CN105063480B

CN105063480B - 一种高强度含硼冷镦钢的生产方法

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Publication number: CN105063480B
Application number: CN201510525627.3A
Authority: CN
Inventors: 李峰; 宋冉臣; 安学军
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN105063480A

Abstract

本发明涉及一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，属于冶金工业生产的金属材料领域。本发明原料成分包括C、Si、Mn、Ti、Al、P、S、B，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用最佳成份组合，制备出既能提高冷镦钢钢种的淬透性，又使钢不容易产生裂纹，使钢中硼含量加入范围更加合理。另外，由于采用150mm×150mm断面连铸机生产钢坯，相比大方坯二火成材工艺，冷镦钢的成本大幅度降低。同时，由于冷镦钢的硅含量较高，材料在使用过程中有较明显的σ_0.2屈服强度台阶，这对冷镦钢的使用安全是非常有利的。

Description

一种高强度含硼冷镦钢的生产方法

技术领域

本发明涉及一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，属于冶金工业生产的金属材料领域。

背景技术

冷镦钢是在室温条件下，采用一次或多次冲击加载直接成型生产螺钉、螺母、销钉等紧固件或冷镦成型零部件的一类低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。它广泛应用于汽车、机械、建筑、电器等行业领域。冷镦钢冷成型性能好，具有优良的综合力学性能。

含硼冷镦钢具有以下特点：硼是最有效的提高淬透性的元素，极微量的硼即能显著提高钢的淬透性，可节约大量昂贵的合金元素镍、钼等，经济效果明显。另外，这种冷镦钢的强度也能满足用户要求。

据江苏省沙钢钢铁研究院有限公司申请的专利,“高强度紧固件用含硼冷墩钢及其制备工艺(申请专利号为：201010127837.4)”报道，该公司高强度冷镦钢的成分为：C 的质量分数为0. 15% ~ 0. 35%，Si的质量分数为<0.10%， Mn的质量百分数为0.50% ~ 1.20%，Al的质量百分数为0. 005% ~ 0. 08% ，P的质量百分数<0.035%，S的质量百分数为<0.035%，Cr的质量百分数为0.08%-0.50%，Ti的质量百分数为0. 005%-0.10%，B的质量百分数为0. 0005% ~ 0. 0050% 。由于该钢种的硅含量较低，因此冷镦钢的屈服强度不明显，这对高强度冷镦钢的使用存在一定的风险。另外，钢中含有Cr元素，这也会提高钢材的成本。还有该钢热处理后的抗拉强度不及1000MPa。

据内蒙古包钢钢联股份有限公司申请的专利,” 一种采用小方坯生产35CrMo合金冷墩钢的轧制方法(申请专利号为：201110422617.9)”报道，该公司生产合金冷镦钢的成分为：C 的质量分数为0. 32% ~ 0. 40%，Si的质量分数为0.15-0.35%， Mn的质量百分数为0.60% ~ 0.90%， P的质量百分数≤0.035%，S的质量百分数为≤0.035%，Cr的质量百分数为0.8%-1.1%，Mo的质量百分数为0. 15%-0.25%。由于该合金冷镦钢含有的Mo元素为昂贵金属元素，因此冷镦钢的成本较高。

10B33钢种的用户一般在国外，据《金属制品》2010年第4期付国平等人的“10B33冷镦线材的试制”报道，该钢种的化学成分为： C 的质量分数为0. 33% ~ 0. 36%，Si的质量分数为0.15%-0.30%， Mn的质量百分数为0.80% ~ 1. 00%，Al的质量百分数为0. 02% ~ 0.04% ，P的质量百分数≤0.025%，S的质量百分数为≤0.020%，Cr的质量百分数为0.10%-0.20%，Ti的质量百分数为0. 02%-0.04%，B的质量百分数为0. 0010% ~ 0. 0030% 。该钢种为包钢以前生产的钢种，用户反映产品的强度不稳定，达不到用户的使用要求。分析认为，由于该钢种的Mn含量波动较大且下限偏低，另外，钢中Ti含量偏低、Al含量偏低，降低了钢中有效硼的含量，因此强度偏低。此外，钢中硼含量波动也较大。

据《全国金属制品信息网第22届年会论文集》2010年刘振成等人的“10B33冷镦线材的试制”报道，10B33冷镦线材的生产工艺为：转炉冶炼——钢包炉精炼——真空处理——大方坯连铸—— 轨梁开坯——高线轧制。以前包钢生产10B33线材采用该工艺，但是由于采用大方坯二火成材工艺，生产成本过高，目前该工艺已经被淘汰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能稳定，成本低，不易产生裂纹的一种高强度含硼冷镦钢的生产方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明包括：C 的质量分数为0. 34% ~ 0. 36%，Si的质量分数为0.15%-0.30%，Mn的质量百分数为0.80% ~ 1. 00%，Ti的质量百分数为0. 03% ~ 0. 08% ，Al的质量百分数为0. 025~0.045% ，P的质量百分数< 0. 025%，S的质量百分数为< 0. 025%，B的质量百分数为0. 0012% ~ 0. 0021% ，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，方法如下：转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷工序，轧制的线材规格为：5.5mm≤直径≤20mm；

抗拉强度为610-700MPa的范围内，屈服强度明显，在350-450MPa的范围内，断面收缩率为55-68%。

本发明线材制成的产品经880℃保温1小时再水淬， 460℃保温1小时再回火处理，抗拉强度达到1240-1310MPa，σ_0.2屈服强度台阶明显，且在1100-1210MPa的范围内，伸长率12.5-17.0%，面缩率62-68%，Aku冲击功为170-230J，洛氏硬度HR在40-43的范围内，各项指标均完全满足国标GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对12.9级螺栓的要求。

该发明的优点在于既提高了冷镦钢钢种的淬透性，又使钢不容易产生裂纹，使钢中硼含量的加入范围更加合理。另外，由于采用150mm×150mm断面连铸机生产钢坯，相比大方坯二火成材工艺，冷镦钢的成本大幅度降低。与江苏省沙钢钢铁研究院有限公司申请的专利产品相比，钢中没有Cr等合金，钢材的成本较低；同时，由于冷镦钢的硅含量较高，材料在使用过程中有较明显的σ_0.2屈服强度台阶，这对冷镦钢的使用安全是非常有利的。

本发明的合金设计方案根据如下：

C：碳是钢的主要强化元素之一。碳含量过低，则冷镦钢在热处理后后的强度和硬度低，但是如果碳含量过高,则热轧线材强度高,塑性低,冷墩易开裂，且模具寿命低。因此,综合考虑，碳含量应控制在0.34～0.36%。

Si:硅元素虽可提高钢的强度,但也导致冷墩变形抗力升高,增加模具消耗，但钢中硅含量低，冷镦钢的屈服强度不明显，给冷镦钢特别是高强冷镦钢的使用带来潜在的隐患。综合考虑，将钢中Si的含量控制在0.15-0.30%。

Mn:锰是固溶强化元素，过低的锰钢中Mn/S比低，给钢的连铸生产带来质量隐患，但过多的锰会降低线材的塑性和韧性。因此，锰含量可控制在0.80-1.00%。

Ti:钛元素溶于钢中可提高钢的强度与韧性，特别是可以固氮，消除钢中氮元素的危害，但过高会提高钢材的成本，因此将钛元素控制在：0. 03% ~ 0. 08%。

Al:铝是强脱氧剂，铝含量越高，则钢中氧含量越低，钢材的质量越好。但钢材中铝含量过高，会增加钢材的成本。因此，将钢中Al含量控制在0. 025~0.045%。

B: 虽然含硼冷镦钢有淬透性好、成本低的特点，但由于硼元素是一个敏感元素，其成分范围需要较好的确定。钢中硼含量过低，达不到提高钢材淬透性的作用；硼含量过高，又会使钢发脆，钢材在生产过程中容易产生裂纹。另外，如果加入钢中的硼元素被氧化或氮化，都会使硼失去淬透性，因此含硼冷镦钢要加入铝元素防止硼被氧化，加入钛元素以防止硼元素被氮化。

在本钢种工业开发前，曾做过100kg真空炉冶炼实验，然后轧制成钢板，结果见表1，4#钢产生了裂纹。可见，钢中硼含量对钢的性能有重要影响，含量过高，就会使钢在加工过程中容易产生裂纹。

对1#、2#、3#、4#钢都进行了淬透性试验，结果表明： 2#、3#、4#钢的淬透性达到35mm以上，但1#钢的淬透层只有15mm，因此在生产大规格线材，如：直径为20mm，这样的硼含量不能满足生产要求。

综合考虑，将本钢种中硼含量控制在0. 0012% ~ 0. 0021%的范围内。

P：钢中磷为有害元素，越低越好，但考虑到钢中磷含量过低，制造成本增加，因此要求P的质量百分数< 0. 025%。

S：钢中硫为有害元素，越低越好，但考虑到钢中硫含量过低，制造成本增加，因此要求S的质量百分数< 0. 025%。

本发明含硼冷墩钢线材的方法，该方法包括依次进行的转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷工序，其特征在于：

（1）在冶炼工序中，转炉出钢温度1630-1660℃，出钢碳含量在0.06-0.13%的范围内，出钢的磷含量在0.008-0.019%的范围内。

（2）在精炼工序中，精炼就位温度在1513-1589℃的范围内，精炼离位温度在1554-1596℃的范围内。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。

（3）连铸生产中过热度控制在15-25℃之间，拉速在1.9m/min-2.1m/min之间。

（4）在高线控轧工序中，开轧温度为960-990℃，吐丝温度为850-900℃。

（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为0.5-5

℃/S。

轧制的线材规格为：5.5mm≤直径≤20mm。

按照本发明生产的含硼冷墩钢，线材热轧后的抗拉强度为610-700MPa的范围内，屈服强度明显，在350-450MPa的范围内，断面收缩率为55-68%的范围内。由于线材的强度低，冷镦性能好，批量生产的冷镦钢1/3冷镦检测全部合格。

工业生产结果表明：线材制成的产品经880℃保温1小时再水淬， 460℃保温1小时再回火处理，抗拉强度达到1240-1310MPa，σ_0.2屈服强度台阶明显，且在1100-1210MPa的范围内，伸长率12.5-17.0%，面缩率62-68%，Aku冲击功为170-230J，洛氏硬度HR在40-43的范围内，各项指标均完全满足国标GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对12.9级螺栓的要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例高强度含硼冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.34%；Si:0.23%;Mn:0.91%;P:0.0018%;S:0.006%;Al:0.036%;Ti:0.058%;B:0.0017%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为16mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1638℃，出钢碳含量为0.09%，出钢的磷含量为0.015%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1539℃，精炼离位温度在1578℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为21℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为970℃，吐丝温度为883℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.8℃/S。

实施例2

本实施例10.9级含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:

0.36%；Si:0.28%;Mn:0.86%;P:0.022%;S:0.013%;Al:0.035%;Ti:0.056%;B:0.0015%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为16mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1647℃，出钢碳含量为0.09%，出钢的磷含量为0.018%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1578℃，精炼离位温度在1581℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为24℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为981℃，吐丝温度为865℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.2℃/S。

实施例3

本实施例10.9级含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.35%；Si:0.25%;Mn:086%;P:0.018%;S:0.008%;Al:0.031%;Ti:0.049%;B:0.0018%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1655℃，出钢碳含量为0.09%，出钢的磷含量为0.014%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1579℃，精炼离位温度为1593℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为18℃，拉速为2.1m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为970℃，吐丝温度为867℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.5℃/S。

实施例4

本实施例10.9级含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.34%；Si:0.27%;Mn:0.93%;P:0.022%;S:0.010%;Al:0.037%;Ti:0.051%;B:0.0015%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为20mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1653℃，出钢碳含量为0.10%，出钢的磷含量为0.018%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1577℃，精炼离位温度为1590℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为20℃，拉速为1.9m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为965℃，吐丝温度为875℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.2℃/S。

实施例5

本实施例10.9级含硼免球化退火冷墩钢所含组分及重量百分比为：C:0.35%；Si:0.19%;Mn:0.84%;P:0.017%;S:0.011%;Al:0.036%;Ti:0.067%;B:0.0017%，其余为铁和不可避免的杂质元素。线材直径为16mm，其生产过程为：转炉冶炼一炉外精炼一连铸150mm*150mm方坯一高线控轧一斯太尔摩线控冷冷却。关键控制参数为：(1)出钢温度1657℃，出钢碳含量为0.07%，出钢的磷含量为0.013%；（2）在精炼工序中，精炼就位温度为1544℃，精炼离位温度为1591℃。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。（3）连铸生产中过热度控制为23℃，拉速为2.0m/min之间。（4）在高线控轧工序中，开轧温度为980℃，吐丝温度为870℃。（5）冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为1.7℃/S。

表2列出了实施例1-5冷墩钢线材热处理后（880℃淬火×1h+460℃回火×1h）力学性能与据江苏省沙钢钢铁研究院有限公司申请的专利产品（“高强度紧固件用含硼冷墩钢及其制备工艺(申请专利号为：201010127837.4)”）在相同工艺条件下力学性能的对比。由对比可见，本发明的钢种不含Cr元素，因此钢材的成本较低，但热处理后的性能比沙钢的产品要优越许多，特别是抗拉强度，远高于沙钢。另外，产品在使用过程中，由于产品的σ_0.2屈服强度台阶明显，产品的使用安全性高。

表2 本发明产品性能与沙钢的高强度冷镦钢产品性能对比

经由对实施例1-5所得产品进行测试,可以发现,本发明的高强度含硼冷墩钢线材制成的产品经880℃保温1小时再水淬， 460℃保温1小时再回火处理，抗拉强度达到1240-1310MPa，σ_0.2屈服强度台阶明显，且在1100-1210MPa的范围内，伸长率12.5-17.0%，面缩率62-68%，Aku冲击功为170-230J，洛氏硬度HR在40-43的范围内，各项指标均完全满足国标GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对12.9级螺栓的要求。

Claims

1.一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述高强度含硼冷镦钢的组分为：C的质量百分数为0.34％～0.36％，Si的质量百分数为0.15％～0.30％，Mn的质量百分数为0.80％～1.00％，Ti的质量百分数为0.03％～0.08％，Al的质量百分数为0.025％～0.045％，P的质量百分数为<0.025％，S的质量百分数为<0.025％，B的质量百分数为0.0012％～0.0021％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述一种高强度含硼冷镦钢的生产方法，方法如下：转炉、炉外精炼、连铸、高线轧制、斯太尔摩线控冷工序，使用的铸坯规格为150mm×150mm、高线开轧温度为960℃～990℃，轧制的线材规格为：5.5mm≤直径热轧后线材的抗拉强度在610～700MPa的范围内，屈服强度明显，在350～450MPa的范围内，断面收缩率为55％～68％；线材制成的产品经880℃保温1小时再水淬，460℃保温1小时再回火处理，抗拉强度达到1240～1310MPa，σ_0.2屈服强度台阶明显，且在1100～1210MPa的范围内，伸长率12.5～17.0％，面缩率62～68％，Aku冲击功为170～230J，洛氏硬度HR在40～43的范围内。