CN1332054C - 一种非调质碳素结构钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种非调质优质碳素结构钢及制造方法，属于微合金非调质钢技术领域。提供了一种在45号钢主要化学成分基础上添加微量微合金化元素的非调质碳素结构钢及其制造方法，通过其复合微合金化作用，结合相应的控轧控冷工艺，改善非调质钢强度有余而韧性不足的问题。非调质碳索结构钢的化学成分范围按重量百分比计为：C 0.44%、Si 0.17%、Mn 0.61%、V 0.30%、Ti 0.005%、N 0.020%、Al 0.006%、S0.007%、P0.011%，余为Fe。制备方法为：(1).冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼，出钢、采用炉外精炼至化学成分范围符合要求，保护浇注；(2).控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为20～110℃/min。可省去调质工序，降低生产成本。

Description

一种非调质碳素结构钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种非调质优质碳素结构钢及制造方法，属于微合金非调质钢及其生产方法技术领域。

背景技术

汽车、工程机械等行业要求钢材有较高的屈服强度及抗拉强度、韧性等力学性能。通常，多使用调质45号钢。45号钢是汽车、工程机械等行业用量最大的优质碳素结构钢之一，但其需要经过工序复杂、周期长、易产生淬火缺陷、能耗高、污染重的调质工序，生产成本高，同时也增加了环保压力。这也是目前生产中亟待解决的主要问题之一。针对上述问题，业内人士进行了一些有益的探索，如不断研究微合金非调质钢品种并在相关领域逐步推广使用。日本特许厅公开特许公报昭和59-136420专利公开了一种铁素体+珠光体组织的非调质钢，其主要化学成份为0.35～0.50％C，0.15～0.35％Si，0.50～1.50％Mn，0.05～0.20％V，0.006～0.020％N，该钢种热加工温度为1000℃以上，500～700℃冷速10～100℃/min，但其空冷时不能保证厚度35mm以上板坯心部获得VHN220以上硬度；而风冷获得要求冷速时则导致表面与心部的硬度差距增大；同时增加冷却应力，导致后续加工过程中出现变形甚至开裂，仅适用于冷加工厚度或直径为35mm以下的螺栓零件。故应进一步研制满足汽车、工程机械行业高强度、强韧性力学性能要求的微合金化非调质钢及其加工工艺。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中存在的问题而提供一种非调质碳素结构钢及其制造方法，在45号钢主要化学成分基础上添加微量合金化元素，通过其复合微合金化作用，结合相应的控轧控冷工艺，改善非调质钢强度有余而韧性不足的问题，使其满足用户要求的力学性能指标。

本发明采用下述技术方案：

一种非调质碳素结构钢，其化学成分范围按重量百分比计为：C 0.44％、Si 0.17％、Mn 0.61％、V 0.30％、Ti 0.005％、N 0.020％、Al 0.006％、S0.007％、P0.011％，余为Fe。

上述非调质碳素结构钢的制备方去，它按如下工序进行：

(1).冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼，出钢、采用炉外精炼至化学成分范围符合要求。

(2).控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为20～110℃/min。

上述非调质碳素结构钢的制备方法，所述冶炼及合金化工序中，合金化的顺序为：在出钢或炉外精炼过程中，至C、Si、Mn、Al、S、P的化学成分范围符合要求后，增N，然后加入V-Fe、Ti-Fe，至熔炼分析为V、Ti、N的化学成分范围符合要求，保护浇注。

上述非调质碳素结构钢的制备方法，所述合金化工序中，在出钢或炉外精炼过程中还加入Cr-Fe，至熔炼分析为Cr的化学成分范围符合要求。

上述非调质碳素结构钢的制备方法，所述合金化工序中，与V-Fe、Ti-Fe一同加入Nb-Fe，至熔炼分析为Nb的化学成分范围符合要求。

如果小吨位电炉采用老三段式冶炼工艺，可免去炉外精炼步骤。

上述非调质碳素结构钢的制备方法，所述轧材在冷床上的温度低于600℃后进行收集堆冷。

本发明合金成分的设计理由分析如下：

C：本发明充分发挥C的强化作用，同时兼顾韧性，选择其含量为0.42-0.50％。

Mn：可溶于铁素体和渗碳体中，对强度和韧性均有良好作用。

Si：在铁素体-珠光体组织的非调质钢中能显著强化铁素体，促进铁素体形成和均匀分布，提高韧性。Si是保证强度必须元素，过低脱氧不充分，过高引起铁素体基体变脆，韧性下降，本发明Si含量为0.17-0.37％。

本发明合金中加入0.03-0.30％的V，它与钢中的C、N结合形成V的碳氮化物，轧制温度下，钒的碳氮化物充分溶解，能获得最大强化效果；在轧制后冷却相变过程中析出强化作用也较强。

Ti：细化晶粒并能同时提高强度和韧性，但加入过多在钢中形成粗大的TiN颗粒，降低韧性，本发明选择Ti的加入量为0.005-0.040％。

N：是经济有效的微合金强化元素，其作用在于：1)促进钒的析出，提高沉淀析出强化效果；2)与Ti结合形成TiN，细化晶粒；3)提高TiN的稳定性；4)节约V合金20％～40％。

Al是脱氧强有力元素，与钢中N结合成AlN，有细化晶粒作用。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：向45#钢中添加V、Ti、N、Al^{等元素进行}复合微合金化处理，使其在轧制态的力学性能与调质态45#钢性能相当，达到了节能、省去调质工序、缩短生产周期、降低成本的目的。发明钢的另一特点在于，在大工业生产条件下即使因其它不可抗拒因素造成的工艺值不当，通过调质处理还能将本发明钢作为调质45#钢使用，不至造成材料的浪费。

具体实施方式

根据本发明化学成分范围，用50吨电炉和50吨转炉生产了8炉钢(其化学成份见表1所示)，浇铸成300×220mm断面、180×220mm断面和150×150mm断面连铸坯，轧制成φ40～φ85mm规格棒材，轧制工艺为：钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材在冷床上用鼓风机风冷，冷却速度为20～110℃/min。在轧材上取φ25mm的试样毛坯，加热至950±20℃，保温30分钟，对其力学性能进行了测定，结果如表2所示。

表1本发明8个实施例钢的主要化学成份(单位：wt％)

实施例序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	V	Ti	Nb	Al	N
												1	0.44	0.17	0.61	0.011	0.007		0.30	0.005		0.006	0.0200
2	0.48	0.29	0.73	0.018	0.004	0.05	0.13	0.011	0.02	0.005	0.0108
												3	0.46	0.25	0.71	0.007	0.014	0.22	0.08	0.015		0.017	0.0096
4	0.42	0.24	0.80	0.013	0.019		0.09	0.010		0.032	0.0158
												5	0.44	0.37	0.71	0.008	0.006		0.10	0.025	0.06	0.021	0.0132
6	0.46	0.26	0.65	0.010	0.006		0.05	0.040	0.20	0.012	0.005
												7	0.47	0.28	0.50	0.007	0.007	0.11	0.011	0.020		0.012	0.0125
8	0.50	0.30	0.74	0.016	0.011	0.30	0.03	0.020	0.12	0.050	0.0087

表2本发明8个实施例钢的性能

符号说明：Rel：屈服强度，Rm：抗拉强度，A：伸长率，Z：断面收缩率，AKU2：冲击功，HBS：布氏硬度

备注：本发明非调质钢正火工艺为：∮25mm的试样毛坯，加热至950±20℃，保温30分钟；

本发明钢由于采用了V、N、Nb的强化作用和Ti、Al的细化晶粒作用，结合相应的控轧控冷工艺，发明钢轧制态性能与45#钢调质态性能相当，尤其是强度提高较多(达到685MPa级别)，韧性良好，完全符合GB/T699-1999标准中抗拉强度要求≥600MPa，冲击韧性值要求≥39J的要求，达到了代替45#调质钢、省去热处理工序的目的。

Claims (4)

1.一种非调质碳素结构钢，其特征在于，化学成分范围按重量百分比计为：C 0.44％、Si 0.17％、Mn 0.61％、V 0.30％、Ti 0.005％、N 0.020％、Al 0.006％、S 0.007％、P 0.011％，余为Fe。

2.权利要求1所述非调质碳素结构钢的制备方法，其特征在于，它按如下工序进行：

(1).冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼，出钢、采用炉外精炼至化学成分范围符合要求；

(2).控轧控冷：钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，开轧温度1050～1200℃，终轧温度850～1050℃，轧材的冷却速度为20～110℃/min。

3.根据权利要求2所述之非调质碳素结构钢的制备方法，其特征在于，冶炼及合金化工序中，合金化的顺序为：在出钢或炉外精炼过程中，至C、Si、Mn、Al、S、P的化学成分范围符合要求后，增N，然后加入V-Fe、Ti-Fe，至熔炼分析为V、Ti、N的化学成分范围符合要求，保护浇注。

4.根据权利要求2所述之非调质碳素结构钢的制备方法，其特征在于，所述轧材在冷床上的温度低于600℃后进行收集堆冷。