CN114015832A - 一种耐-40℃冲击高强度螺栓用圆钢的生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐‑40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，包括如下步骤：(1)采用铁水和废钢作为原料，利用超高功率偏心底式电炉进行冶炼，(2)将物料利用LF精炼炉进行精炼，(3)利用VD真空炉脱气，并喂入包芯线和B铁，(4)采用弧形连铸机进行连铸处理，(5)步进式加热炉进行钢坯加热，(6)轧钢，(7)控制冷却，(8)缓冷，(9)热处理。本发明在生产≤φ30mm的风电螺栓用钢上较42CrMoA最少可降低330元/吨的生产成本。

Description

一种耐-40℃冲击高强度螺栓用圆钢的生产方法
技术领域
本发明涉及圆钢生产技术领域，尤其涉及一种低成本小规格耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓免退火冷拔用圆钢生产方法。
背景技术
近年来，随着我国风电、机械、建筑、轻工业等各个行业的高速发展，对制造各类紧固件(如螺栓、螺母等)等零件使用的材料提出了更高的要求。要求强度更高，冲击韧性更好。目前用CrMo类钢材进行热处理调质后生产10.9级螺栓已经普遍使用，发明人在此之前也申请过超高强度螺栓用圆钢生产方法，以生产抗拉强度要求＞1400MPa、用在14.9级超高强度螺栓上的圆钢；但CrMo类钢材由于合金含量高，特别是Mo元素的加入导致其生产成本普遍偏高，而且CrMo钢属于贝氏体钢，热轧状态就出现大量的贝氏体，导致螺栓加工过程增加退火工序，以降低钢材硬度才能进行冷拔，用以保证尺寸精度。
因此，开发一种低成本的适用于φ16-φ30mm规格10.9级高强度螺栓用钢，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种低成本小规格10.9级耐-40℃冲击高强度螺栓免退火冷拔用圆钢生产方法，解决产品淬透性差的问题，以及40Cr不耐低温冲击问题，为此对产品的成分进行重新设计采用对传统的中碳铬钢添加按质量分数计算0.0008-0.0035％B的冶炼成分设计。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，包括如下步骤：(1)采用铁水和废钢作为原料，利用超高功率偏心底式电炉进行冶炼，(2)将物料利用LF精炼炉进行精炼，(3)利用VD真空炉脱气，并喂入包芯线和B铁，(4)采用弧形连铸机进行连铸处理，(5)步进式加热炉进行钢坯加热，(6)轧钢，(7)控制冷却，(8)缓冷，(9)热处理。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(1)的具体工艺为：电炉冶炼过程中采用60％～75％的铁水+废钢的原料配比(铁水重量占比为60％～75％，铁水的主要成分是碳含量4.5％-4.9％、硅含量0.3-0.6％、锰含量0.3-0.7％，磷含量≤0.130％，其余的都为铁)摸索进行电炉冶炼，出钢控制C含量wt≥0.10％，出钢P含量wt≤0.015％；钢芯铝2.0kg/t强脱氧，铁合金料、(含碳量＞90wt％的)增碳剂、渣料随后加入包中，出钢后期采用0.3～0.4MPa进行氩气强搅拌，以均匀温度和成分，并促进脱氧产物上浮。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(2)的具体工艺为：精炼炉前期用电石和碳化硅扩散脱氧，尽快形成稳定白渣，白渣的二元碱度R控制在5.0～7.0，化学成分设计目标：C、Si含量wt分别按0.38～0.43％、0.23～0.27％控制；Mn、Cr含量wt分别按0.60-0.80％、0.90-1.10％目标值控制；P、S含量wt：≤0.015％；Al含量wt：≥0.015％。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(3)的具体工艺为：在1660±10℃、真空度小于67Pa下保持15min以上进行VD真空脱气处理，处理结束后喂入1.5～2.5m/t钢CaSi包芯线，然后按照喂入钛线含量wt按≥0.020％，然后加入硼铁，使得钢铁最终产品的硼含量wt按0.0008-0.0035％，浇铸前氩气软搅拌8～15min。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(4)的具体工艺为：大包长水口使用Ar封装置，对大包钢流全程吹氩保护，过热度在20～45℃，选用中碳专用保护渣，拉速1.50-1.65m/min，连铸机采用结晶器电磁搅拌3Hz/480A，生产150mm×150mm矩形坯。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(5)的具体工艺为：钢坯加热运用长时间高温加热工艺，150mm×150mm使用步进式加热炉，采用加热Ⅰ段温度控制在1100-1200℃，加热Ⅱ段温度控制在1200-1240℃，均热段温度控制在1200-1240℃，总共加热≥180分钟的加热工艺保证钢材的均匀扩散。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(6)的具体工艺为：轧钢以150mm×150mm矩型坯为原料坯，采用Φ750mm和Φ450mm轧制成Φ16～Φ30mm钢材。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(7)的具体工艺为：通过在轧制成材后穿水控制冷却，确保上冷床温度750-800℃，促进组织转变。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(8)的具体工艺为：产品上冷床后，通过冷床上的缓冷设施和切割定尺后采用避风处集中堆垛缓冷方式，进一步去除应力。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤(9)的具体工艺为：用860℃加热保温，使用LT18A或水快速光亮淬火油淬火后，采用520℃～550℃温度回火。其中，LT18A是一种淬火介质，主要用于热处理淬火降温作用，可以理解为将钢加热后放到水中冷却。这个物质就类似与水，不过冷却强度小于水。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
本发明是发明人是在长期的实践中、经过大量反复的试验、付出了创造性劳动摸索得到的，本发明重点针对了冶炼时候圆钢的淬透性和冲击韧性进行优化后设计，设计的产品通过优化后的热处理工艺能够满足抗拉强度≥1040MPa，屈服强度≥940MPa，断后伸长率≥9％，断面收缩率≥48％，-40℃AKV≥27J(平均值)。
本发明中，严格筛选了圆钢中添加的元素种类，并对圆钢中的各种元素重量比进行了严格的控制，其中，Cr元素属于缩小奥氏体相区的元素，能够显著增加钢的淬透性,但是仅通过Cr元素提高淬透性效果较差。在步骤(3)中，调整了B含量，B元素可以显著提高淬透性,使产品整体热处理后能够完全淬透,保证芯部都为马氏体,通过后续回火使产品的韧性和强度都得到提升。为了保证B能够充分的发挥作用,在步骤(2)和步骤(3)上都进行了脱氧固氮的工艺保证B的问题。Al元素属于强脱氧剂，起到脱氧定氮的作用，并能细化晶粒。根据Al的溶解度来计算，若钢中的Al全部与氧的结合时，Al在钢中的含量最大为0.015％，因此在成分设计过程中对Al的含量最低要求为0.015％，为此在步骤(3)添加B元素前，先通过加入铝线保证铝在0.015％以上。在添加Al之后为了进一步减少N对B元素的影响，在步骤(3)适当喂入了Ti线，适当添加Ti元素，起到固氮保硼的作用。
总之，本发明提供的圆钢，对C、Si、Mn、Cr、B等主要元素进行强化淬透性设计，控制在较通常更窄的范围内，钢材均匀性好和产品性能波动范围减小。本发明采用电炉留钢留渣操作，精炼炉造高碱度渣，实现了低P和低S控制。并采用VD真空脱气和氩气保护浇注，对H、O、N等杂质含量进行控制，从而减少钢中非金属夹杂物的数量，使其微细分散化，改善钢的低温韧脆转变温度。
本发明在于采用B提高淬透性，使产品能够充分淬透，从而保证产品的高强度和高韧性的要求。通过添加微量的B元素来替代昂贵的Mo元素，使小规格产品能够完全满足10.9级风电螺栓用钢的需求，添加B元素仅比普通的40Cr成本增加6元/吨，而比42CrMoA成本低130元/吨。同时本发明因为是珠光体钢可以不经过退火就冷拔，而42CrMoA必须经过退火处理才能冷拔，减少退火费用约200元/吨。因此本发明在生产≤φ30mm的风电螺栓用钢上较42CrMoA最少可降低330元/吨的生产成本。
附图说明
图1是实施例1产品调质后的组织状态图；
图2是实施例4产品调质后的组织状态图；
图3是对比例1产品调质后的组织状态图；
图4是对比例2产品调质后的组织状态图；
图5-图7是本发明实施例1-3生产JN10.9LS钢热轧状态组织；
图8是本发明实施例4生产JNTG10.9LS钢热轧状态组织；
图9是本发明对比例1生产的40Cr钢热轧状态组织；
图10是本发明对比例2生产的42CrMoA钢热轧状态组织；
图11是本发明的实施例和对比例的淬透性曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
一种低成本10.9级耐-40℃冲击螺栓用圆钢生产方法，包括如下步骤：(1)采用铁水和废钢作为原料，利用超高功率偏心底式电炉进行冶炼，(2)将物料利用LF精炼炉进行精炼，(3)利用VD真空炉脱气，并喂入包芯线和B铁，(4)采用弧形连铸机进行连铸处理，(5)步进式加热炉进行钢坯加热，(6)轧钢，(7)控制冷却，(8)缓冷，(9)热处理。
实际生产实施例
以150mm×150mm断面连铸矩形坯生产的Φ25mm轧材，性能全部达到技术要求。具体工艺方法如下：
(1)电炉冶炼环节
电炉过程中采用70％的铁水+废钢的原料试生产3炉，出钢控制C含量wt≥0.10％，出钢P含量wt≤0.015％；钢芯铝2.0kg/t强脱氧，铁合金料、增碳剂、渣料随后加入包中，出钢后期采用0.35～0.4MPa进行氩气强搅拌，以均匀温度和成分，并促进脱氧产物上浮。
(2)精炼环节
精炼炉前期用电石和碳化硅扩散脱氧，尽快形成稳定白渣，白渣的二元碱度R控制在5.5，化学成分设计目标：C、Si含量wt分别按0.38～0.43％、0.23～0.27％控制；Mn、Cr含量wt分别按0.60-0.70％、0.90-0.95％目标值控制；P含量wt：≤0.015％；S含量wt：≤0.010％；Al含量wt：≥0.015％。
(3)真空处理工序
真空处理环节在1660±10℃、真空度小于67Pa下保持15min以上进行VD真空脱气处理，处理结束后喂入2m/t钢CaSi包芯线，然后按照喂入钛线，然后加入硼铁，浇铸前氩气软搅拌10～15min。经过喂线操作和插硼操作，使产品Ti和B的含量wt分别达到≥0.020％、≥0.0020％。
(4)连铸环节
浇铸环节大包长水口使用Ar封装置，对大包钢流全程吹氩保护，过热度在25～35℃，拉速1.62m/min，结晶器电磁搅拌3Hz/480A。使用中碳专用保护渣，生产150×150mm连铸坯。
(5)钢坯加热
钢坯加热运用长时间高温加热工艺，150mm×150mm使用步进式加热炉，采用加热Ⅰ段温度控制在1130-1150℃，加热Ⅱ段温度控制在1200-1220℃，均热段温度控制在1220-1230℃，总共加热190分钟的加热工艺保证钢材的均匀扩散。
(6)轧制环节
采用Φ750mm和Φ450mm轧制成Φ25mm钢材。
(7)控制冷却
通过在轧制成材后穿水控制冷却，确保上冷床温度760-790℃，促进组织转变。
(8)缓慢冷却环节
通过冷床上的缓冷设施和切割定尺后采用避风处集中堆垛缓冷方式，进一步去除应力，温度＜40℃拆垛发货。
(9)热处理
用860℃加热保温，使用LT18A快速光亮淬火油淬火后，采用550℃温度回火。
采用实际生产实施例的步骤和工艺参数，生产了3炉，仅对化学成分进行调整，分别为实施例1、实施例2和实施例3。
项目 C Si Mn P S Al Cr B Ti
实施例1 0.4 0.24 0.62 0.012 0.006 0.025 0.91 0.0024 0.023
实施例2 0.39 0.25 0.62 0.011 0.003 0.018 0.92 0.0024 0.025
实施例3 0.4 0.24 0.65 0.011 0.004 0.022 0.90 0.0027 0.026
实施例4
热处理的回火温度降低至520℃，其它操作采用实际生产实施例的步骤和工艺参数，对化学成分进行调整为：
项目 C Si Mn P S Al Cr B Ti
实施例4 0.39 0.25 0.60 0.013 0.006 0.018 0.91 0.0026 0.023
对比例1
较实施例1，主要不同为真空处理环节，不加入B和Ti；热处理回火温度降低在520℃。其它操作同实施例1。
对比实施例2的化学成分如下：
项目 C Si Mn P S Cr Al
对比例1 0.39 0.26 0.6 0.01 0.003 0.91 0.019
对比例2
较实施例1，主要不同为精炼环节，添加了Mo元素，使含量wt按0.17-0.22％。在真空处理环节，不加入B和Ti。其它操作同实施例1。
对比实施例2的化学成分如下：
项目 C Si Mn P S Cr Mo Al
对比例2 0.4 0.24 0.7 0.012 0.002 1.01 0.21 0.026
一、将实施例1-4、对比例1-2生产的产品进行热处理后力学性性能对比：
Figure BDA0003320281600000071
从上述数据可以看出实施例1-3生产的JN10.9LS、对比例4生产的JNTG10.9LS与同规格的42CrMoA(对比例2)性能都能满足风电螺栓用钢需求，但是40Cr(对比例1)确无法满足风电用钢的需求。JN10.9LS的产品满足风电螺栓用钢热处理回火温度范围至少为30℃。
二、将实施例1、4，对比例1、2的调质后的组织状态图进行比较：
项目 级别 组织
实施例1 2级 回火索氏体(图1)
实施例4 2级 回火索氏体(图2)
对比例1 4级 回火索氏体(图3)
对比例2 3级 回火索氏体(图4)
从调质后的组织状态可以看出实施例1和实施例2组织状态基本一致，比实施例4较好，远远优于实施例3。
三、通过实施例1-4，对比例1、2的金相组织图，对热轧硬度和组织进行比较：
项目 硬度HBW 组织
实施例1 235 铁素体+珠光体(图5)
实施例2 230 铁素体+珠光体(图6)
实施例3 234 铁素体+珠光体(图7)
实施例4 229 铁素体+珠光体(图8)
对比例1 221 铁素体+珠光体(图9)
对比例2 303 铁素体+珠光体+贝氏体(图10)
通过图5-图10金相组织可以看出，实施例1-3的JN10.9LS、实施例4和40Cr热轧状态都是珠光体和铁素体，而42CrMoA热轧状态为珠光体加贝氏体，而且各种组织的硬度相差也较大。42CrMo需要退火到布氏硬度≤255HBW后才能冷拔，而JN10.9LS热轧状态硬度＜240HBW可以直接进行冷拔。
四、对实施例1-4，对比例1、2的淬透性进行比较：
钢种 J1.5 J3 J5 J7 J9 J11 J13 J15 J20 J25 J30
实施例1 55.5 54.5 54.5 52.5 51 51 46.5 44.5 38 35.5 33.5
实施例2 55 54 54 53 51 50.5 46 43 37 35 32
实施例3 55.5 55 54.5 53 52 51.5 47.5 44 38 34 33
实施例4 55 54 54 52.5 51 50 46 43 37 35 32
对比例1 55.5 53.6 51.9 49.5 45.1 42.5 38.2 38.1 31.4 28.8 28.1
对比例2 55 55.5 55 55 54.5 54.5 53.5 52 46.5 42 40.5
通过淬透性曲线(图11)可以看出若钢材直径控制在30mm以内能保证JN10.9LS钢的淬透性，能够满足10.9级螺栓性能要求。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)采用铁水和废钢作为原料，利用超高功率偏心底式电炉进行冶炼，(2)将物料利用LF精炼炉进行精炼，(3)利用VD真空炉脱气，并喂入包芯线和B铁，(4)采用弧形连铸机进行连铸处理，(5)步进式加热炉进行钢坯加热，(6)轧钢，(7)控制冷却，(8)缓冷，(9)热处理。
2.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(1)的具体工艺为：电炉冶炼过程中采用60％～75％的铁水+废钢的原料配比(铁水重量占比为60％～75％，铁水的主要成分是碳含量4.5％-4.9％、硅含量0.3-0.6％、锰含量0.3-0.7％，磷含量≤0.130％，其余的都为铁)摸索进行电炉冶炼，出钢控制C含量wt≥0.10％，出钢P含量wt≤0.015％；钢芯铝2.0kg/t强脱氧，铁合金料、(含碳量＞90wt％的)增碳剂、渣料随后加入包中，出钢后期采用0.3～0.4MPa进行氩气强搅拌，以均匀温度和成分，并促进脱氧产物上浮。
3.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(2)的具体工艺为：精炼炉前期用电石和碳化硅扩散脱氧，尽快形成稳定白渣，白渣的二元碱度R控制在5.0～7.0，化学成分设计目标：C、Si含量wt分别按0.38～0.43％、0.23～0.27％控制；Mn、Cr含量wt分别按0.60-0.80％、0.90-1.10％目标值控制；P、S含量wt：≤0.015％；Al含量wt：≥0.015％。
4.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(3)的具体工艺为：在1660±10℃、真空度小于67Pa下保持15min以上进行VD真空脱气处理，处理结束后喂入1.5～2.5m/t钢CaSi包芯线，然后按照喂入钛线含量wt按≥0.020％，然后加入硼铁，使得钢铁最终产品的硼含量wt按0.0008-0.0035％，浇铸前氩气软搅拌8～15min。
5.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(4)的具体工艺为：大包长水口使用Ar封装置，对大包钢流全程吹氩保护，过热度在20～45℃，选用中碳专用保护渣，拉速1.50-1.65m/min，连铸机采用结晶器电磁搅拌3Hz/480A，生产150mm×150mm矩形坯。
6.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(5)的具体工艺为：钢坯加热运用长时间高温加热工艺，150mm×150mm使用步进式加热炉，采用加热Ⅰ段温度控制在1100-1200℃，加热Ⅱ段温度控制在1200-1240℃，均热段温度控制在1200-1240℃，总共加热≥180分钟的加热工艺保证钢材的均匀扩散。
7.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(6)的具体工艺为：轧钢以150mm×150mm矩型坯为原料坯，采用Φ750mm和Φ450mm轧制成Φ16～Φ30mm钢材。
8.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(7)的具体工艺为：通过在轧制成材后穿水控制冷却，确保上冷床温度750-800℃，促进组织转变。
9.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(8)的具体工艺为：产品上冷床后，通过冷床上的缓冷设施和切割定尺后采用避风处集中堆垛缓冷方式，进一步去除应力。
10.如权利要求1所述的一种耐-40℃冲击10.9级高强度螺栓用圆钢的生产方法，其特征在于：步骤(9)的具体工艺为：用860℃加热保温，使用LT18A或水快速光亮淬火油淬火后，采用520℃～550℃温度回火。
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