CN114752847B

CN114752847B - 一种免退火高强度冷镦钢及其制造方法

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Publication number: CN114752847B
Application number: CN202110031191.8A
Authority: CN
Inventors: 翟瑞银; 赵浩洋; 姚赞; 郑宏光; 黄宗泽; 高翔; 刘耀宗; 吴振平
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2041-01-11
Also published as: CN114752847A

Abstract

本发明公开了一种免退火高强度冷镦钢，其除了Fe及不可避免的杂质元素以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.32‑0.35％，Si：0.1‑0.3％，Mn：0.60‑0.7％，Cr：0.15‑0.19％，Ti：0.01‑0.03％，B：0.0015‑0.003％，N≤0.006％；所述免退火高强度冷镦钢的微观组织包括铁素体和退化的珠光体，其中铁素体的相比例≥55％。此外，本发明还公开了上述免退火高强度冷镦钢的制造方法，其包括步骤：冶炼、铸造和热轧，其中在热轧步骤中：控制精轧温度为780‑830℃，减定径温度为780‑810℃，高线吐丝温度为760‑800℃；吐丝后的盘条在保温罩内冷却，冷却速度小于1.5℃/s。该免退火高强度冷镦钢无需退火即可生产，其具有十分优异的性能，可以有效用于生产螺栓、螺钉、销钉、螺母等紧固件。

Description

一种免退火高强度冷镦钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种冷镦钢及其制造方法。

背景技术

冷镦钢是一种在室温下采用一次或多次冲击加载成形的钢材，其对材料的冷成形性能要求很高。

目前，冷镦钢已经被广泛用于生产螺栓、螺钉、销钉、螺母等标准件(紧固件)。在现有技术中，常见的紧固件生产工艺流程为：冷镦钢盘条退火+酸洗、磷化+拉拔+球化退火+冷镦+调质热处理+表面处理+包装。在上述紧固件加工工艺流程中，为了保证材料的冷镦性能，通常均需要对材料进行球化退火操作。

在现有技术中碳钢球化退火后材料的金相组织为铁素体+球化碳化物，其抗拉强度一般不大于530MPa，且面缩率大于45％，具有良好的冷镦等冷加工性能，可以有效用于紧固件生产。

但需要注意的是，球化退火工艺会给整个紧固件加工工艺流程带来较高能源消耗、较大环保压力和较高生产成本的负面效应。因而，需要提供一种不需要球化退火即可直接冷镦加工的高强度紧固件性能的冷镦钢材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种新的免退火高强度冷镦钢，本发明所述的免退火高强度冷镦钢，采用了合理的化学成分设计，其在碳素钢基础上，通过添加Mn和微量Cr、B、Ti等元素，以提高材料热轧后金相组织中铁素体的含量，并保证钢材经用户调质处理后的强度和淬透性。该免退火高强度冷镦钢的抗拉强度≤560MPa，面缩率≥50％，其性能优异，且生产成本较低，环保压力较小，具有优良的冷变形能力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种免退火高强度冷镦钢，其除了Fe及不可避免的杂质元素以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.32-0.35％，Si：0.1-0.3％，Mn：0.60-0.7％，Cr：0.15-0.19％，Ti：0.01-0.03％，B：0.0015-0.003％，N≤0.006％；

所述免退火高强度冷镦钢的微观组织包括铁素体和退化的珠光体，其中铁素体的相比例≥55％。

进一步地，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.32-0.35％，Si：0.1-0.3％，Mn：0.60-0.70％，Cr：0.15-0.19％，Ti：0.01-0.03％，B：0.0015-0.003％，N≤0.006％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的技术方案中，本发明所述的免退火高强度冷镦钢在碳素钢基础上，通过添加Mn和微量Cr、B、Ti等元素，以提高材料热轧后金相组织中铁素体的含量，同时保证钢材经用户调质处理后的强度和淬透性。

本发明所述的免退火高强度冷镦钢各化学元素的设计原理具体如下所述：

C：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，C是影响钢材冷塑性变形的最主要元素，含碳量越高，则钢的强度越高，而塑性越低。为了保证本发明的钢材经过调质处理后能够达到8.8级紧固件的强韧性能，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将C元素的质量百分比控制在0.32～0.35％之间。

当然，在一些优选的实施方式中，为保证热轧材料更高的铁素体比例，可以将C的质量百分比控制在0.32～0.34％之间。

Si：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，Si是钢在冶炼时脱氧剂的残余物，其可保证钢较低的氧含量。但需要注意的是，钢中Si元素含量过高时，会对钢材的塑性产生不利影响，尤其是对钢的冷塑性变形不利。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将Si元素的质量百分比控制在0.1-0.3％之间。

Mn：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，Mn是钢中常见的强化元素，Mn元素可以有效提高钢材的强度，同时Mn的合金强化的作用与C相比，造成的塑性损失要小很多，因而保证一定的Mn含量可使钢材获得较好的强韧匹配。但需要注意的是，钢中Mn元素含量不宜过高，Mn元素含量过高，将会对钢的塑性、组织控制均产生不利影响。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将Mn元素的质量百分比控制在0.60-0.70％之间。

当然，在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，可以将Mn的质量百分比控制在0.60-0.65％之间。

Cr：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，Cr在钢中可以作为铁素体形成元素，其对提高热轧金相组织中铁素体比例有一定的促进作用，同时Cr还可以有效提高钢的淬透性。但钢中的Cr元素含量不宜过高，过高的Cr不仅会使热轧材料获得低强度难度增加，而且还会大大增加生产成本。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将Cr的质量百分比控制在0.15-0.19％之间。

Ti：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，Ti的氧化物、氮化物、碳化物可以在较高的温度下形成质点，以保证钢中B发挥有效的作用，同时有利于钢水凝固组织的等轴晶化，其质点在随后的热加工过程也可抑制奥氏体晶粒的长大。但需要注意的是，钢中Ti元素含量不宜过高，过高的Ti会影响钢中夹杂物的形貌，从而影响钢的冲击塑性和抗疲劳性能，同时对钢水的顺利浇注也会产生影响。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将Ti元素的质量百分比控制在0.01-0.03％之间。

当然，在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，可以将Ti的质量百分比控制在0.01～0.02％之间。

B：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，B也是一种铁素体形成元素，钢中加入适量的B元素可以有效增加钢的淬透性。钢中B元素含量不宜过高，过量的B对钢质有一定的危害。因此，在本发明中，将B的质量百分比控制在0.0015-0.003％之间。

N：在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，钢中N元素含量不宜过高，N原子半径远小于金属元素，其能够以间隙原子形成固溶于钢中，不利于钢的冷加工变形。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，将N元素的质量百分比控制为N≤0.006％。

进一步地，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，其各化学元素质量百分含量还满足下列各项的至少其中之一：

0.55％≤C+0.5Mn-0.2Cr≤0.65％；

0.0015％≤B+Ti/4-N≤0.005％。

在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，在控制钢中单一化学元素质量百分含量的同时，还可以优选地控制免退火高强度冷镦钢中的C、Mn、Cr满足：0.55％≤C+0.5Mn-0.2Cr≤0.65％这一限定关系。该限定关系可以提高材料热轧缓冷后铁素体的百分含量，从而保证材料强度和淬透性。上式中C、Mn、Cr均分别表示各对应元素的质量百分含量。

相应地，为了保证材料的淬透性，充分发挥B元素的作用，还可以优选地控制免退火高强度冷镦钢中的B、Ti和N元素满足：0.0015％≤B+Ti/4-N≤0.005％，上式中B、Ti、N均分别表示各对应元素的质量百分含量。

进一步地，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，在不可避免的杂质元素中：S≤0.015％；并且/或者P≤0.02％。

在上述技术方案中，P元素对于钢的加工硬化作用极强，在钢中偏析严重，容易造成盘条在拉拔时断裂，并在冷镦时开裂。因此，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，需要将P元素控制为P≤0.02％。相应地，S在钢中也是有害元素，S元素会恶化钢的热加工性能，对材料的耐腐蚀性能也有负面作用，因此钢中将S元素含量控制为S≤0.015％。

需要说明的是，P、S均是钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低本发明所述免退火高强度冷镦钢中杂质元素的含量。

进一步地，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，其淬透性指标DI≥0.85。

在本发明上述技术方案中，为保证本发明所述的免退火高强度冷镦钢的淬透性，免退火高强度冷镦钢的淬透性指标DI值≥0.85，即淬透性指标不低于常规需要球化退火后才可冷变形的相近碳含量材料。

进一步地，在本发明所述的免退火高强度冷镦钢中，其性能满足：抗拉强度≤560MPa，面缩率≥50％。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种免退火高强度冷镦钢的制造方法，其生产效率较高且生产成本低。该制造方法在不增加投资和生产成本前提下，无需退火即可有效制得本发明所述的免退火高强度冷镦钢。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的免退火高强度冷镦钢的制造方法，其包括步骤：冶炼、铸造和热轧，其中在热轧步骤中：控制精轧温度为780-830℃，减定径温度为780-810℃，高线吐丝温度为760-800℃；吐丝后的盘条在保温罩内冷却，冷却速度小于1.5℃/s。

在本发明上述技术方案中，本发明所述免退火高强度冷镦钢的制造方法利用现有设备和工艺，在不增加投资和生产成本前提下，通过化学成分和生产工艺的优化设计，控制精轧温度、减定径温度、吐丝温度、吐丝后盘条的冷却温度以及保温罩内盘条冷却速度，从而有效控制免退火高强度冷镦钢的金相组织形貌以及铁素体的相比例，实现免退火冷镦钢热轧盘条的生产。

本发明所述免退火高强度冷镦钢的制造方法无需退火即可制得免退火高强度冷镦钢，其既降低了生产成本，又避免了退火对环境带来的污染。

在本发明上述技术方案中，本发明所述免退火高强度冷镦钢的制造方法通过对轧制工艺参数进行优化设置，采用控轧控冷生产工艺生产，以在保证较高的铁素体比例的基础上，改变免退火高强度冷镦钢的珠光体片层结构，由密集的长条片层分布，改进为稀疏的短棒分布，以提高材料的冷加工性能。

需要说明的是，在上述技术方案中，经过热轧步骤后得到的是本发明所述的免退火高强度冷镦钢的盘条，在某些实施方式中，该盘条可以再经过拉拔、冷镦和热处理步骤进行进一步地处理。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在热轧步骤中，控制高线轧制盘条的加热温度为850-920℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在热轧步骤后还包括步骤：拉拔、冷镦和热处理。

本发明所述的免退火高强度冷镦钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

相较于现有技术，本发明所述的免退火高强度冷镦钢在化学成分设计中，在碳素钢基础上，通过添加Mn和微量Cr、B、Ti等元素，以提高材料热轧后金相组织中铁素体的含量，保证钢材经用户调质处理后的强度和淬透性。该免退火高强度冷镦钢抗拉强度≤560MPa，且面缩率≥50％，具有十分优异的性能，无需退火即可生产，可以有效用于生产螺栓、螺钉、销钉、螺母等紧固件。

相应地，本发明所述免退火高强度冷镦钢的制造方法的生产效率较高且生产成本低，其利用现有设备和工艺，在不增加投资和生产成本前提下，通过化学成分和生产工艺的优化设计，控制精轧温度、减定径温度、吐丝温度以及保温罩内盘条冷却速度，从而控制免退火高强度冷镦钢的金相组织形貌以及铁素体的相比例，实现免退火冷镦钢热轧盘条的生产。

附图说明

图1为实施例4的免退火高强度冷镦钢的金相组织图。

图2为对比例1的对比钢板的金相组织图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的免退火高强度冷镦钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6和对比例1

本发明所述实施例1-6的免退火高强度冷镦钢采用以下步骤制得：

(1)按照表1-1和表1-2所示的化学成分进行冶炼和铸造：采用电弧炉或转炉进行粗炼；为了降低钢水的氧含量，控制夹杂物，钢包精炼炉炉渣碱度控制在4.0-6.5，黄白渣保持时间大于30分钟；必要时钢水进行VD或RH真空精炼脱气处理；经过充分镇静的钢水在无氧化保护条件下浇注成钢锭或钢坯。

(2)热轧：控制精轧温度为780-830℃；减定径温度为780-810℃；高线吐丝温度为760-800℃；吐丝后的盘条冷却至700-730℃进入斯太尔摩冷却线保温罩，盘条冷却速度小于1.5℃/s。

(3)拉拔。

(4)冷镦。

(5)热处理。

需要说明的是，在上述步骤(2)，经过热轧步骤后可以得到对应实施例的热轧盘条，将热轧盘条酸洗磷皂化后，拉拔5％以内的减面率制成表面满足冷镦要求的钢丝，钢丝经冷镦、搓牙、热处理、表面发蓝或涂镀即可得到对应实施例的冷镦钢紧固件。

本发明所述实施例1-6的免退火高强度冷镦钢的化学元素成分和相关工艺设计均满足符合本发明设计规范要求。而对比例1的对比样品是一种市场上需经过球化处理后才能冷镦加工的材料，其化学元素成分设计中存在不满足本发明设计要求的参数。

表1-1和表1-2列出了实施例1-6的免退火高强度冷镦钢和对比例1的对比钢板的各化学元素的质量百分配比。

表1-1.(wt％，余量为Fe和除P、S以外其他不可避免的杂质)

表1-2.

注：上表中，DI＝(0.171+0.001×C+0.265×C×C)×(1+3.333×Mn)×(1+0.7×Si)×(1+2.16×Cr)，上式中的C、Mn、Si和Cr均分别表示各对应元素的质量百分含量百分号前的数值；C+0.5Mn-0.2Cr式中的C、Mn、Cr均分别表示各对应元素的质量百分含量；B+Ti/4-N式中的B、Ti、N均分别表示各对应元素的质量百分含量。

表2列出了实施例1-6的免退火高强度冷镦钢的具体工艺参数。

表2.

将得到的成品实施例1-6的免退火高强度冷镦钢和对比例1的对比样品分别取样，并进行观察以及力学性能测试，将所得的观察结果和力学性能检测结果列于表3中。

相关力学性能测试方法如下所述：

(1)拉伸试验测试：在室温条件下，按照GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》方法进行检测。

(2)需要说明的是，在观察实施例1-6的免退火高强度冷镦钢和对比例1的对比样的微观组织时，可以通过比色法得到各实施例和对比例钢的微观组织中铁素体的相比例。

表3列出了实施例1-6的免退火高强度冷镦钢和对比例1的对比钢板的观察结果和性能测试结果。

表3.

由表3可知，相较于现有技术中的对比例1的对比钢板，本发明所述的实施例1-6的免退火高强度冷镦钢的抗拉强度均≤560MPa，面缩率均≥50％，其强度明显低于常规产品、材料的塑性更好、铁素体比例更高，力学性能接近常规产品球化退火后的力学性能(约530MPa)。

图1为实施例4的免退火高强度冷镦钢的金相组织图。

图2为对比例1的对比钢板的金相组织图。

结合图1和图2可以看出，相较于对比例1的常规热轧材料，实施例4的免退火高强度冷镦钢中珠光体的片层结构产生了部分退化。在图1所示的实施方式中，实施例4的免退火高强度冷镦钢的微观组织包括铁素体和退化的珠光体，其中铁素体的相比例为62％。

综上所述可以看出，相较于现有技术，本发明所述的免退火高强度冷镦钢在化学成分设计中，在碳素钢基础上，通过添加Mn和微量Cr、B、Ti等元素，以提高材料热轧后金相组织中铁素体的含量，保证钢材经用户调质处理后的强度和淬透性。该免退火高强度冷镦钢抗拉强度≤560MPa，且面缩率≥50％，具有十分优异的性能，无需退火即可生产，可以有效用于生产螺栓、螺钉、销钉、螺母等紧固件。

需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种免退火高强度冷镦钢，其特征在于，其除了Fe及不可避免的杂质元素以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.32-0.35％，Si：0.1-0.3％，Mn：0.60-0.7％，Cr：0.15-0.19％，

Ti：0.01-0.03％，B：0.0015-0.003％，N≤0.006％；

其各化学元素质量百分含量还满足：0.55％≤C+0.5Mn-0.2Cr≤0.65％；0.0015％≤B+Ti/4-N≤0.005％；

所述免退火高强度冷镦钢的微观组织包括铁素体和退化的珠光体，其中铁素体的相比例≥55％；

所述免退火高强度冷镦钢在热轧步骤中：控制精轧温度为780-830℃，减定径温度为780-810℃，高线吐丝温度为760-800℃；吐丝后的盘条在保温罩内冷却，冷却速度小于1.5℃/s。

2.如权利要求1所述的免退火高强度冷镦钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.32-0.35％，Si：0.1-0.3％，Mn：0.60-0.7％，Cr：0.15-0.19％，Ti：0.01-0.03％，B：0.0015-0.003％，N≤0.006％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的免退火高强度冷镦钢，其特征在于，在不可避免的杂质元素中：S≤0.015％；并且/或者P≤0.02％。

4.如权利要求1或2所述的免退火高强度冷镦钢，其特征在于，其淬透性指标DI≥0.85。

5.如权利要求1或2所述的免退火高强度冷镦钢，其特征在于，其性能满足：抗拉强度≤560MPa，面缩率≥50％。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的免退火高强度冷镦钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：冶炼、铸造和热轧，其中在热轧步骤中：控制精轧温度为780-830℃，减定径温度为780-810℃，高线吐丝温度为760-800℃；

吐丝后的盘条在保温罩内冷却，冷却速度小于1.5℃/s。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在热轧步骤中，控制高线轧制盘条的加热温度为850-920℃。

8.如权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，在热轧步骤后还包括步骤：拉拔、冷镦和热处理。