CN101113507A - 一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法，属于钢铁冶金及材料的领域。为解决现有低碳硼钢产品标准级别低，生产成本高以及产品质量差的问题，本发明所述的一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，按重量百分计为：C 0.18～0.24、Mn 0.80～1.2、Ti 0.01～0.03、B 0.001～0.003、Nb 0.02～0.08、V 0.02～0.08、Als 0.01～0.05、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe，加工方法依次包括特定工艺参数的下列工艺过程：转炉或电炉冶炼，LF炉精炼，连铸，加热，扎制，控冷。本发明利用Nb、V的复合微合金化作用，在强化的同时，保证低碳硼钢的综合性能，可用于10.9级乃至12.9级高强度标准件用硼钢产品，完全可以替代目前使用的CrMo系合金钢，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低碳硼钢及其生产方法，属于钢铁冶金及材料的领域。
技术背景
含硼冷镦钢利用硼的特性以少量硼替代其它合金元素，通过提高钢的淬透性来达到高强度紧固件的强度要求。其特点是在热轧状态具有较低的变形抗力和良好的变形能力，冷变形完成后，通过一定的热处理工艺，可获得相对较高的强度水平。由于B的加入，可减少Cr、Mo等合金元素的加入量，因而较大地降低了钢材的生产成本。然而低碳硼钢在高强度紧固件的使用中受到了强度级别的限制，过去的研究表明，低碳硼钢一般只能生产8.8级及以下级别的标准件产品。目前只有少数国家能够生产9.8级、10.9级标准件的低碳硼钢产品。国内尚无专用低碳低合金含硼冷镦钢品种，一些工厂对15MnVB、20MnTiB等进行改进后作为冷镦钢使用，由于其成分并非针对冷镦钢设计，使用过程中必定存在许多不适应之处，其强度级别一般也达不到10.9级标准件的生产需要。
就低碳硼钢的微合金化工艺研究看，国内外尚无低碳硼钢的Nb、V复合微合金化研究的报道。
发明内容
本发明针对现有低碳硼钢生产的标准件产品强度级别低，生产成本高以及产品质量差的问题，提供了一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法。本发明可以提高低碳硼钢产品强度级别，达到10.9级～12.9级，降低生产成本以及提高产品的质量。
一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.18～0.24、Mn 0.80～1.2、Ti 0.01～0.03、B 0.001～0.003、Nb 0.02～0.08、V 0.02～0.08、Als 0.01～0.05、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe。
以下说明Nb、V强化机制以及Nb、V复合微合金化对本发明性能的影响。
Nb、V的主要强化机制分别为晶粒细化与析出强化，析出强化与晶粒细化不同，在提高强度的同时也提高脆性转折温度。当两种机制叠加时，在不同钢种中的影响就大不一样。Nb的强度增量主要靠晶粒细化，而且在0.04％以下增加很快，而V的强度增加主要靠析出强化，强化的分量相对较小。由于晶粒细化能降低转折温度，而析出强化提高转折温度，综合的结果是，Nb在0.03-0.04％以下降低脆性转折温度，而V不论含量多少都将提高脆性转折温度。
微合金元素的复合加入对性能的影响要比单个元素加入的影响之数学相加要大得多。这里合金元素之间的交互影响产生了作用。对于低碳硼钢，经本研究试验证明，微合金元素Nb、V的复合微合金化也比Nb、V单独微合金化具有更好的效果，研究表明，低碳硼钢的Nb、V复合微合金化，由于硼的淬透性作用，将使微合金化作用更加明显，经本发明所述工艺，产品可达到12.9级标准件生产需要。
本发明所述冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢的生产方法，依次包括转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、连铸、加热、扎制、控冷过程，各步骤控制的参数为：
冶炼：控制冶炼出钢温度1660～1680℃；
LF炉精炼：LF炉精炼时间≥25min；加铝锰铁进行予脱氧，然后按以下顺序依次加入合金：MnFe→NiFe→VFe→TiFe→BFe，再喂Al线进行终脱氧，喂Si-Ca丝进行钙处理，喂Si-Ca丝进行钙处理的目的是为了对钢中的夹杂物进行变性处理；
连铸：浇铸温度1560～1570℃，拉速及二冷水按低碳钢要求控制；
加热：钢坯加热温度1100～1150℃；
扎制：开轧温度1050～1100℃，终轧温度850～880℃；
控冷：轧后冷却速度按1～3℃/S控制。
本发明的冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法具有如下优点：
1)本发明利用Nb、V的复合微合金化作用，在强化的同时，保证低碳硼钢的综合性能，可用于10.9级乃至12.9级高强度标准件用硼钢产品，完全可以替代目前使用的CrMo系合金钢。
2)本发明通过微量的Nb、V复合微合金化替代了Cr、Mo合金，降低了生产的成本。
3)利用Nb、V的复合微合金化作用，提高了低碳硼钢的韧性，因此利于推广应用。
具体实施方式
实施例1：按照本发明的钢成分的要求，在碳管炉实验室进行实验，钢的主要化学成分(重量百分比)见表1，表中所列化学成分的余量为Fe。
表1所述成分的冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢的生产方法依次包括转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、连铸、加热、扎制和控冷过程，各步骤控制的参数为：
冶炼：控制冶炼出钢温度1660～1680℃；
LF炉精炼：LF炉精炼时间≥25min；加铝锰铁进行予脱氧，然后按以下顺序依次加入合金：MnFe→NiFe→VFe→TiFe→BFe，再喂Al线进行终脱氧，喂Si-Ca丝进行钙处理，喂Si-Ca丝进行钙处理的目的是为了对钢中的夹杂物进行变性处理；
连铸：浇铸温度1560～1570℃，拉速及二冷水按低碳钢要求控制；
加热：钢坯加热温度1100～1150℃；
扎制：开轧温度1050～1100℃，终轧温度850～880℃；
控冷：轧后冷却速度按1～3℃/S控制。
将上述成分的钢采用上述生产方法得到的钢进行热处理性能检验，检验结果见表2。
实施例2：按照本发明的钢成分的要求，在真空炉实验室进行实验，钢的主要化学成分(重量百分比)见表3，表中所列化学成分的余量为Fe。
为验证钢的稳定性，每种成分的钢按相同方法生产两次，具体方法与实施例1相同。
对本实施例生产的钢进行热处理性能检验，检验结果见表4(表4中11-1、11-2分别表示表3中对标号为11的钢的成分进行两次生产所得钢的热处理性能检验。后面标号意思与此相同)。
实施例3：按照本发明的钢成分的要求，进行半工业产品的实验，钢的主要化学成分(重量百分比)见表5，表中所列化学成分的余量为Fe。采用转炉或电炉进行冶炼，具体过程与实施例1相同。
为验证钢的稳定性，每种成分的钢按相同方法生产两次，对两次所得钢分别进行热处理性能检验，结果见表6和表7，表6是本实施方式所述成分钢的热处理性能(表6中21-1、21-2分别表示表5中对标号为21的钢的成分进行两次生产所得钢的热处理性能检验。后面标号意思与此相同)，表7是用前述钢制成的标准件成品的热处理性能(表7中21-1、21-2分别表示表5中对标号为21的钢的成分进行两次生产所得钢加工成标准件成品后的热处理性能检验。后面标号意思与此相同)。
表1(重量百分比wt％)
| C | Si | Mn | P | S | Ti | B | Nb | V | Als | |
| 1 | 0.235 | 0.05 | 0.83 | 0.018 | 0.016 | 0.021 | 0.0005 | 0.011 | 0.004 | 0.01 |
| 2 | 0.182 | 0.027 | 0.74 | 0.019 | 0.016 | 0.017 | 0.0017 | 0.022 | 0.006 | 0.063 |
| 3 | 0.228 | 0.042 | 0.83 | 0.019 | 0.016 | 0.018 | 0.0005 | - | 0.050 | 0.048 |
| 4 | 0.232 | 0.054 | 0.85 | 0.019 | 0.015 | 0.017 | 0.0016 | 0.028 | 0.032 | 0.075 |
| 5 | 0.18 | ＜0.20 | 1.2 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.01 | 0.003 | 0.02 | 0.08 | 0.01 |
| 6 | 0.24 | ＜0.20 | 0.80 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.03 | 0.001 | 0.08 | 0.02 | 0.05 |
| 7 | 0.182 | ＜0.20 | 0.95 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.013 | 0.0021 | 0.022 | 0.048 | 0.016 |
| 8 | 0.193 | ＜0.20 | 0.83 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.017 | 0.0015 | 0.052 | 0.023 | 0.030 |
| 9 | 0.236 | ＜0.20 | 0.97 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.029 | 0.0022 | 0.078 | 0.050 | 0.048 |
| 10 | 0.212 | ＜0.20 | 1.18 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.018 | 0.0028 | 0.054 | 0.078 | 0.032 |
表2
| 炉号 | Rm(MPa) | A(％) | Z(％) | 炉号 | Rm(MPa) | A(％) | Z(％) |
| 1 | 1420 | 6.5 | 25 | 3 | 1480 | 8.0 | 37.5 |
| 2 | 1280 | 6.5 | 28.5 | 4 | 1430 | 6.5 | 23.5 |
| 5 | 1430 | 7.0 | 26.5 | 6 | 1470 | 8.5 | 36.5 |
| 7 | 1485 | 6.8 | 27 | 8 | 1500 | 8.0 | 35 |
| 9 | 1350 | 7.2 | 29 | 10 | 1550 | 7.5 | 30 |
表3
| C | Si | Mn | P | S | Ti | B | Nb | V | Als | |
| 11 | 0.230 | 0.028 | 0.95 | 0.003 | 0.004 | 0.014 | 0.0022 | 0.078 | 0.051 | - |
| 12 | 0.193 | 0.021 | 0.97 | 0.005 | 0.004 | 0.033 | 0.0030 | - | 0.052 | 0.017 |
| 13 | 0.190 | 0.021 | 0.95 | 0.003 | 0.004 | 0.007 | 0.0010 | 0.052 | 0.050 | 0.016 |
| 14 | 0.185 | 0.016 | 0.97 | 0.005 | 0.004 | 0.029 | 0.0021 | 0.054 | 0.048 | 0.009 |
| 15 | 0.18 | ＜0.20 | 1.2 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.01 | 0.003 | 0.02 | 0.08 | 0.01 |
| 16 | 0.24 | ＜0.20 | 0.80 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.03 | 0.001 | 0.08 | 0.02 | 0.05 |
| 17 | 0.182 | ＜0.20 | 0.95 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.013 | 0.0021 | 0.022 | 0.048 | 0.016 |
| 18 | 0.193 | ＜0.20 | 0.83 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.017 | 0.0015 | 0.052 | 0.023 | 0.030 |
| 19 | 0.236 | ＜0.20 | 0.97 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.029 | 0.0022 | 0.078 | 0.050 | 0.048 |
| 20 | 0.212 | ＜0.20 | 1.18 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.018 | 0.0028 | 0.054 | 0.078 | 0.032 |
表4
| 试样编号 | Rm(Mpa) | A(％) | Z(％) |
| 11-1 | 1070 | 8.0 | 34.5 |
| 11-2 | 930 | 7.0 | 46.0 |
| 12-1 | 1360 | 9.0 | 46.0 |
| 12-2 | 1340 | 10.5 | 48.5 |
| 13-1 | 1350 | 11.5 | 55.0 |
| 13-2 | 1330 | 10.0 | 52.5 |
| 14-1 | 1320 | 9.5 | 42.5 |
| 14-2 | 1340 | 10.0 | 47.0 |
| 15-1 | 1400 | 9.5 | 35.5 |
| 15-2 | 1420 | 8.8 | 40.5 |
| 16-1 | 1380 | 7.8 | 55.0 |
| 16-2 | 1300 | 8.2 | 58.5 |
| 17-1 | 1350 | 9.0 | 42.5 |
| 17-2 | 1280 | 9.2 | 40.0 |
| 18-1 | 1210 | 9.5 | 42.8 |
| 18-2 | 1100 | 7.0 | 48.5 |
| 19-1 | 1550 | 8.5 | 52.5 |
| 19-2 | 1380 | 9.0 | 51.0 |
| 20-1 | 1320 | 10.5 | 47.0 |
| 20-2 | 1280 | 8.8 | 48.0 |
表5
| C | Si | Mn | P | S | Ti | B | Nb | V | Als | |
| 21 | 0.221 | 0.14 | 0.60 | 0.019 | 0.029 | 0.015 | 0.0028 | - | 0.037 | 0.030 |
| 22 | 0.236 | 0.14 | 0.63 | 0.019 | 0.029 | 0.017 | 0.0028 | - | 0.038 | 0.047 |
| 23 | 0.231 | 0.19 | 0.88 | 0.022 | 0.029 | 0.005 | 0.0015 | 0.023 | 0.044 | 0.062 |
| 24 | 0.212 | 0.18 | 0.9 | 0.019 | 0.027 | 0.013 | 0.0030 | 0.078 | 0.035 | 0.044 |
| 25 | 0.18 | ＜0.20 | 1.2 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.01 | 0.003 | 0.02 | 0.08 | 0.01 |
| 26 | 0.24 | ＜0.20 | 0.80 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.03 | 0.001 | 0.08 | 0.02 | 0.05 |
| 27 | 0.182 | ＜0.20 | 0.95 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.013 | 0.0021 | 0.022 | 0.048 | 0.016 |
| 28 | 0.193 | ＜0.20 | 0.83 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.017 | 0.0015 | 0.052 | 0.023 | 0.030 |
| 29 | 0.236 | ＜0.20 | 0.97 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.029 | 0.0022 | 0.078 | 0.050 | 0.048 |
| 30 | 0.212 | ＜0.20 | 1.18 | ＜0.03 | ＜0.03 | 0.018 | 0.0028 | 0.054 | 0.078 | 0.032 |
表6
| 试样编号 | Rm(Mpa) | A(％) | Z(％) |
| 21-1 | 1210 | 11.0 | 39 |
| 21-2 | 1160 | 10.0 | 36.5 |
| 22-1 | 1300 | 9.0 | 33.5 |
| 22-2 | 1220 | 8.5 | 37.5 |
| 23-1 | 1390 | 10.0 | 36.5 |
| 23-2 | 1360 | 8.5 | 39.5 |
| 24-1 | 1340 | 10.0 | 44 |
| 24-2 | 1350 | 9.0 | 43.5 |
| 25-1 | 1460 | 9.5 | 38.5 |
| 25-2 | 1420 | 8.8 | 40.5 |
| 26-1 | 1350 | 8.8 | 57.0 |
| 26-2 | 1330 | 8.6 | 58.5 |
| 27-1 | 1650 | 9.0 | 43.5 |
| 27-2 | 1680 | 9.2 | 42.0 |
| 28-1 | 1210 | 9.5 | 46.8 |
| 28-2 | 1180 | 8.9 | 47.5 |
| 29-1 | 1550 | 8.5 | 51.5 |
| 29-2 | 1580 | 9.0 | 52.0 |
| 30-1 | 1320 | 9.5 | 48.0 |
| 30-2 | 1280 | 9.8 | 48.0 |
表7
| 试样编号 | Rm(Mpa) | A(％) | Z(％) |
| 21-1 | 1250 | 11.0 | 44.5 |
| 21-2 | 1180 | 11.5 | 34.0 |
| 22-1 | 1230 | 9.0 | 33.5 |
| 22-2 | 1310 | 8.0 | 37.0 |
| 23-1 | 1440 | 9.0 | 37.5 |
| 23-2 | 1420 | 9.0 | 38.5 |
| 24-1 | 1310 | 9.5 | 43.5 |
| 24-2 | 1320 | 9.0 | 42.0 |
| 25-1 | 1450 | 10.3 | 45.5 |
| 25-2 | 1420 | 9.6 | 65.0 |
| 26-1 | 1360 | 9.8 | 65.0 |
| 26-2 | 1350 | 9.6 | 68.0 |
| 27-1 | 1550 | 9.0 | 50.0 |
| 27-2 | 1700 | 10.2 | 48.0 |
| 28-1 | 1220 | 10.8 | 52.5 |
| 28-2 | 1150 | 9.2 | 50.0 |
| 29-1 | 1550 | 8.5 | 55.0 |
| 29-2 | 1620 | 9.0 | 51.0 |
| 30-1 | 1315 | 10.8 | 50.5 |
| 30-2 | 1290 | 10.5 | 58.5 |
Claims (4)
1.一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.18～0.24、Mn 0.80～1.2、Ti 0.01～0.03、B0.001～0.003、Nb 0.02～0.08、V 0.02～0.08、Als 0.01～0.05、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.182～0.193、Mn 0.83～0.95、Ti 0.013～0.017、B 0.0015～0.0021、Nb 0.022～0.052、V 0.023～0.048、Als 0.016～0.030、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分计为：C 0.212～0.236、Mn 0.97～1.18、Ti0.018～0.029、B 0.0022～0.0028、Nb 0.054～0.078、V 0.050～0.078、Als 0.032～0.048、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe。
4.一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢的生产方法，依次包括转炉或电炉冶炼、LF炉精炼、连铸、加热、扎制、控冷过程，其特征在于：
钢的化学成分按重量百分计为：C 0.18～0.24、Mn 0.80～1.2、Ti 0.01～0.03、B 0.001～0.003、Nb 0.02～0.08、V 0.02～0.08、Als 0.01～0.05、Si＜0.20、P＜0.03、S＜0.03，余量为Fe；
各步骤控制的参数为：
冶炼：控制冶炼出钢温度1660～1680℃；
LF炉精炼：LF炉精炼时间≥25min；加铝锰铁进行予脱氧，然后按以下顺序依次加入合金：MnFe→NiFe→VFe→TiFe→BFe，再喂Al线进行终脱氧，喂Si-Ca丝进行钙处理；
连铸：浇铸温度1560～1570℃，拉速及二冷水按低碳钢要求控制；
加热：钢坯加热温度1100～1150℃；
扎制：开轧温度1050～1100℃，终轧温度850～880℃；
控冷：轧后冷却速度按1～3℃/S控制。
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