冷镦成型生产工艺，广泛用于螺栓、紧固件、套管等产品的生产。冷镦采用的钢铁原材料即称为冷镦钢。冷镦钢盘条一般均需要进行球化退火处理，球化退火不仅降低盘条的抗拉强度而且能提高盘条的塑性，特别是塑性的提高，有利于后续的复杂零件和大变形的工件成型。但球化退火热处理周期长，能源消耗大，造成冷镦厂的成本增加，也不利于节能环保。如果冷镦钢能够实现免退火直接冷镦，将大大降低冷镦钢生产成本，对国家号召的节能减排也做出相应的贡献，同时能提升钢厂在行业核心竞争力。

免退火冷镦钢需达到或者接近退火后力学性能，首先考虑减少钢中的合金成分的添加，如公开号为CN 105063481 A发明专利所述，该免退火冷镦钢成分设计为：C的质量分数为：0.23～0.25％，Si的质量分数≤0.07％，Mn的质量分数为0.80～1.00％，Ti的质量分数为0.025～0.040％，Al的质量百分数为≥0.020％，P的质量分数为＜0.025％，S的质量分数为＜0.025％，B的质量分数为0.0010～0.0019％，其余为Fe和不可避免的杂质。但减少合金成分，只能用于制作8.8和9.8级螺栓的制造，无法制造10.9级高强螺栓，并且断面收缩率只有58-66％，无法满足大变形法兰面螺栓要求。如公开号CN 105543678 A发明专利所述，该含硼高强度免退火盘条的成分设计为：C的质量分数为：0.25～0.35％，Si的质量分数≤0.04％，Mn的质量分数为0.50～0.70％，Cr的质量分数为：0.25～0.35％，Ti的质量分数为0.035～0.055％，Als的质量百分数为0.035～0.055％，P的质量分数为＜0.012％，S的质量分数为＜0.004％，B的质量分数为0.0045～0.0060％，O的质量分数为≤0.0015％,H≤0.00015％,其余为Fe及不可避免的不纯物。该专利的盘条虽然可以降低热轧盘条的强度，但是通过极限降低钢中的Si含量和控制极严非金属夹杂物级别来获得。添加了Cr增加淬透性制作高强度10.9级高强螺栓，但是该成分设计对原盘圆辅材料和炼钢工艺要求极高，Si的质量分数≤0.04％，冶炼时需要对铁水进行脱Si处理，只能添加超低Si合金、低Si废钢来防止炼钢过程Si含量超标。专利中提出的非金属夹杂物的实例要求A、B、C、D类均≤0.5级，该非金属夹杂物的要求极严，对精炼渣等原辅材料提出极高的要求，同时需匹配复杂的冶炼工艺。实际生产的工艺对热轧盘圆的制造成本增加。反而不利于成本的降低和节能环保。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种具有低强度高塑性免退火冷镦用钢盘条及其制造方法，通过对合金成分的适当添加，配合低温轧制和斯太尔摩缓慢冷却工艺，使盘条获得细小的铁素体和预球化的珠光体组织，其具有低的抗拉强度和高的断裂收缩率，且通条性能良好，满足用户在精拉拔后直接冷镦大变形的法兰面螺栓要求。再通过热处理生产9.8级和10.9级高强度级别螺栓，全流程全方位做到盘条生产和螺栓制造低成本，达到节能降耗。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有低强度高塑性免退火冷镦用盘条，该钢的化学成分按质量百分比设计为:C：0.20～0.26％，Si：≤0.15％，Mn：0.75～1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：0.25～0.35％，Ti：0.02～0.06％，Al:0.020～0.080％，Cu：≤0.30％，B:0.0008～0.0030％，H：≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明免退火冷镦钢的化学成分具体作用如下：

C:碳是钢的主要强化元素之一。碳含量过低，则冷镦钢热处理后强度和硬度过低。碳含量过高，在热处理强度和硬度增加的同时，但热轧强度也会增加，塑性会降低，极大降低冷镦模具的寿命。因此本发明将碳含量控制在0.20～0.26％；

Si:硅是铁素体固溶强化元素，也是脱氧元素。硅能够有效的强化铁素体，硅含量高会提高硬化系数，阻碍冷镦钢的塑性变形。但为了降低炼钢成本和有效的脱氧。因此本发明将钢中的硅含量控制在≤0.15％；

Mn:锰是提高钢淬透性元素，并起固溶强化作用提高钢材的强度。过低的锰会降低钢塑韧性同时也降低钢中Mn/S比，容易导致连铸坯偏析，为了达到冷镦钢热处理后的强度、塑性的匹配。因此本发明将钢中锰含量控制在0.75～1.00％；

Cr：铬是增强钢淬透性的元素，合适含量的添加可以有效增加中低碳钢的淬透性，提高冷镦用钢热处理后的强度。但如果铬含量的添加过多，会提高热轧强度。因此本发明将钢中铬含量控制在0.25～0.35％；

B：硼是提高钢的淬透性最显著的元素，本发明专利中通过适当添加提高钢的淬透性，起到替代Cr元素，从而降低热轧强度和降低成本，本发明专利的硼含量控制在0.0008～0.0030％；

Ti：钛主要起到固氮的作用，能够在连铸坯凝固前期与钢中自由氮结合，在钢中形成TiN颗粒，从而降低自由氮与硼的结合机会，充分发挥硼提高淬透性的作用，因此本发明将钛含量控制在Ti：≤0.06％；

Al：铝主要是脱氧和固氮的作用，铝作为常规的脱氧剂加入钢中，能够有效降低钢中的氧含量。同时铝还能够与钢中的氮形成AlN颗粒，能够有效细化晶粒。但如果铝含量过高，会恶化钢水的可浇性。本发明将钢的铝含量控制在0.020～0.080％；

P、S:原则上磷和硫含量越低越好，但过低无疑会增加冶炼成本，在质量允许的条件下，本发明将磷、硫含量均控制在0.015％以下。

本发明的另一目的是提供上述低强度高塑性免退火冷镦钢用钢热轧盘条的制造方法，所述方法包括以下步骤：

钢水冶炼：工艺步骤为冶炼原料依次经转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD脱气生产钢水，转炉或电炉工序控制出钢P≤0.010％，出钢时，顺钢流加入渣料、合金、脱氧剂。LF精炼工序在精炼结束前，利用喂丝机喂入钛线和硼铁。精炼结束后钢水静置20分钟后，送连铸机浇铸。将化学成分合格的钢水过热度控制15-40℃，连铸中间包在全程氩气保护下浇铸成钢坯，连铸坯经火切后经堆冷或下缓冷坑冷却；

坯料准备：将冷却后的坯料进行去除坯料表面缺陷处理；

钢坯轧制：钢坯轧制分为加热工艺、轧制工艺和冷却工艺。加热采用步进式加热炉进行加热，加热炉预热段的温度控制在≤650℃，加热炉加热均温段温度控制在1000～1200℃，总加热时间控制在90-160min。钢坯加热后经高压水除鳞，除磷压力≥180bar，除磷后进轧机进行轧制。轧制分为粗轧、中轧、预精轧和精轧。控制粗轧温度在900-1000℃。中轧温度和预精轧温度控制在850-950℃。因线材轧制速度较快，在预精轧后和精轧前布置相应的冷却水箱，来实现降低轧制温度，并利用轧制回盘，增加冷却线长度，冷却线长度要求大于80米，使轧制的红钢具有足够的时间进行冷却和均温。精轧采用低温轧制，轧制温度控制在750-850℃，目的是在铁素体+奥氏体或者在奥氏体未再结晶区轧制，低温轧制的总变形量控制在30-50％，吐丝温度控制在750-850℃；轧制后的盘条在斯太尔摩冷却线冷却，冷却线保温罩全盖，保温罩之间的缝隙，利用保温棉覆盖。辊道速度0.08-0.3m/s，缓冷总时间要求大于500秒，出罩温度应在500-600℃，盘条在保温罩内实现均匀冷却。在缓慢冷却过程中，碳化物在变形后的奥氏体基础上优先以点状或短杆状形状析出。盘条出罩后将盘卷收集自然冷却。以上即可获得低强度高塑性免退火冷镦钢用盘条。

进一步地讲，本免退火冷镦钢盘条在中低碳钢的基础上，通过Cr、B元素的添加提高钢的淬透性和热处理强度。利用低温大变形轧制配合斯太尔摩的冷却工艺在细化铁素体晶粒尺寸和提高铁素体相比例，铁素体含量可提高至75％的同时，能够使片状珠光体的片层结构发生碎断或者从奥氏体中直接析出球状、短杆状碳化物而产生预球化效果。预球化的珠光体不仅降低了盘条强度，还提高断面收缩率，极大的有利于冷镦变形。低温大变形是指在铁素体-奥氏体两相区或者奥氏体未再结晶区实施大变形，使得钢中的奥氏体通过低温大变形获得较高的变形储能和高位错密度。由于变形温度较低，变形后奥氏体来不及回复再结晶，仍然保持着形变状态。将变形后盘条通过缓慢方式冷却，碳化物将优先从变形奥氏体中位错缠结处形核，以球状或短杆状的形态析出。同时适当控制Si的含量，使硅的含量小于0.15％，使之不至于冷镦强化造成冷镦开裂，但又适当的添加Si元素，目标控制在0.08-0.12％。这样不仅利于钢水脱氧，提高钢的内部质量，同时能够提高热处理后的螺栓强度。严格控制P、S等杂质元素含量，改善钢的晶界纯净度，提高晶界强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用极少量的合金元素B和Ti来提高钢的淬透性，并适当少量Cr元素，来保证热处理性能达到8.8-10.9级。并适当降低了对Si、P、S元素含量的要求，显著降低了生产成本。通过低温大变形轧制和缓慢冷却获得细小的铁素体和预球化珠光体组织，获得具有低强度高塑性的热轧盘条，该热轧盘条具有优异的冷镦变形能力，可以省略钢丝的球化退火，直接能够满足紧固件冷镦要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的显微组织图。

图2为本发明实施例2的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1

本实施例涉及生产具有低强度高塑性免退火冷镦钢所含及重量百分比为：C：0.24％，Si：≤0.12％，Mn：0.95％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Cr：0.28％，Ti：0.04％，Al:0.03％，Cu：0.02％，B:0.0022％，H：0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。线材直径为8mm，其工艺流程为：主要原料依次经过转炉冶炼、LF+RH炉号精炼，精炼喂入钛线和硼铁。钢水采用15～30℃低过热度全程氩气保护浇铸成连铸坯，坯料缓冷后进行表面处理。处理后将坯料在加热炉加热至1080℃，保温120min出炉，开轧温度950℃，精轧温度780℃，吐丝温度860℃。斯太尔摩进行冷却，辊道速度为0.10m/s。获得的热轧盘条的抗拉强度525MPa，断面收缩率70％，实际晶粒度9级。

实施例2

本实施例涉及生产具有低强度高塑性免退火冷镦钢所含及重量百分比为：C：0.23％，Si：≤0.10％，Mn：0.98％，P：≤0.011％，S：≤0.002％，Cr：0.28％，Ti：0.03％，Al:0.03％，Cu：0.02％，B:0.0022％，H：0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。线材直径为11mm，其工艺流程为：主要原料依次经过转炉冶炼、LF+RH炉号精炼，精炼喂入钛线和硼铁。钢水采用15～30℃低过热度全程氩气保护浇铸成连铸坯，坯料缓冷后进行表面全处理。处理后将坯料在加热炉加热至1100℃，保温140min出炉，开轧温度960℃，精轧温度800℃，吐丝温度860℃。斯太尔摩进行缓冷，保温罩全盖，辊道速度为0.10m/s。获得的热轧盘条的抗拉强度510MPa，断面收缩率72％，实际晶粒度9级。

实施例3

本实施例涉及生产具有低强度高塑性免退火冷镦钢所含及重量百分比为：C：0.22％，Si：≤0.11％，Mn：0.96％，P：≤0.010％，S：≤0.002％，Cr：0.25％，Ti：0.03％，Al:0.04％，Cu：0.02％，B:0.0020％，H：0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。线材直径为13mm，其工艺流程为：主要原料依次经过转炉冶炼、LF+RH炉号精炼，精炼喂入钛线和硼铁。钢水采用15～30℃低过热度全程氩气保护浇铸成连铸坯，坯料缓冷后进行表面处理。处理后将坯料在加热炉加热至1080℃，保温110min出炉，开轧温度960℃，精轧温度790℃，吐丝温度860℃。斯太尔摩进行冷却，辊道速度为0.15m/s。获得的热轧盘条的抗拉强度480MPa，断面收缩率73％，实际晶粒度10级。

盘条的力学性能如下表1所示：

表1低强度高塑性免退火冷镦用钢盘条力学性能

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。