CN109402521B - 一种冷镦空芯铆钉用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷镦空芯铆钉用钢及其制备方法，其化学成分重量百分比为：C≤0.01%、Si≤0.04%、Mn：0.05～0.25％、P≤0.020%、S≤0.015%、Als：0.025～0.06％、Ti：0.06～0.12％、Cr≤0.04%、Ni≤0.02%、Cu≤0.02%、As≤0.015%、Sn≤0.015%；余量为Fe和不可避免的杂质，钢中铜当量（Cueq=Cu%+3*As%+8*Sn%‑Ni%）；步骤：冶炼、连铸成小方坯堆冷、铸坯加热、在高线进行粗轧及精轧、吐丝、采用斯太尔摩风冷线进行分段冷却至200℃以下空冷至室温。以Ti的C、N化合物细化析出粒子作沉淀强化，无需添加贵重金属即可保证了超低碳冷镦钢的强度。

Description

一种冷镦空芯铆钉用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于紧固件用冷镦钢领域，涉及一种冷镦空芯铆钉用钢及其制备方法。

背景技术

铆钉在很多领域里取代了螺栓连接和焊接，使各种结构件变得紧凑、轻巧，造型美观，使用方便，省工省料，被广泛应用于汽车、机械、电器仪表、建筑装潢、箱包等行业。制作铆钉的材料也正在逐步由钢铁材料取代价格昂贵的纯铝丝、铝镁合金丝、铜丝、不锈钢丝等。而现有的生产铆钉用钢主要为超低碳冷镦钢，其接近于工业纯铁，为超低碳纯净钢，具有成分稳定、有害元素低、钢质纯净度高、表面质量高、几何尺寸精度高，同时具有一定的强度，韧性好，可以冲压成极复杂的形状，主要用于制作变形量大的中空铆钉。但由于超低碳冷镦钢接近于工业纯铁，对铆钉强度要求较高的一些行业如汽车行业等存在强度和塑性匹配不能满足要求的问题，如公开号为CN102268595A的中国专利公开了一种“铜包钢用钢及其生产方法”，其成分设计上采用超低碳，其化学成分为C：≤0.010％、Si：≤0.009％、Mn：0.05～0.12％、Als：0.008～0.015％、P：≤0.015％、S：≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制方法为连铸坯加热，开轧温度1030〜1090℃，精轧入口温度895〜925℃，减定径机组入口温度890〜910℃，吐丝温度890〜910℃，Stelmor线采用延迟冷却到650〜670℃，成品的抗拉强度最高只有297.5MPa。

为提高超低碳冷镦钢的强度，现有工艺一般通过采用添加了大量的贵重金属Cr、Ni、Cu等，如公开号为CN103789636A的中国专利公开了“一种冷镦抽芯铆钉用钢的制备方法”，其化学成分为C：0.12～0.16％、Si：0.30～0.50％、Mn：0.40～0.60％、Cr：1.20～1.60％、Ti：0.02～0.08％、V：0.10～0.20％、Als：0.01～0.05％、P：≤0.03％、S：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质，采用电炉冶炼，轧后冷却采用普通缓冷，冷却速度1～3℃/s。又如日本专利（申请号JP19780104523[P].1980-03-05）公开了一种用于制造铆钉和螺栓的具有冷可锻性钢的化学成分为C≤0.02%、Si≤1.0%、Mn：3.0～4.0％、P≤0.040%、S≤0.003%、Ni：6.00- 8.00%、Cr：17.00-19.00%、Cu：2.50-4.00%、N：0.04-0.10%，余量为Fe和不可避免的杂质，同样含有Cr、Ni、Cu等昂贵金属，不利于企业生产成本降低。又如钢铁,2004,(11):60-63页的“超低碳冷镦钢空心铆钉缺陷的分析”描述了一种制作空心铆钉的超低碳冷镦钢，其化学成分为C≤0.008%、Si≤0.08%、Mn：0.15～0.25％、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≥0.02％、Ti≥0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质，生产工艺采用电炉冶炼，生产的大方坯经过二火成材工艺开坯后再生产线材盘圆，生产成本高而且质量不稳定，加工硬化明显，顶锻开裂问题多，下游用户拉拔时需进行退火处理。

综上所述，为满足铆钉用钢的强度和塑性匹配的要求，现有技术一般采用添加大量贵金属Cr、Ni、Cu等而造成生产成本大幅度增加，冶炼采用电炉冶炼，冶炼以后浇注成大方坯或模铸坯，通过开坯再进行线材盘圆轧制的二火成材工艺生产，制造成本极高。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种冷镦空芯铆钉用钢及其制备方法，具有生产工艺简单，生产效率高，合理均衡利用资源，采用一火成材，节约能源，降低生产成本的特点。该方法生产的冷镦空芯铆钉用钢能满足空心铆钉以及箱包中空铆钉等冲压件、锻压件及变形量大的异形件的制造，强度合适，冷加工性能极佳。

为达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：

一种冷镦空芯铆钉用钢，其化学成分配比（按重量百分比）为：C≤0.01%、Si≤0.04%、Mn：0.05～0.25％、P≤0.020%、S≤0.015%、Als：0.025～0.06％、Ti：0.06～0.12％、Cr≤0.04%、Ni≤0.02%、Cu≤0.02%、As≤0.015%、Sn≤0.015%；余量为Fe和不可避免的杂质，钢中铜当量（Cueq=Cu%+3*As%+8*Sn%-Ni%）。

所述冷镦空芯铆钉用钢的制备方法,包含如下步骤：

（1）铁水预处理－转炉冶炼－LF精炼－RH精炼－连铸，在连铸过程中采用电磁搅拌、恒温恒速拉钢，保证铸坯内部质量和表面质量，生产出断面为160×160mm连铸小方坯，堆冷；

（2）铸坯加热：对堆冷后铸坯进行加热；加热段控制温度1000-1120℃，均热段控制温度1000-1110℃，加热时间要求保证钢坯在高温段（加热段和均热段）总共时间100分钟；

（3）在高线进行粗轧，开轧温度在930〜950℃；

（4）在高线进行精轧，控制的精轧入口温度为930〜950℃，控制减定径温度在930〜950℃；精轧累积压下率大于60％;

（5）吐丝，吐丝温度控制为900〜920℃；

（6）不同的规格，不同的终轧速度，Φ6.5mm规格终轧速度100m/s，Φ8mm规格终轧速度91.5m/s，Φ10mm规格终轧速度58.6m/s。

（7）采用斯太尔摩风冷线进行分段冷却，630℃以上以≥5℃/s的冷却速度快冷，小于630℃以0.1〜3℃/s的冷速缓冷，至200℃以下空冷至室温。

（8）集卷，打包。

下面具体说明本发明的技术方案的内容：

成分设计：（1）碳含量增加可提高钢的强度，但不利于冷镦性能，该钢种要求极好的冷加工工艺性能，故要求钢中含碳量≤0.01%；（2）硅虽能显著提高钢的变形抗力，但对冷镦和挤压极为不利，故硅含量越低越好，硅控制在≤0.04%；（3）锰对碳钢的力学性能有良好的作用，它以固溶强化存在钢中，能提高热轧碳钢的强度和硬度。锰还作为脱氧除硫的元素加入钢中，可以提高铝和硅的脱氧效果，同硫结合形成硫化锰，从而在相当大的程度上消除硫在钢中的有害影响，锰的范围选为0.05～0.25％；（4）铝及Als：铝作为脱氧元素加入钢中，加入钢液中的铝部分与氧结合形成Al₂O₃的各种夹杂物上浮到渣中，起到脱氧作用，其余部分融入固态铁中，在加热和冷却时，形成弥散细小AlN第二相颗粒，阻止奥氏体晶粒长大，起到细化奥氏体晶粒的作用，钢中的Als范围选为0.025～0.06％；（5）磷是有害杂质元素，来源于矿石和生铁等炼钢原料，磷能提高钢的强度，但使塑性、韧性降低，使钢的脆性转变温度急剧升高，即提高钢的冷脆性（低温脆性），因此，磷含量控制在≤0.020%；（6）硫是有害元素，它主要来源于生铁原料、炼钢时加入的矿石和燃料燃烧产生的二氧化硫中。硫的最大危害在热加工时开裂，产生热脆。钢中硫含量高，硫化物夹杂的含量增高，钢的塑性和韧性降低，硫对钢力学性能影响，不仅和钢的含硫量有关，而且还和形成的硫化物夹杂的大小、形态和分布有关，因此，硫的含量控制在≤0.015%。（7）钛元素：Ti元素与C、N、S均有较强的亲和力，一方面与C、N结合形成C、N化物，产生细晶强化作用，明显提高钢的强度；另一方面又能与S作用形成塑性比长条状MnS低得多的球状Ti₄C₂S₂，钢中的MnS逐渐被消除，变成可改善材料韧性和成形性的球状夹杂物，从而降低MnS的有害作用，改善钢的横向性能。Ti在钢中首先形成TiN，但只有细小的TiN颗粒才能细化组织，起到强化作用。随着Ti含量的增加，TiN颗粒粗化，细小TiC的数量增加，析出强化作用导致钢的强度随Ti含量的增加而显著升高，但Ti含量过高，非共格析出物数量增加，会减弱析出强化效果，同时形成的C、N化物会引起钢的脆化。所以钢中有效Ti含量主要取决于S、N的含量，S、N含量越低，有效Ti含量越高，TiC粒子的析出强化作用才能体现出来。因此，Ti含量控制在0.06～0.12％。（8）由于Cu、As、Sn等增加铜当量，使得它们极易在晶界偏聚，降低晶界内聚力，对宏观性能的影响为钢材的断裂功减小，韧性明显降低，因此，应该对其含量予以特别地适当控制。

采用了连铸小方坯生产，减少了二火开坯造成的能源和成本的浪费；对堆冷后铸坯进行加热，加热段控制温度1000-1120℃，均热段控制温度1000-1110℃，加热时间要求保证钢坯在高温段（加热段和均热段）总共时间为100分钟，实现钛元素完全固溶，同时不使原始晶粒过分长大；轧制及冷却工序：a.对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却；b.通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，开轧温度930～950℃，由于线材轧制变形量够大，轧制过程发生动态再结晶和静态再结晶，细化奥氏体晶粒；c.高线进行精轧，控制的精轧入口温度为930〜950℃，控制减定径温度在910〜930℃；目标温度的实现主要靠机组间布置的冷却水***；精轧累积压下率大于60％，通过大变形量，提高位错密度，同时钛的碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉扎了位错的运动，为下步冷却过程做好组织准备；d. 控制吐丝温度为900〜920℃，吐丝后进入风冷线进行控制冷却，采用斯太尔摩风冷线进行分段冷却，630℃以上以≥5℃/s的冷却速度快冷，小于630℃以0.1〜3℃/s的冷速缓冷，至200℃以下空冷至室温。对精轧压下率的设计和精轧温度的控制，主要是为了提高微合金元素的析出强化作用，保证了超低碳钢的强度和韧性。

本发明的有益效果：以Ti的C、N化合物细化析出粒子作沉淀强化，无需添加贵重金属即可保证了超低碳冷镦钢的强度；采用了连铸小方坯生产，减少了二火开坯造成的能源和成本的浪费；控制钢坯加热和控制轧制控制冷却技术，获得相对均匀的纯铁素体组织，晶粒度8级左右，热轧盘条的R_m在330〜350MPa，伸长率≥48%，Z≥90%，在保证强度、韧性的同时降低了工序成本。

附图说明

图1为本发明实施例Φ6.5mm规格盘圆的金相组织图；

图2为本发明实施例Φ6.5mm规格盘圆电子探针面扫描钛元素分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

参见图1和图2。

实施例1

冷镦空芯铆钉用钢，牌号为CH1T，其组分及重量百分比为：C≤0.01%、Si≤0.04%、Mn：0.05～0.25％、P≤0.020%、S≤0.015%、Als：0.025～0.06％、Ti：0.06～0.12％、Cr≤0.04%、Ni≤0.02%、Cu≤0.02%、As≤0.015%、Sn≤0.015%；余量为Fe和不可避免的杂质。

轧制生产冷镦空芯铆钉用钢CH1T的方法，其步骤：

（1）按照CH1T钢化学成分控制，冶炼并连铸成坯，小方坯断面尺寸为160mm×160mm；

（2）将钢坯加热到1010℃，保温100分钟，在生产控制时，保证钢坯在加热段加均热段的时间为100分钟即可；加热段炉温控制在1000〜1120℃，均热段炉温控制在1000〜1110℃；

（3）在高线进行粗轧，开轧温度在930〜950℃；

（4）在高线进行精轧，控制的精轧入口温度为930〜950℃，控制减定径温度在930〜950℃；

（5）进行吐丝，吐丝温度控制为900〜920℃；

（6）不同的规格，不同的终轧速度，Φ6.5mm规格终轧速度100m/s，Φ8mm规格终轧速度91.5m/s，Φ10mm规格终轧速度58.6m/s；

（7）采用斯太尔摩风冷线进行分段冷却，630℃以上以≥5℃/s的冷却速度快冷，小于630℃以0.1〜3℃/s的冷速缓冷，至200℃以下空冷至室温；

（8）集卷，打包待用。

对盘条进行组织及力学性能检验，Φ6.5mm规格盘条组织照片见图1，其组织主要为铁素体，1/2半径处组织晶粒度为8.5级。通过电子探针的面扫描分析，在盘圆机体内部，弥散分布着Ti元素，对提高盘条强度发挥重要作用，见图2。盘条Φ6.5mm、Φ8mm、Φ10mm规格性能检测值见表1，盘条组织及力学性能满足制作变形量大的，要求有一定强度铆钉的要求。

表1 本发明实施例的钢材盘圆试验检测结果统计表

盘条规格	屈服强度p<sub>0.2</sub>(MPa)	抗拉强度R<sub>m</sub>(MPa)	断后伸长率（%）	断面收缩率（%）	铁素体晶粒级别
						6.5mm	248	335	57	91	8.5
Φ8mm	245	333	50	90	8
						Φ10mm	243	333	48.5	90	8

从表1可以看出，本发明涉及的冷镦空芯铆钉用钢CH1T屈服强度≥240MPa以上，抗拉强度≥330MPa以上，塑性指标极好，断后伸长率达到50%左右，断面收缩率≥90%。

Claims (1)

1.一种冷镦空芯铆钉用钢，其特征在于，化学成分及重量百分比为：C≤0.01%、Si≤0.04%、Mn：0.05～0.25％、P≤0.020%、S≤0.015%、Als：0.025～0.06％、Ti：0.06～0.12％、Cr≤0.04%、Ni≤0.02%、Cu≤0.02%、As≤0.015%、Sn≤0.015%；余量为Fe和不可避免的杂质，钢中铜当量=Cu%+3*As%+8*Sn%-Ni%；

所述冷镦空芯铆钉用钢的制备方法，包含如下步骤：

（1）铁水预处理－转炉冶炼－LF精炼－RH精炼－连铸，在连铸过程中采用电磁搅拌、恒温恒速拉钢，保证铸坯内部质量和表面质量，生产出断面为160×160mm连铸小方坯，堆冷；

（2）铸坯加热：对堆冷后铸坯进行加热，加热段控制温度1000-1120℃，均热段控制温度1000-1110℃，加热时间要求保证钢坯在高温段时间为100分钟；所述高温段包括加热段和均热段；

（3）在高线进行粗轧，开轧温度在930〜950℃；

（4）在高线进行精轧，控制的精轧入口温度为930〜950℃，控制减定径温度在930〜950℃；精轧累积压下率大于60％；

（5）吐丝，吐丝温度控制为900〜920℃；

（6）不同的规格，不同的终轧速度，Φ6.5mm规格终轧速度100m/s，Φ8mm规格终轧速度91.5m/s，Φ10mm规格终轧速度58.6m/s；

（7）采用斯太尔摩风冷线进行分段冷却，630℃以上以≥5℃/s的冷却速度快冷，小于630℃以0.1〜3℃/s的冷速缓冷，至200℃以下空冷至室温；

（8）集卷，打包。

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