CN111471920B

CN111471920B - 一种u型螺栓用非调质钢及其生产方法

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Publication number: CN111471920B
Application number: CN202010360166.XA
Authority: CN
Inventors: 左辉; 许光乐; 唐宁; 王子健; 郑力宁; 肖波; 石可伟; 张洪才; 林鹏
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111471920A

Abstract

本发明公开了一种U型螺栓用非调质钢及其生产方法，其由以下质量百分比的元素组成：C：0.43%‑0.45%，Si：0.30%‑0.40%，Mn：1.55%‑1.65%，Cr：0.20%‑0.25%，V：0.08%‑0.10%，N：0.012%‑0.016%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni:≤0.20%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，[O]≤0.0015%，余量为Fe。本发明成分设计合理、工艺先进，与目前市场上供应的U型螺栓用钢相比具有更高的精度、更细的晶粒度、更高的强度。尺寸精度控制在±0.25mm以内，Rm≥930Mpa，Rel≥650Mpa，晶粒度≥8级。通过各成分的合理配比，依靠微合金化以及控制轧制技术开发的U型螺栓用非调质钢，具有经济、节能和环保等优点，能很好的克服传统U型螺栓的缺点，实现降本增效，提高市场竞争力。

Description

一种U型螺栓用非调质钢及其生产方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，涉及钢铁行业中的紧固件用非调质钢，具体涉及一种代替40Cr的高精度、高强度U型螺栓用非调质钢及其生产方法。

背景技术

U形螺栓，又叫骑马螺栓，英文名称为U-bolt，是非标准件，两端有螺纹可以与螺帽连接，主要用于固定管状物如水管或片状物如汽车的板簧，一般应用在载货汽车上，用于稳定汽车底盘和车架，U形螺栓的质量决定了板簧的使用寿命。而汽车板簧在悬架***中主要起缓冲作用，还可以传递力和力矩，起导向作用，可以减振，可以替代减振器。这就要求U形螺栓不仅能承受各向载荷还要承受板簧的磨擦，受力复杂，表面质量、疲劳寿命至关重要，这对U形螺栓用钢的质量提出了非常高的要求，因此，要高精度、高强度、高疲劳寿命。

国内常用的8.8级高强度U型螺栓主要使用40Cr钢调制生产。40Cr调质易出现淬火开裂和变形，存在质量风险，且尺寸精度无法保证。还有，淬火+回火工艺生产过程会产生废水、废气，且能源消耗大，生产周期长，生产成本高。由于国家环保政策和绿色发展的新理念，采用调制工艺已不符合基本国策，而欧美国发达国家已普遍采用非调质钢制造U型螺栓，采用冷弯成形。淮钢按照市场需求开发出的高精度、高强度U型螺栓用非调质钢，由于经过搅拌旋涡KR脱硫、副枪转炉冶炼、RH真空精炼、Ca变性处理，方坯连铸、控制轧制、KOCKS精轧、相控阵超声波探伤+漏磁探伤消缺，尺寸精度高、纯净度高，疲劳寿命高，表面质量好，综合成本低。

国家《合金结构钢》(GB/T 3077-2015)标准中的40Cr：C：0.37％～0.44％，Si：0.17％～0.37％，Mn：0.50％～0.80％，Cr：0.80～1.10％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cu≤0.20％，Ni≤0.30％，Mo≤0.10％。850℃油淬、600℃回火后力学性能可达到：Rm≥900Mpa，Rel≥630Mpa，A≥13％，Z≥40％；交货硬度：≥250HBW；晶粒度≥5级；非金属夹杂物A粗≤2.0级，A细≤2.5级，B粗≤1.5级，B细≤2.5级，C粗≤1.0级，C细≤1.5级，D粗≤1.0级，D细≤1.5级，Ds≤2.0级。这种调质钢生产工序复杂、生产效率低、生产成本高、浪费能源，还对环境造成污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种U型螺栓用非调质钢，来代替现有的40Cr调制钢，本发明的另一目的在于提供这种钢的生产工艺。本发明通过化学成分的设计、冶炼工艺的优化、控制轧制、KOCKS精轧、相控阵超声波探伤，生产高精度、高强度的U型螺栓用非调质钢。

通过在钢中添加V、N元素，促进碳氮化钒的析出，细化奥氏体晶粒，V微合金化还可以进行再结晶+未再结晶区的控轧控冷，显著提高非调质钢的强韧性；通过添加少量的Cr元素，形成Cr的碳化物，提高钢的强度；采用非调质钢生产工艺，可以避开调质处理，防止热处理变形，减少加工工序；通过各成分的合理配比，依靠微合金化技术以及控轧控冷来确保零件组织性能，因此非调质钢U型螺栓具有经济、节能和环保等优点，能很好的克服传统U型螺栓的缺点，实现降本增效，提高市场竞争力。本高精度、高强度的U型螺栓用非调质钢具有如下性能：Rm≥930Mpa，Rel≥650Mpa，A≥16％，Z≥45％；交货硬度：≥260HBW；晶粒度≥8级；非金属夹杂物A粗≤1.5级，A细≤1.5级，B粗≤1.0级，B细≤1.5级，C粗≤0.5级，C细≤0.5级，D粗≤1.0级，D细≤1.0级，Ds≤1.5级。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种U型螺栓用非调质钢，其由以下质量百分比的元素组成：C：0.43％-0.45％，Si：0.30％-0.40％，Mn：1.55％-1.65％，Cr：0.20％-0.25％，V：0.08％-0.10％，N：0.012％-0.016％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni:≤0.20％，Cu≤0.20％，Mo≤0.10％，[O]≤0.0015％，余量为Fe。

本发明的进一步改进方案为：

一种生产上述U型螺栓用非调质钢的方法，，包括下列步骤：KR脱硫→转炉冶炼→钢包精炼→RH真空脱气→软吹→连铸→缓冷→加热→控制轧制→KOCKS精轧→缓冷→矫直→抛丸→倒棱→相控阵超声波探伤+漏磁探伤→入库。

进一步的，所述KR脱硫采用搅拌的KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，连续搅拌8-10分钟，形成漩涡，向漩涡中心投入自制脱硫剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.005％。

进一步的，所述转炉冶炼时，转炉采用副枪***，快速、精确定C、定[O]，精确添加Al饼、碳粉，确保到精炼炉C：0.38％～0.43％。

进一步的，所述RH真空脱气时，RH破空，待液面稳定后，立即喂入氮化锰包芯线，一次调N到位。

进一步的，所述控制轧制时，在蓄热式燃气步进加热炉中采用1120～1150℃高温加热，1050～1080℃降温保温均热的加热方法，将开轧温度控制在950～980℃、终轧温度控制在800～850℃、轧制过程钢材表面温差≤20℃。

进一步的，所述KOCKS精轧时，利用减定径机组生产Φ16mm-Φ30mm高精度圆钢，将热轧尺寸控制在±0.25mm以内。

钢材轧制后采用矫直、抛丸、机械倒棱、相控阵超声波探伤、漏磁探伤、修磨的精整工艺消除钢材内外部缺陷。

本发明生产的U型螺栓用非调质钢，具有高精度、高强度等特点，材料性能可以达到如下水平：Rm≥930Mpa，Rel≥650Mpa，A≥16％，Z≥45％；交货硬度：≥260HBW；晶粒度≥8级；非金属夹杂物A粗≤1.5级，A细≤1.5级，B粗≤1.0级，B细≤1.5级，C粗≤0.5级，C细≤0.5级，D粗≤1.0级，D细≤1.0级，Ds≤1.5级。

目前国内使用的U型螺栓用调质钢40Cr与本发明的U型螺栓用非调质钢化学成分对比情况如下表1所示：

表1化学成分对比(wt％)

本发明U型螺栓用非调质钢化学成分的限定理由：

本发明需要在不进行热处理的条件下达到40Cr调质材的力学性能，必须对化学成分进行全新设计，通过设计高的C、Si、Mn含量，确保钢材的强度，配以少量的Cr、N、V进行细化晶粒，其中Cr元素在不影响韧性的前提下，形成Cr的碳化物，起到细晶强化的作用，提高强度；V、N元素在钢中形成颗粒状的VN，VN能有效细化奥氏体晶粒，促进钢中小颗粒铁素体的析出，有效地分割粗大的珠光体，提高非调质钢的韧性，并且在钢中适当的增氮还能进一步促进钢中碳氮化钒的析出，显著发挥V的析出强化作用；最终使本发明钢种综合性能达到调质40Cr的水平。

C：是对钢强度影响最大的元素，也是最廉价的元素。C能够与Mn、Cr、V等元素结合，形成碳化物，有利于强度的增加，但是C含量过高会导致钢的韧性下降。综合考虑，本发明C含量限定为0.43％-0.45％。

Si：能溶于铁素体和奥氏体中起固溶强化作用，显著提高钢的强度和硬度，尤其是提高钢的屈服强度；硅还有脱氧的作用，但含量超过0.40％时抗疲劳强度和耐久度会降低，因此将Si的含量控制在0.30％-0.40％。

Mn：有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性，当Mn含量低于1.80％时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。但Mn含量过高会产生偏析，影响螺栓的疲劳性能，本发明Mn含量如高于1.65％，合金成本相对较高，偏析也会比较显著，力学性能虽然能到到设计要求，但是稳定比较差，波动大；在低于1.55％的情况下，强度富余量小，有性能不合格的风险，不能保证设计的目标Rm≥930Mpa，Rel≥650Mpa。因此，综合钢的性能和生产成本，将Mn含量控制在1.55％-1.65％之间；

Cr：在钢中以碳化物形态存在，能显著提高钢的强度，具有防氧化、抗腐蚀、耐磨、高硬度等特点，同时对钢的塑性、韧性影响较小，添加0.20％以上的Cr就可以起到强化效果，因此本钢种Cr元素控制在0.20％-0.25％之间；

V：能够细化晶粒，提高钢的强韧性和耐磨性，从而提高产品的疲劳寿命，但是V元素非常昂贵，不适宜大量添加。本钢种V含量控制在0.08％～0.10％。

P：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，使冷弯性能变差。因此，将P含量控制在0.015％以下；

S：是易偏析元素，降低钢的延展性和韧性，对焊接性能和耐腐蚀性也有不利影响。所以本发明对S含量进行了严格控制，必须≤0.005％。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物含量显著增加，严重影响材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量稳定控制在0.0015％以内。

N：氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080％。本发明使用N元素与V元素一起进行细晶强化和析出强化。N元素与V元素在钢中会析出颗粒状的VN，VN能有效细化奥氏体晶粒，促进钢中小颗粒铁素体的析出，有效地分割粗大的珠光体，提高钢的韧性；在钢中增氮，还能进一步促进钢中碳氮化钒的析出，本发明V含量设计在0.08％～0.10％，N含量应设计在0.010％以上才能显著发挥V的析出强化作用；综合考虑本发明的强韧性要求和生产成本，本发明及生产工艺将N含量控制在0.010％-0.016％。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过化学成分的设计、冶炼工艺的优化、控制轧制、KOCKS精轧、相控阵超声波探伤，生产高精度、高强度的U型螺栓用非调质钢。

(2)通过在钢中添加V、N元素，促进碳氮化钒的析出，细化奥氏体晶粒，V微合金化还可以进行再结晶+未再结晶区的控轧控冷，显著提高非调质钢的强韧性；

(3)通过添加少量的Cr元素，形成Cr的碳化物，提高钢的强度；

(4)控制氧含量，尽可能的降低氧化物夹杂的含量；

(5)采用非调质钢生产工艺，可以避开调质处理，防止热处理变形，减少加工工序；

(6)本钢种采用BOF+LF+RH+CCM工艺，保证较低的气体以及有害残余元素的含量，使得材料具有优异综合力学性能。

(7)本钢种采用蓄热式步进加热炉加热，十八架连轧机组+四架KOCKS精轧，提高了产品的尺寸精度，提升了钢材的综合力学性能。

(8)通过各成分的合理配比，依靠微合金化技术以及控轧控冷来确保零件组织性能，因此非调质钢U型螺栓具有经济、节能和环保等优点，能很好的克服传统U型螺栓的缺点，实现降本增效，提高市场竞争力。

具体实施方式

实施例1～4

采用以下生产工艺制备：

(1)铁水预处理：采用搅拌的KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，连续搅拌8-10分钟，形成漩涡，向漩涡中心投入自制脱硫剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.005％；

(2)转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入石灰、合成精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣无渣出钢防止回P；转炉采用副枪***，快速、精确定C、定[O]，精确添加Al饼、碳粉，确保到精炼炉C：0.38％～0.43％；

(3)精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度R：5-8的精炼渣；通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂，精炼过程全程搅拌，精炼前期大搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

(4)真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持30分钟以上，保证[O]≤0.0008％，所有成分进入要求的范围；RH破空，待液面稳定后，立即喂入氮化锰包芯线，一次调N到位；

(5)软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为20分钟以上，确保夹杂物充分上浮去除；

(6)连铸：采用方坯连铸机，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，采用保护渣自动烘烤、自动添加装置确保均匀及时添加，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；

(7)轧钢与精整：采用蓄热式步进加热炉加热，均热段温度控制在1050～1080℃，采用控制轧制，开轧温度控制在950～980℃、终轧温度控制在800～850℃、轧制过程钢材表面温差≤20℃；连轧后采用KOCKS精轧，利用减定径机组生产Φ16mm-Φ30mm高精度圆钢，将热轧尺寸控制在±0.25mm以内；

(8)钢材轧制后采用矫直、抛丸、机械倒棱、相控阵超声波探伤、漏磁探伤、修磨的精整工艺消除钢材内外部缺陷。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

所得U型螺栓非用调质钢的化学成分如表2所示，

表2 U型螺栓非用调质钢成分(wt％)

分别根据GB/T 228.1对实施例1～4制得的U型螺栓非用调质钢的力学性能进行测试，测试结果如表3所示，实施例1-4制得的U型螺栓非用调质钢的晶粒度及非金属夹杂物与现有技术对比情况如表4、5所示。

表3本发明力学性能与现有技术对比

钢种	Rm/Mpa	Rel/Mpa	A/％	Z/％	晶粒度
						实施例1	936	669	18	49	8.0级
实施例2	936	672	19	48	8.5级
						实施例3	936	666	18	50	8.5级
实施例4	936	668	19	48	8.5级
						现有U型螺栓用调质钢	912	630	16	50	6.0级

表4本发明晶粒度与现有技术对比

表5本发明非金属夹杂物控制水平与现有技术对比

由表2、4、5可知，本发明的U型螺栓非用调质钢材料性能可以达到如下水平：Rm≥930Mpa，Rel≥650Mpa，A≥16％，Z≥45％；交货硬度：≥260HBW；晶粒度≥8级；非金属夹杂物A粗≤1.5级，A细≤1.5级，B粗≤1.0级，B细≤1.5级，C粗≤0.5级，C细≤0.5级，D粗≤1.0级，D细≤1.0级，Ds≤1.5级，具有高精度、高强度的特点。

Claims

1.一种U型螺栓用非调质钢的生产方法，其特征在于，包括下列步骤：KR脱硫→转炉冶炼→钢包精炼→RH真空脱气→软吹→连铸→缓冷→加热→控制轧制→KOCKS精轧→缓冷→矫直→抛丸→倒棱→相控阵超声波探伤+漏磁探伤→入库；

所述RH真空脱气时，RH破空，待液面稳定后，立即喂入氮化锰包芯线，一次调N到位；

所述控制轧制时，在蓄热式燃气步进加热炉中采用1120~1150℃高温加热，1050~1080℃降温保温均热的加热方法，将开轧温度控制在950~980℃、终轧温度控制在800~850℃、轧制过程钢材表面温差≤20℃；

所制得的U型螺栓用非调质钢由以下质量百分比的元素组成：C：0.43%-0.45%，Si：0.30%-0.40%，Mn：1.55%-1.65%，Cr：0.20%-0.25%，V：0.08%-0.09%，N：0.012%-0.016%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni:≤0.20%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，[O]≤0.0015%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种U型螺栓用非调质钢的生产方法，其特征在于：所述KR脱硫采用搅拌的KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，连续搅拌8-10分钟，形成漩涡，向漩涡中心投入自制脱硫剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.005%。

3.根据权利要求1所述的一种U型螺栓用非调质钢的生产方法，其特征在于：所述转炉冶炼时，转炉采用副枪***，快速、精确定C、定[O]，精确添加Al饼、碳粉，确保到精炼炉C：0.38%~0.43%。

4.根据权利要求1所述的一种U型螺栓用非调质钢的生产方法，其特征在于：所述KOCKS精轧时，利用减定径机组生产Φ16mm-Φ30mm高精度圆钢，将热轧尺寸控制在±0.25mm以内。