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高性能低成本非调质

阅读:4发布:2021-04-08

专利汇可以提供高性能低成本非调质专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种高性能低成本非调质 钢 ,属于微 合金 结构钢领域,其化学成分按重量wt%含有:C:0.30~0.55、Si:0.2~0.8、Mn:0.8~1.7、P:0.0001~0.02、S:0.0001~0.15、N/Al:0.2~1.8,其余为Fe。本发明添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓 碳 化物析出的廉价元素,使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度。与现有的添加V、Nb等昂贵强化元素的传统非调质钢相比,本发明解决了国际 钒 铁 和铌铁合金原料价格攀升带来的问题,显著降低钢材的生产成本,简化制备工艺,特别适用于量大面广的机械制造业及 汽车 等行业 热锻 、轧件和直接切削用构件的生产。,下面是高性能低成本非调质专利的具体信息内容。

1.一种非调质,其特征在于,化学成分范围按重量百分比计为:C:0.30-0.55,Si:0.2 -0.8,Mn:0.8-1.7,P:0.0001-0.02,S:0.0001-0.15,N/Al:0.2-1.8,其中Al:0.0001 -0.05,其余为,所述的非调质钢显微组织为铁素体+珠光体,晶粒度为5-9级,学 性能为Rm≥850MPa,Rel≥550MPa,A≥16%,Z≥40%,Aku2≥40J,其制备方法为:(1) 冶炼合金化:电炉或转炉冶炼,出钢、采用炉外精炼至化学成分符合上述要求,保护浇 注;(2)控轧控冷:钢坯在加热炉的均热温度为1000-1280℃,开轧温度1000-1200℃, 终轧温度850-1050℃,轧材的冷却速度为10-180℃/min。
2.如权利要求1所述的非调质钢,其特征在于,按重量百分比计还含有Ti:0.0001-0.15。

说明书全文

技术领域

发明属微合金结构领域,特别涉及一种不含V、Nb等昂贵强化元素的高性能低成本 非调质钢。

背景技术

非调质钢因其添加微合金化元素,可以在省去锻(轧)后热处理前提下使强度、塑性等 指标达到调质钢的平,从而简化生产工艺,缩短生产周期,提高材料利用率,有效的实现 节能节材、降耗减排的特点,可广泛用于机械制造业及汽车行业锻、轧件,呈现良好的发展 前景和广阔的市场空间。然而传统的非调质钢所添加的、铌铁等原料的国际价格一直不 断攀升,这不仅大大提高了非调质钢生产成本,且出现“强度有余、韧性不足”问题,阻碍 了非调质钢的发展及广泛应用。为此,本发明提出了添加兼有固溶强化、弥散强化以及延缓 化物析出的廉价元素,使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度,从而保证了非调质钢 的节能优势,同时大大降低了钢材的生产成本,以利于生产应用。
通常,国内外微合金非调质钢的强化均通过微量强碳化元素(通常是V、Nb等),利用 控制锻造轧制及随后冷却速度来控制沉淀物的析出及晶粒细化。V、Nb等微合金化元素均 以化合物和固溶状态存在于非调质钢之中,表现为其碳氮化物因形变诱导析出,有效钉扎奥 氏体晶界使晶粒不会长大,同时V、Nb碳氮化物沉淀在晶界和位错上,阻止再结晶和位错运 动,抑制再结晶过程的进行。并且V、Nb碳氮化物对非调质钢起到显著的沉淀强化的作用。 此外,钢中加入V、Nb等强碳化物形成元素,固定钢中一部分C、N,可改变铁素体的形态 和分布,并对钢中铁素体与珠光体的相对量的变化产生影响。
德国蒂森公司七十年代初创制的国际上第一种非调质钢49MnVS3就是采用V微合金强 化机理而研制开发的。该非调质钢用于汽车曲轴,为热锻用钢材,是强度高、塑性良好的铁 素体-珠光体型非调质钢。我国目前工业应用的大多为含钒非调质钢,如GB/T15712-1995标 准中的热锻用非调质钢F45V、F35MnVN、F40MnV等,其中均含有0.06~0.13%的V。而由 此发展的非调质钢也是在原有基础上复合添加了Ti(0.01~0.12%),如F40MnVTi和 25MnSiVTi等,其生产制造成本较高。含铌微合金非调质钢研究及应用成熟的国家是巴西, 巴西国家标准微合金非调质钢有50MnNb和Perlitico De forja(z)等,均含有0.05~0.10%的 Nb。国际标准ISO微合金非调质钢中的19MnVS6、30MnVS6、38MnVS6、46MnVS6以及 46MnVS3等,均含有0.08~0.20%的V。
目前,我国有关微合金非调质钢的发明专利中,均没有涉及到不添加V、Nb等强化元素 的内容。

发明内容

针对现有微合金非调质钢均需通过添加V、Nb等元素来实现强化的同时大大提高了非调 质钢成本的问题,本发明提出了一种高性能低成本非调质钢,采用廉价元素进行强化,为解 决因添加贵重元素带来的钢材成本增高提供了新的思路,为非调质钢的性能优化提供了创新 技术,促进其在量大面广的机械制造业及汽车行业热锻、轧件和直接切削用构件的生产。
本发明的高性能低成本非调质钢,按重量百分比由以下元素组成:C:0.30~0.55、Si: 0.2~0.8、Mn:0.8~1.7、P:0.0001~0.02、S:0.0001~0.15,N/Al:0.2~1.8(其中Al:0.0001~0.05%), 其余为Fe和不可避免的杂质。按该成分范围,采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线。 创新了LF精炼过程顶渣控制技术、增氮技术、以及夹杂物变性处理和控轧-控冷等技术。严 格控制有害元素含量,以提高钢的纯净度和成分控制精度
本发明所述的高性能低成本非调质钢,不含有V、Nb等强化元素,通过添加兼有固溶强 化、弥散强化以及延缓碳化物析出的廉价元素,使其在不影响塑韧性的情况下提高钢的强度。
所述的高性能低成本非调质钢,在材料连铸连轧过程中控制AlN微细沉淀析出,以抑制 奥氏体再结晶晶粒和铁素体晶粒长大,获得细晶强化,变革传统微合金非调质钢强化模式。 钢中适量的AlN或TiN可以提高钢的机械性能,能有效地控制奥氏体晶粒度,细化晶粒。试验 检测结果表明:(1)当变形量相同而冷却速度不同时,AlN析出相的量几乎没什么变化,而 变形量增大时,AlN析出量明显增多。这表明,适当的增大轧制压下量有利于AlN的析出, 而冷却速度的变化对AlN的析出影响不大。(2)钢中氮与比值(N/Al)的变化对其组织 和性能有较为明显的影响。随钢中N/Al比值增大,塑性提高;随钢中N/Al比值增大,AlN相 质点尺寸减小,弥散度增大,钢的晶粒度增大,显微组织明显细化。
所述的高性能低成本非调质钢,通过控制夹杂物成分,细化夹杂物颗粒,弱化裂纹的萌 生与扩展,使其具有高的疲劳强度。该新钢种中夹杂物包括硫化物、化铝、酸盐以及球 状氧化物等。钢中夹杂物经过热加工后,可能成长条、纺锤或者圆球等形状,其中后两者有 利于韧性和切削性能的提高。通过铝脱氧和添加合金变性处理冶炼工艺,以控制夹杂物形态、 尺寸、含量、分布及变形参数,以提高钢的学性能及等向性能,还可弱化裂纹萌生与扩展, 提高疲劳强度。
本发明生产出的高性能低成本非调质钢,显微组织为铁素体+珠光体,晶粒度为5~9级; 力学性能为Rm≥850MPa,Rel≥550MPa,A≥16%,Z≥40%,Aku2≥40J。
本发明中有关合金元素在钢的作用,叙述如下:
C:0.30~0.55%,碳对非调质钢强度和硬度的影响最大,是最有效的强化元素之一,同时 又是最廉价的化学元素。但是碳含量过高会明显降低钢的塑性和韧性。
Si:0.2~0.8%,硅能显著强化铁素体,具有较强的固溶强化效果。但过高的硅降低钢的 韧性和其他工艺性能。
Mn:0.8~1.7%,锰是合金元素中,对非调质钢的强度、韧性都有良好作用的元素。锰铁 合金价格较低,选择合适的锰含量,有利于提高非调质钢的性能,并有较好的性价比。但是 当锰的含量过高时,易于出现贝氏体组织,恶化钢的韧性,并对热、冷加工等工艺性能产生 不利的影响。
P:0.0001-0.02%,本发明中磷在钢种属于有害元杂质元素,易形成带状组织,增大钢的 冷脆性。因此含量越低越好。
S:0.0001~0.15%,本发明中适量的硫可以形成对切削加工有利的夹杂物,从而改善钢的 切削加工性能。
N/Al:0.2~1.8(其中Al:0.0001~0.05%),本发明中的铝是为了脱氧和减小晶粒尺寸, 与钢中的氮结合成AlN,作为晶粒尺寸细化剂和析出促进剂,有效阻止奥氏体晶粒粗化,得 到细小的铁素体晶粒,有利于提高钢的韧性。二者的比值对钢的机械性能有着明显的影响。
本发明技术方案中还可含有Ti:0.0001~0.15%,其中Ti的碳氮化合物是稳定的化合物, 具有明显的细化晶粒的作用。
本发明提供的钢种已经通过汽车某零件技术指标考核,并可应用于机械制造业以及汽车、 冶金、石化等行业用各类轴、杆件、齿轮或其他零件。本发明钢种具有以下优点:
1、价格低廉,优化了钢种力学性能。与现有的传统非调质钢相比,制造成本大大减小, 并避免了由于钒、铌等贵重元素国际价格的浮动对钢材生产造成的影响。实现了钢种的强韧 性、性价比的最佳匹配。
2、使用性能优异。与现有传统非调质钢相比,塑韧性均有不同程度提高,构件的疲劳试 验、道路路况等试验表明,其使用性能优异。
3、钢种的生产、制备工艺简单。与传统非调质钢相比,采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧 制工艺路线,生产工艺易于控制和掌握,制品质量及组织性能达到规定的要求。

具体实施方式

下面结合具体实施实例来进一步说明本发明。
发明实施例
本发明涉及的面向未来高性能低成本非调质钢,按重量百分比由以下元素组成:C: 0.30~0.55、Si:0.2~0.8、Mn:0.8~1.7、P:0.0001~0.02、S:0.0001~0.15,N/Al:0.2~1.8(其 中Al:0.0001~0.05%)。其余为Fe。所述的高性能低成本非调质钢不含V、Nb等昂贵元素, 通过变革成分配置和优化制备工艺实现强韧化。所述高性能低成本非调质钢显微组织为铁素 体+珠光体,晶粒度为5~9级;力学性能为Rm≥850MPa,Rel≥550MPa,A≥16%,Z≥40%, Aku2≥40J。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1000~1280℃,开轧 温度1000~1200℃,终轧温度850~1050℃,轧材的冷却速度为10~180℃/min。
其中,优选本发明技术方案中另含重量百分比Ti:0.0001~0.15%。
根据本发明钢种设计成分,采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线,对试验用钢进 行化学成分分析及力学性能检测。
所述初炼,炉内加优质废钢并配置铁水比例为30~40%,冶炼用原辅材料应保持干燥,严 格控制钢中的磷、砷、铅等有害元素;出钢温度为1600~1680℃。
所述炉外精炼的时间为30~50分钟,在精炼合金化过程中,所有脱氧合金化结束后,依 次加入Mn、FeS、MnN、Al合金、Ti合金等;精炼后进行处理,促进加杂物的上浮和“变 性”。
所述连铸工序采用全过程保护浇注,开启结晶器电磁搅拌装置,目标过热度为10~30℃, 冷却强度为中弱冷,拉速为0.6~3.6m/min。
轧制工序中,钢坯在加热炉的均热温度为1000~1280℃,开轧温度1000~1200℃,终轧温 度850~1050℃,轧材的冷却速度为10~180℃/min。
试验钢与传统非调质钢成分、性能比较见表1、表2。
对比例1:中国GB/T15712-1995标准中F45V热锻用非调质钢。
对比例2:中国GB/T15712-1995标准中F35MnVN热锻用非调质钢。
对比例3:中国GB/T15712-1995标准中F40MnV热锻用非调质钢。
表1试验钢与传统非调质钢实际成分(wt%)比较

表2试验钢与传统非调质钢性能比较
  Rm/MPa   Rel/MPa   A/%   Z/%   Aku2/J   HB   发明例   ≥850   ≥550   ≥16   ≥40   ≥40   ≤258   对比例1   ≥685   ≥440   ≥15.0   ≥40.0   ≥32   ≤257   对比例2   ≥785   ≥490   ≥15.0   ≥40.0   ≥39   ≤269   对比例3   ≥785   ≥490   ≥15.0   ≥40.0   ≥36   ≤275
由表1、2可以看出,实施实例的发明钢中,完全不添加V、Nb元素,而是通过变革成 分配置和优化制备工艺,使其机械性能达到或优于对比例钢的性能。
对本发明实例钢进行生产试用,通过采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路线,再经 控制锻造及锻后控冷,制成汽车某零件,取力学试样分析检测,其平均性能指标与汽车该零 件技术要求比较见表3。
表3本发明生产用钢与汽车某零件技术要求性能比较
  类别   Rm/MPa   Rel/MPa   A/%   Aku2/J   HB   本发明锻后实际性能   920   570   18   30   254   技术要求   800~950   ≥480   15   20   242~285
由表3可知,采用本发明设计的非调质钢经过采用EAF初炼-LF精炼-连铸-轧制工艺路 线,再经控制锻造及控冷工艺后,在不添加贵重元素(V、Nb等)前提下,依靠廉价元素进 行强韧化就可以达到汽车零件使用性能要求。可供汽车零件生产商可对本发明钢进行批量订 货和使用。
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