高強度緊固件用非調質冷鐓鋼及其製造方法
2023-05-16 13:01:31 1
專利名稱：：高強度緊固件用非調質冷鐓鋼及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及金屬材料
技術領域：
的一種鋼材及其製備工藝，尤其涉及一種8.8級高強度緊固件用非調質冷鐓鋼及其製造方法。
背景技術：
：緊固件為三大基礎零部件之一，其應用量大、面廣。2008年我國緊固件產量高達560萬噸，其中最主要的一種產品即是8.8級高強度緊固件。常見的8.8級緊固件製造工序一般為「熱軋盤條一球化退火一拉拔一冷鐓一調質處理」，其中球化退火和調質處理環節均需消耗大量能源，並會造成嚴重環境汙染，不僅增加生產成本，而且造成金屬材料的損失，更重要的是，該兩個處理環節在製造細長型緊固件時，容易產生熱處理變形，影響螺栓的質量。為此，如何減少和取消生產高強度緊固件用材料的熱處理工序一直是業界技術人員重點研究的方向。經長期研究和實踐，人們發現採用非調質處理冷鐓鋼製造緊固件可有效簡化工藝。具體而言，使用非調質處理冷鐓鋼製造高強度緊固件僅需「熱軋盤條一拉拔一冷鐓一烘烤(或發藍)處理」等幾步簡單工序即可完成，從而省去盤條冷拔前的退火處理和緊固件成形後的調質處理。基於非調質處理冷鐓鋼的上述優越性能，其已成為冷鐓鋼研究領域的熱點之一。目前，在日本非調質處理冷鐓鋼已成功應用於7T和8.8級別的鐓頭螺栓，以及9.8和10.9級別雙頭螺栓和U型螺栓。而在我國，多家鋼鐵公司也開始嘗試開發此類鋼種。如馬鞍山鋼鐵有限公司於公開號為CN1858284A的發明專利中提出了一種超細晶非調鋼盤條，其主要成分為0.100.25%C，彡0.08%Si，0.801.70%Mn,彡0.035%P,彡0.035%S，微量V、Nb、Ti、Al以及餘量的鐵。但是，該非調質冷鐓鋼的成本高昂；且強度波動大，拉拔減徑量少時甚至不達標。又如，上海寶鋼於公開號為CN101220439A的發明專利中也提出了一種高強度緊固件用非調質雙相冷鐓鋼，其主要成分為0.060.15%C，0.600.90%Si，1.402.0%Mn,(0.025%P,(0.025%S,(0.04%Al，彡0.0060%N。但該鋼種存在冷鐓變形抗力大，冷鐓模具壽命短，消耗量大等缺點，未能普及推廣應用。
發明內容本發明目的在於提出一種高強度緊固件用非調質冷鐓鋼及其製造方法，該非調質鋼的熱軋盤條強度適中、塑性好，緊固件冷鐓成形時變形抗力低，可製成強度在SOOMPa以上(8.8級)的緊固件，且其生產工藝簡潔，無需球化退火和調質熱處理工序，可有效節約能源，減少環境汙染，降低成本，從而克服現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案—種高強度緊固件用非調質冷鐓鋼，其特徵在於，所述非調質冷鐓鋼包含的組分及其重量百分比分別為C0.150.35%、Si≤0.30%,Mn0.801.80%、Cr0.200.80%,Al0.010.10%,P≤0.035%,S≤0.035%以及餘量的鐵和雜質。一種如上所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法為製備具有與所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼相同組分的鑄坯，並將鑄坯加熱至9001150°C，再依次經粗中軋、精軋，軋制形成的線材依次經集卷、速度在4°C/s以下的冷卻處理，形成高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條。進一步的講，精軋過程是在800950°C的溫度條件下進行的，且吐絲溫度控制在800900"C。該方法中，軋制形成的線材在斯坦爾摩輥道運輸線上控制冷卻後集卷，或集卷後在大盤卷運輸線上經保溫罩延遲冷卻，其後打捆，並自然冷卻。該方法中，首次按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，而後依次經氧氣頂吹轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、澆鑄，形成鑄坯。該方法具體包括如下步驟(1)按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐或電爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成鑄坯；(2)鑄坯在加熱爐中加熱到9001150°C，經粗中軋後，在800950°C下精軋，吐絲溫度控制在800900°C；(3)軋制形成的線材在斯坦爾摩輥道運輸線上控制冷卻後集卷，或集卷後整卷在大盤卷運輸線上經保溫罩延遲冷卻，控制冷卻速度在750550°C區間小於4°C/s；其後自然冷卻，形成高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條。。所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條在應用於製造螺栓或螺柱時，其拉拔減徑率在1240%之間。所述的螺栓或螺柱在製成後，還在200500°C下烘烤5min4h。所述螺栓或螺柱的強度在SOOMPa以上。以下詳細說明本發明高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組分設計原理C碳是本發明非調質冷鐓鋼的主要強化元素之一。碳含量過低，則熱軋盤條強度將過低，並使拉拔減徑後強度不達標；碳含量過高，則熱軋盤條的強度過高、塑性急劇下降，同時冷鐓變形抗力大幅度上升。緊固件冷鐓成型時容易發生冷鐓開裂，同時模具消耗大幅度增加。因此，碳含量最好控制在0.150.35%之間。Si矽雖然可提高鋼的強度，但同時也導致冷鐓變形抗力的急劇升高，大幅度提高模具消耗。因此，為降低冷鐓變形抗力，並結合工業生產的實際狀態，Si的含量控制在0.30%以下。Mn:錳是固溶強化元素。添加適量的錳可彌補降低碳導致的強度下降。同時，由於Mn含量增加引起的變形抗力增量遠低於碳元素，因此添加Mn避免由添加過多的C所引起的變形抵抗的增大。考慮熱軋盤條和最終拉拔減徑後的強度，錳含量適合控制在0.801.80%之間。Cr鉻是固溶強化元素，與Mn的作用相似，一方面彌補降低碳含量導致的強度下降，另一方面有效降低冷鐓變形抗力。此外，由於鉻可在烘烤或藍化處理時析出碳化物的沉澱相，起著二次硬化的作用。但鉻含量過高，冷鐓變形抗力增加，同時鉻使淬透性增加，給熱軋盤條的控制冷卻帶來難度。因此，Cr含量最好控制在0.200.80%之間。Al鋁是煉鋼脫氧劑，鋼中保持適當含量的酸溶鋁，可在盤條熱軋時固定鋼中自由氮，形成AlN細小析出相。這有利於細化熱軋盤條晶粒尺寸，提高強度和塑性，降低藍脆危害，改善冷鐓性能。因此根據鋼種氮含量，鋁含量的控制最小達到A1/N>2，鋁含量高有利與自由氮的固定。鋁含量的控制範圍為0.010.10%。結合上述組分設計，本發明還採用了控軋控冷工藝，從而使生產的非調質冷鐓鋼熱軋盤條具有鐵素體和珠光體雙相組織，且其中鐵素體晶粒度在9級以上。該熱軋盤條的鐵素體珠光體雙相組織既可以保證熱軋盤條具有一定的強度，同時又有良好的塑性，以保證拉拔減徑後的強度和冷鐓性能。以上述非調質冷鐓鋼熱軋盤條製造緊固件的工藝如下酸洗一拉拔一冷鐓一烘烤(或發藍)處理。以上環節中，拉拔減徑量直接關係緊固件的強度和冷鐓性能，拉拔減徑量過低，強度不能達到800MPa，而拉拔減徑量過高，一方面造成冷鐓變形抗力急劇升高，另一方面將加劇模具磨損和消耗。因此拉拔減徑量宜控制在1535%之間，既滿足強度要求，同時由於包辛格效應，冷鐓變形抗力也控制在最低水平。而冷鐓成型後烘烤(或發藍)處理是非調質冷鐓鋼製造緊固件後獲得合格的保證載荷下永久延伸率的必要工序，烘烤(或發藍)處理一般在200500°C下進行幾分鐘到幾小時不等，處理時間隨著溫度的升高而縮短。經烘烤(或發藍)處理後，緊固件中由於拉拔和冷鐓變形形成的可動位錯將被C原子、碳化物等析出相釘扎，從而大幅度減少拉伸時緊固件屈服前的塑性變形量，即避免了緊固件在服役中發生大的永久延伸變形而使失效。與現有技術相比，本發明的有益效果在於該高強度緊固件用非調質冷鐓鋼強度適中、塑性好，緊固件冷鐓成形時變形抗力低，且生產工藝簡潔，可有效節約能源，減少環境汙染，降低成本，適於大規模工業化生產。具體實施例方式以下結合具體實施方式對本發明的內容作進一步說明。實施例1本實施例的高強度非調質冷鐓鋼為Φ16mm線材，其包含的組分及其重量百分比分別為C0.33%,Si0.11%,Mn1.21%,Cr0.32%,Al0.04%,P0.011%,S0.006%,0,0.0013%,N0.0046%，以及餘量的Fe及不可避免的雜質。該高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造工藝為按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成150X150mm方坯；將上述方坯加熱到1050士50°C，並進行熱軋，其中，開軋溫度950°C士50°C，精軋溫度900°C士50°C，吐絲溫度控制在850士50°C之間；軋制盤條集卷後採用堆冷措施(冷卻速度0.251.5°C/s)，集卷打捆後自然冷卻，得到成品Φ16mm盤條，該熱軋盤條力學性能如表1所示。該熱軋盤條在應用於製造螺栓時，經12.的拉拔減徑並烘烤，強度即可滿足8.8級緊固件的要求。另外，該熱軋盤條經不同拉拔減徑和烘烤處理後的力學性能還可見於表1。實施例2本實施例的高強度非調質冷鐓鋼為Φ16mm線材，其包含的組分及其重量百分比分別為C0.30%,Si0.08%,Mn0.98%,Cr0.53%,Al0.05%,P0.009%,S0.007%,O0.0012%,N0.0097%，其餘為Fe及不可避免的雜質。該高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造工藝為按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成150X150mm方坯；將上述方坯加熱到1000士50°C，並進行熱軋，其中，開軋溫度950°C士50°C，精軋溫度900°C士50°C，吐絲溫度控制在850士50°C之間；吐絲後在Stelmor(斯坦爾摩輥道運輸線)上採用延遲冷卻，冷卻到580°C以下集卷，冷卻速度(0.54.0°C/s)，然後打捆並自然冷卻，得到成品Φ16mm盤條，該熱軋盤條經不同拉拔減徑和烘烤處理後的力學性能還可見於表2。由此表可見，當拉拔減徑量>17.9%時，還可完全滿足8.8級緊固件的性能要求。實施例3本實施例的高強度非調質冷鐓鋼為ΦIOmm線材，其包含的組分及其重量百分比分別為:C0.26%,Si0.03%,Mn1.57%,Cr0.59%,Al0.03%,P0.008%,S0.002%,00.0008%,N0.0032%，其餘為Fe及不可避免的雜質。該高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造工藝為按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成150X150mm方坯；將上述方坯加熱到1000士50°C，並進行熱軋，其中，開軋溫度950°C士50°C，精軋溫度900°C士50°C，吐絲溫度控制在850士50°C之間；吐絲後在Stelmor(斯坦爾摩輥道運輸線)上採用延遲冷卻，冷卻到560°C以下集卷，冷卻速度(0.54.0°C/s)，然後打捆並自然冷卻，得到成品ΦΙΟπιπι盤條，該熱軋盤條經不同拉拔減徑和烘烤處理後的力學性能如表3所示，由此表可見，當拉拔減徑量>19%，還可完全滿足8.8級緊固件的性能要求。實施例4本實施例的高強度非調質冷鐓鋼為Φ12mm線材，其包含的組分及其重量百分比分別為C0.18%,Si0.28%,Mn1.75%,Cr0.78%,Al0.04%,P0.006%,S0.004%,O0.0020%,N0.0070%，其餘為Fe及不可避免的雜質。該高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造工藝為按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成150X150mm方坯；將上述方坯加熱到1000士50°C，並進行熱軋，其中，開軋溫度950°C士50°C，精軋溫度900°C士50°C，吐絲溫度控制在850士50°C之間；吐絲後在Stelmor(斯坦爾摩輥道運輸線)上採用延遲冷卻，冷卻到550°C以下集卷，冷卻速度(0.54.0°C/s)，然後打捆並自然冷卻，得到成品Φ12πιπι盤條，該熱軋盤條經不同拉拔減徑和烘烤處理後的力學性能如表4所示，由此表可見，當拉拔減徑量>16%並進行適當烘烤處理，可完全滿足8.8級緊固件的性能要求。表1實施例1熱軋盤條在製造螺栓時中拉拔減徑及烘烤的力學性能tableseeoriginaldocumentpage7表2實施例2熱軋盤條在製造螺栓時中拉拔減徑及烘烤的力學性能tableseeoriginaldocumentpage7表3實施例3熱軋盤條在製造螺栓時中拉拔減徑及烘烤的力學性能tableseeoriginaldocumentpage7表4實施例4熱軋盤條在製造螺栓時中拉拔減徑及烘烤的力學性能tableseeoriginaldocumentpage8由上述實施例可見，本發明的高強度非調質冷鐓鋼盤條具有合適的熱軋強度和塑性，在緊固件製造中可不經過球化退火，且經過合適的拉拔減徑後仍具有良好的冷鐓性能，可直接冷鐓成型緊固件，其經過進一步地烘烤(或發藍)處理即可滿足緊固件國家標準《GBT3098.1-2000緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的要求。利用本發明的非調質冷鐓鋼製備緊固件，可簡化生產工序、節約大量能源、降低生產成本，因此必將得到廣泛的應用。以上實施例僅用於說明本發明的內容，除此之外，本發明還有其他實施方式。但是，凡採用等同替換或等效變形方式形成的技術方案均落在本發明的保護範圍內。權利要求一種高強度緊固件用非調質冷鐓鋼，其特徵在於，所述非調質冷鐓鋼包含的組分及其重量百分比分別為C0.15～0.35％、Si≤0.30％、Mn0.80～1.80％、Cr0.20～0.80％、Al0.01～0.10％、P≤0.035％、S≤0.035％以及餘量的鐵和雜質。2.一種如權利要求1所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法為製備具有與所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼相同組分的鑄坯，並將鑄坯加熱至9001150°C，再依次經粗中軋、精軋，軋制形成的線材依次經集卷、速度在4°C/s以下的冷卻處理，形成高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條。3.如權利要求2所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法中，精軋過程是在800950°C的溫度條件下進行的，且吐絲溫度控制在800900°C。4.如權利要求2所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法中，軋制形成的線材在斯坦爾摩輥道運輸線上控制冷卻後集卷，或集卷後在大盤卷運輸線上經保溫罩延遲冷卻，其後打捆，並自然冷卻。5.如權利要求2所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法中，首次按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，而後依次經氧氣頂吹轉爐或電爐冶煉、爐外精煉、澆鑄，形成鑄坯。6.如權利要求2所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，該方法具體包括如下步驟(1)按所述高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的組成配製冶煉原料，並經氧氣頂吹轉爐或電爐冶煉、爐外精煉和澆鑄操作，形成鑄坯；(2)鑄坯在加熱爐中加熱到9001150°C，經粗中軋後，在800950°C下精軋，吐絲溫度控制在800900°C；(3)軋制形成的線材在斯坦爾摩輥道運輸線上控制冷卻後集卷，或集卷後整卷在大盤卷運輸線上經保溫罩延遲冷卻，控制冷卻速度在750550°C區間小於4°C/s；其後自然冷卻，形成高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條。。7.如權利要求2或6所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼盤條在應用於製造螺栓或螺柱時，其拉拔減徑率在1240%之間。8.如權利要求7所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，所述的螺栓或螺柱在製成後，還在200500°C下烘烤5min4h。9.如權利要求8所述的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼的製造方法，其特徵在於，所述螺栓或螺柱的強度在800MPa以上。全文摘要本發明涉及一種高強度緊固件用非調質冷鐓鋼及其製備工藝。該非調質冷鐓鋼包含的組分及其重量百分比分別為C0.15～0.35％、Si≤0.30％、Mn0.80～1.80％、Cr0.20～0.80％、Al0.01～0.10％、P≤0.035％、S≤0.035％、餘量的鐵和雜質。該工藝為製備與上述非調質冷鐓鋼具有相同組分的鑄坯，並將鑄坯加熱、控軋、集卷、控冷處理，形成成品盤條。本發明的高強度緊固件用非調質冷鐓鋼強度適中、塑性好，緊固件冷鐓成形時變形抗力低，且生產工藝簡潔，可有效節約能源，減少環境汙染，降低成本，適於大規模工業化生產。文檔編號B21B37/74GK101812644SQ20101012785公開日2010年8月25日申請日期2010年3月19日優先權日2010年3月19日發明者何毅,周蕾,峰公雄,楊浩,甘望益,陳樹銘,高利容,齊振餘申請人:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司