CN114032463A - 一种高强韧贝氏体非调质钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合结钢技术领域，具体地，本发明涉及一种高强韧贝氏体非调质钢及其制造方法。所述高强韧贝氏体非调质钢的组成按质量百分比为：C：0.23～0.27％；Si：0.25～0.40％；Mn：1.80～2.00％；Cr：0.50～0.60％；S：0.045‑0.065％；P：≤0.02％；V：0.11～0.14％；Mo：0.04～0.10％；B：0.0012～0.0025％；N：0.010～0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。本发明在原有25Mn2CrVS的基础上，增加了钼、硼合金元素，增加材料的淬透性，促进贝氏体的形成，降低贝氏体形成所需的冷速。

Description

一种高强韧贝氏体非调质钢及其制造方法
技术领域
本发明属于合结钢技术领域，具体地，本发明涉及一种高强韧贝氏体非调质钢及其制造方法。
背景技术
汽车车桥是汽车安全件，其作用是支撑车辆重量、转向机件和悬吊支架。其中，前轴形状复杂，承受冲击载荷，尤其是汽车下坡急刹车时，前轴将受汽车负荷的2/3，其强度、刚度及疲劳寿命等指标直接影响到汽车传动***的稳定性和整车的安全性。其连接悬架与车架时，传递车轮、车架之间的各种负荷，包括垂直力、纵向力和侧向力，以及它们之间产生的扭矩，承受的载荷多为交变载荷。其质量不仅关系到汽车整车的使用性能，且关系到整车的安全性。另外，为了使钢材具有良好的加工性能，减少热处理后的材料的变形，前轴用钢还需要有均匀、稳定的淬透性。
非调质钢在锻后或轧后无须进行调质就可以获得较高的强度，是一种可以提高生产效率、降低生产成本、有利于节能减排及环境保护的绿色钢材，广泛应用于汽车、工程机械、农用机械等领域。
目前应用量大且面广的是珠光体-铁素体型非调质钢，其不足之处在于：在同样的强度级别下，其韧性较调质钢低。与珠光体-铁素体型非调质钢相比，贝氏体型非调质钢在同样的强度级别下，韧性更好，有着很好的应用前景。
25Mn2CrVS是目前使用的一种贝氏体型非调质钢，其典型成分：C：0.22～0.28％；Si：0.20～0.40％；Mn：1.80～2.10％；S：0.035-0.065％；P：≤0.03％；Cr：0.40～0.60％；V：0.10～0.15％。在GB/T15712(非调质机械结构钢)标准中提到，为了保证钢材的力学性能，推荐N含量0.008％～0.020％；在中国汽车工程学会标准中，规定N含量为0.01～0.02％。目前的25Mn2CrVS材料的锻后力学性能指标：抗拉强度为900-1040MPa，夏比冲击功KU2(20℃)≥45J，此种钢材的强韧性还有待提高。
CN 109295391 A通过增加N含量、合理添加Mn、Cr及V以及精确控制V/N质量，抗拉强度≥950MPa，夏比冲击功KU2(20℃)≥55J。1～2℃/s的冷却速度冷却至450℃以下。
对于大截面锻件，锻件内外温差大，冷却速度很难达到要求，导致钢材贝氏体转变不充分，严重影响钢材性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，本申请提出了一种高强韧贝氏体非调质钢及其制造方法，用于汽车前轴用非调质钢，在原有25Mn2CrVS材料的基础上，通过添加Mo、B等合金元素，增加材料的淬透性，促进贝氏体的形成，降低贝氏体形成所需的冷速，同时细化钢材晶粒，提高钢材的冲击韧性。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种高强韧贝氏体非调质钢，即，一种汽车前轴用非调质钢，组成按质量百分比为：C：0.23～0.27％；Si：0.25～0.40％；Mn：1.80～2.00％；Cr：0.50～0.60％；S：0.045-0.065％；P：≤0.02％；V：0.11～0.14％；Mo：0.04～0.10％；B：0.0012～0.0025％；N：0.010～0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步地，组成按质量百分比为：C：0.25～0.26％；Si：0.33～0.36％；Mn：1.92～1.95％；Cr：0.54～0.57％；S：0.048-0.055％；P：≤0.015％；V：0.12～0.14％；Mo：0.04～0.06％；B：0.0015～0.0020％：N：0.014～0.018％，其余为铁和不可避免的杂质。
作为优选地，为保证钢性能稳定性，所述非调质钢的碳当量Ceq：0.79～0.82％，所述碳当量Ceq按照如下公式进行计算：
Ceq(％)＝C％+(1/10)Si％+(2/11)Mn％+(1/5)Cr％+(1/5)Mo％+(1/3)V％，式中：C、Si、Mn、Cr、Mo、V为所述非调质钢中相应元素的质量百分比。
进一步地，高强韧非调质钢的抗拉强度≥1000MPa，高强韧非调质钢在20℃的夏比冲击功≥55J。
本发明提供一种所述的高强韧非调质钢的制造方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：废钢+铁水为原料，入炉铁水重量比例≥65％，控制电炉终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，控制精炼到位后钢中的Alt含量0.020～0.040％，钢水在LF的精炼时间≥45min；
2)VD炉真空脱气：钢水在67Pa以下保持时间3～5min后，将底吹氩气切换成氮气，底吹流量控制在70～150NL/min，10～20min后破空，向钢中喂入硼线、硫线，破空后继续使用氮气软吹，时间控制在15～25min；
3)连铸：钢水过热度控制20～35℃，比水量0.10～0.13L/kg；
4)加热炉加热：加热总时间控制在7.5～9.0小时，均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1180～1220℃；终轧后钢材进入倍尺冷床缓冷，缓冷后，钢材锯切，进入下一冷床，然后收集，入坑缓冷。
作为优选，所述步骤1)中电炉出钢过程中向钢中加入Al含量＞99.7％的纯铝锭脱氧；使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al2O3含量25～32％，炉渣碱度R控制在3～6范围内。其中，纯铝锭的纯度为本领域公知的。
作为优选，所述步骤1)中精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，碳化硅的加入量＞80kg，钢水温度＞1550℃后，取一次样分析钢水成，根据分析结果按照权利要求1所述的钢种成分的下限配加锰铁、铬铁、钼铁和钒铁等合金，出钢前根据权利要求2的成分配加合金对钢水成分进行微调。
作为优选，所述步骤2)中喂入硼线的量为0.50～1.50m/吨钢，喂入硫线的量为0.80～2.50m/吨钢。
作为优选，所述步骤3)中连铸过程采用全程保护浇注工艺，采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面
Figure BDA0003345394630000031
结晶器磁搅拌电流≤150A，末端电磁搅拌电流≥200A。
作为优选，所述步骤4)中铸坯采用冷装加热工艺，步进式加热炉进行加热，预热段时间≥2.4h，预热段炉气温度控制在450～950℃，采用粗轧开坯，精轧成型的方式轧制，终轧温度控制在950～1020℃；
冷床上部使用保温罩，控制钢材冷速＜0.5℃/S，6～10min后，通过辊道进入下一冷床，冷床上钢材间隔1个空位；钢材下冷床温度控制在450～520℃；其中，轧制规格
Figure BDA0003345394630000032
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明在原有25Mn2CrVS的基础上，增加了钼、硼合金元素，增加材料的淬透性，促进贝氏体的形成，降低贝氏体形成所需的冷速。
(2)本发明在VD处理过程中，通过底吹氮气的方式进行增氮，避免了合金增氮、喂线增氮等方式钢水温降大、液面裸露等问题，提高了钢水质量，稳定了钢中的氮含量。
(3)本发明轧后钢材在倍尺冷床缓冷，有利于钢中第二相粒子的析出，起到细化钢材晶粒的作用，后续的冷床快冷，可以促进钢中贝氏体形成，提高钢材性能。
附图说明
图1为本发明实施例炉号1的钢材金相组织图；
图2为本发明实施例炉号6的钢材金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种高强韧非调质钢的制造方法，用于批量生产上述高强韧非调质钢，生产方法包括如下步骤：
(1)使用电炉冶炼，废钢+铁水为原料，入炉铁水重量比例≥65％，控制电炉终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，电炉出钢过程中向钢中加入纯铝锭脱氧，控制精炼到位后钢中的Alt含量0.020～0.040％；使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al2O3含量25～32％，炉渣碱度R控制在3～6范围内，精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，钢水温度＞1550℃后，向钢中加入锰铁、铬铁、钼铁、钒铁增碳剂等，成分、温度合适后出钢，钢水在LF的精炼时间≥45min。
(2)使用VD炉进行真空脱气，钢水在67Pa以下保持时间5min后，将底吹氩气切换成氮气，底吹流量控制在70～150NL/min，吹氮时VD炉内真空度控制在400～1000Pa，10～20min后破空，向钢中喂入硼线、硫线。破空后继续使用氮气软吹，时间控制在15～25min。
(3)连铸过程采用全程保护浇注工艺，采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面
Figure BDA0003345394630000042
钢水过热度控制20～35℃，比水量0.10～0.13L/kg，结晶器磁搅拌电流≤150A，末端电磁搅拌电流≥200A。
(4)铸坯采用冷装加热工艺，步进式加热炉进行加热，加热总时间控制在7.5～9.0小时，其中预热段时间≥2.4h，预热段炉气温度控制在450～950℃，均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1180～1220℃。采用粗轧开坯，精轧成型的方式轧制，通过控制轧制节奏，终轧温度控制在950～1020℃，终轧后钢材进入倍尺冷床缓冷，冷床上部使用保温罩，控制钢材冷速＜0.5℃/S，6～10min缓冷后，钢材锯切，通过辊道进入下一冷床，冷床周围通风，冷床上钢材间隔1个空位。控制冷床步进速度，钢材下冷床温度控制在450～520℃。然后收集，入坑缓冷。轧制规格
Figure BDA0003345394630000043
实施例
采用100吨电炉进行初炼，1浇次生产6炉组织生产，采用优质自循环废钢，电炉及精炼的相关工艺参数见表1。
表1炼钢工艺
Figure BDA0003345394630000041
Figure BDA0003345394630000051
钢水进入VD工位前进行扒渣，扒除1/3渣量，钢水在67Pa以下保持时间5min后，将底吹氩气切换成氮气，底吹流量设定为95NL/min，吹氮12min后破空，向钢中喂入硼线、硫线。破空后继续使用氮气软吹，具体的工艺参数见表2。
表2真空处理工艺
Figure BDA0003345394630000052
上钢前，取样检验成品钢水成分，结果见表3。
表3成品钢水成分％
炉号 C Si Mn Cr V P S Mo B Al Ceq
1 0.254 0.33 1.91 0.55 0.12 0.012 0.045 0.05 0.0018 0.011 0.79
2 0.252 0.34 1.92 0.56 0.13 0.013 0.050 0.05 0.0016 0.010 0.80
3 0.256 0.35 1.95 0.55 0.12 0.010 0.052 0.05 0.0017 0.009 0.81
4 0.251 0.33 1.92 0.57 0.13 0.012 0.056 0.05 0.0018 0.012 0.80
5 0.254 0.35 1.93 0.55 0.12 0.014 0.052 0.05 0.0020 0.011 0.80
6 0.255 0.33 1.95 0.55 0.12 0.013 0.054 0.05 0.0019 0.010 0.80
将钢水吊运至连铸工位进行浇铸，浇铸Φ500mm断面，拉速0.34m/min，结晶器电磁搅拌电流为150A，频率为1.2Hz，末端电磁搅拌电流为200A，频率为6.0Hz，下线后铸坯入坑缓冷48小时。具体参数见表4。
表4连铸工艺
Figure BDA0003345394630000053
Figure BDA0003345394630000061
铸坯出坑后，转运至轧钢车间进行加热、轧制，轧制规格为
Figure BDA0003345394630000063
具体参数见表5。
表5轧制工艺
Figure BDA0003345394630000062
轧制完毕后，轧材进入缓冷坑缓冷48h。出坑后取样进行气体和性能检验。
表6钢材性能检验结果
Figure BDA0003345394630000071
钢材金相组织见图1和图2。
钢材经过加热、锻造后，加工成汽车前轴，对该批次的成品汽车前轴的力学性能和疲劳寿命抽检，结果见下表。
表7成品前轴的力学性能抽检结果
样品编号 Rel(Mpa) Rm(Mpa) Aku2(J)
1 723 1085 62
2 732 1032 59
3 756 1061 63
4 749 1103 61
5 736 1092 57
6 748 1067 65
表8成品前轴的弯曲疲劳性能抽检结果
样品编号 试验载荷(kN) 疲劳寿命(万次) 破坏情况
1 7.7*3 145.6 未断
2 8.05*3 100.6 未断
3 8.05*3 100.8 未断
4 8.05*3 101.3 未断
5 8.5*3 121.3 未断
6 8.5*3 142.6 未断
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高强韧贝氏体非调质钢，其特征在于，所述高强韧贝氏体非调质钢的组成按质量百分比为：C：0.23～0.27％；Si：0.25～0.40％；Mn：1.80～2.00％；Cr：0.50～0.60％；S：0.045-0.065％；P：≤0.02％；V：0.11～0.14％；Mo：0.04～0.10％；B：0.0012～0.0025％；N：0.010～0.020％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧贝氏体非调质钢，其特征在于，所述高强韧贝氏体非调质钢的组成按质量百分比为：C：0.25～0.26％；Si：0.33～0.36％；Mn：1.92～1.95％；Cr：0.54～0.57％；S：0.048-0.055％；P：≤0.015％；V：0.12～0.14％；Mo：0.04～0.06％；B：0.0015～0.0020％：N：0.014～0.018％，其余为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高强韧贝氏体非调质钢，其特征在于，所述高强韧贝氏体非调质钢的碳当量Ceq：0.79～0.82％，其中，所述碳当量Ceq按照如下公式进行计算：
Ceq(％)＝C％+(1/10)Si％+(2/11)Mn％+(1/5)Cr％+(1/5)Mo％+(1/3)V％，式中：C、Si、Mn、Cr、Mo、V为所述非调质钢中相应元素的质量百分比。
4.根据权利要求1所述的高强韧贝氏体非调质钢，其特征在于，所述高强韧非调质钢的抗拉强度≥1000MPa，在20℃的夏比冲击功≥55J。
5.一种权利要求1-4任一所述的高强韧非调质钢的制造方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：废钢+铁水为原料，入炉铁水重量比例≥65％，控制电炉终点碳≥0.08％，终点磷≤0.010％，控制精炼到位后钢中的Alt含量0.020～0.040％，钢水在LF的精炼时间≥45min；
2)VD炉真空脱气：钢水在67Pa以下保持时间3～5min后，将底吹氩气切换成氮气，底吹流量控制在70～150NL/min，10～20min后破空，向钢中喂入硼线、硫线，破空后继续使用氮气软吹，时间控制在15～25min；
3)连铸：钢水过热度控制20～35℃，比水量0.10～0.13L/kg；
4)加热炉加热：加热总时间控制在7.5～9.0小时，均热段时间≥1.5h，均热段温度控制在1180～1220℃；终轧后钢材进入倍尺冷床缓冷，缓冷后，钢材锯切，进入下一冷床，然后收集，入坑缓冷。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中电炉出钢过程中向钢中加入Al含量＞99.7％的纯铝锭脱氧；使用石灰和精炼预熔渣造精炼渣，控制精炼渣中Al2O3含量25～32％，炉渣碱度R控制在3～6范围内。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤1)中精炼过程使用碳化硅和增碳剂进行扩散脱氧，碳化硅的加入量＞80kg，钢水温度＞1550℃后，取一次样分析钢水成，根据分析结果按照权利要求1所述的钢种成分的下限配加锰铁、铬铁、钼铁和钒铁等合金，出钢前根据权利要求2的成分配加合金对钢水成分进行微调。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤2)中喂入硼线的量为0.50～1.5m/吨钢，喂入硫线的量为0.8～2.5m/吨钢。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤3)中连铸过程采用全程保护浇注工艺，采用大圆坯连铸机浇注，铸坯断面
Figure FDA0003345394620000021
结晶器磁搅拌电流≤150A，末端电磁搅拌电流≥200A。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤4)中铸坯采用冷装加热工艺，步进式加热炉进行加热，预热段时间≥2.4h，预热段炉气温度控制在450～950℃，采用粗轧开坯，精轧成型的方式轧制，终轧温度控制在950～1020℃；
冷床上部使用保温罩，控制钢材冷速＜0.5℃/S，6～10min后，通过辊道进入下一冷床，冷床上钢材间隔1个空位；钢材下冷床温度控制在450～520℃；其中，轧制规格
Figure FDA0003345394620000022
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