20CrMnTi钢及其生产方法与流程

本申请涉及钢铁生产技术领域，具体而言，涉及一种20crmnti钢及其生产方法。

背景技术：

20crmnti钢主要用作汽车等车辆的齿轮，其属于低碳合金钢，具有较高的机械性能。现有的20crmnti钢生产工艺中，小规格的20crmnti钢在冷床的冷却速度快，钢中发生贝氏体或马氏体组织转变，圆钢的硬度从hb200-hb220上升到hb240-hb300。如果热轧态硬度超过hb217，则需要增加热处理工艺降低硬度再供货，否则20crmnti钢在加工过程中容易出现脆裂等加工问题。而且，目前对于降低超小规格(直径范围为20mm≤d<30mm)20crmnti钢的硬度并无深入研究，而且没有发现可以获得hb200以下的20crmnti钢。

技术实现要素：

本申请提供了一种20crmnti钢及其生产方法，其能够降低超小规格的20crmnti钢的硬度至hb200以下，改善20crmnti钢在加工中容易脆裂的问题。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，包括：

将坯料制成轧件，将轧件进行水冷并控制轧件的返红温度为780-820℃，然后进行减定径轧制；

减定径轧制步骤后，在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，以使得直径范围为20mm≤d<30mm的轧件的降温速率达到15-25℃/min。

第二方面，本申请实施例提供一种20crmnti钢，其由第一方面实施例的20crmnti钢的生产方法制成，20crmnti钢的硬度小于hb200。

本申请实施例的20crmnti钢及其生产方法的有益效果包括：

轧件水冷后会返红，返红后进行减定径轧制，轧件心部余热释放回温，控制轧件的返红温度为780-820℃，该返红温度较高使得轧件在冷床冷却过程中能够顺利地进入铁素体和珠光体的相变温度区。在每个齿条上分别放置堆叠的两个直径范围为20mm≤d<30mm的轧件进行冷却，能够降低轧件的降温速率，在降温速率为15-25℃/min的条件下，铁素体和珠光体转变比较彻底，使得20crmnti钢的组织主要为铁素体和珠光体,其中铁素体占比65％以上，20crmnti钢的硬度小于hb200，改善了20crmnti钢在加工中容易脆裂的问题，且减少了热处理工艺步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1的20crmnti钢的金相组织图；

图2为本申请实施例2的20crmnti钢的金相组织图；

图3为本申请实施例3的20crmnti钢的金相组织图；

图4为本申请实施例4的20crmnti钢的金相组织图；

图5为本申请实施例5的20crmnti钢的金相组织图；

图6为本申请实施例6的20crmnti钢的金相组织图；

图7为本申请实施例7的20crmnti钢的金相组织图；

图8为本申请对比例1的20crmnti钢的金相组织图；

图9为本申请对比例2的20crmnti钢的金相组织图；

图10为本申请实施例1的20crmnti钢的晶粒度图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，方案a和/或方案b指的是可以是单独的方案a、单独的方案b或者方案a和方案b的组合方案。

20crmnti钢的生产工艺一般包括：坯料验收-坯料加热-坯料出炉-高压水除磷-粗轧轧制-中轧轧制-精轧轧制-穿水轧制-减定径轧制-冷床冷却-定尺分段。

小规格的20crmnti钢在冷床的冷却速度快，钢中发生贝氏体或马氏体组织转变，圆钢的硬度从hb200-hb220上升到hb240-hb300。20crmnti钢的硬度太高容易造成加工过程中出现脆裂。

基于此，本申请实施例提供一种20crmnti钢及其生产方法，其能够降低20crmnti钢的硬度。

以下针对本申请实施例的20crmnti钢及其生产方法进行具体说明：

第一方面，本申请实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，包括：

(1)将坯料制成轧件，将轧件进行水冷并控制轧件的返红温度为780-820℃，然后进行减定径轧制。

轧件水冷后会返红，返红后进行减定径轧制，轧件心部余热释放回温。如果返红温度太低，即使减定径轧制后余热释放回温，但是在后续工艺中进入冷床后由于轧件温度降低也会导致轧件温度太低而无法进入铁素体和珠光体的相变温度区。此外，在实际生产过程中，返红温度过低会导致轧制张力控制困难，检测信号容易出现波动产生尺寸超公差的废品；更为重要的是返红温度过低超出减定径设备承载负荷容易破坏减定径本体设备。本申请实施例中控制轧件的返红温度为780-820℃，该返红温度较高使得轧件在冷床冷却过程中能够顺利地进入铁素体和珠光体的相变温度区。示例性地，轧件的返红温度为780℃、790℃、800℃、810℃或820℃。

可选地，将轧件进行水冷至温度为650-700℃，水冷步骤的水冷速度为55-150℃/s。

将坯料制成轧件的过程中会进行轧制，轧制使得轧件的大晶粒变成小晶粒，通过将轧件以55-150℃/s的水冷速度水冷至温度为650-700℃，能够保持轧件中的小晶粒。这是因为，如果水冷温度太高，水冷速度太慢的话会导致小晶粒重新转变成大晶粒。并且，在650-700℃温度下为铁素体和珠光体的相变温度区，能够使得部分组织转变成铁素体和珠光体。示例性地，轧件进行水冷后的温度为650℃、660℃、670℃、680℃、690℃或700℃。其中，水冷步骤的水冷速度可选地为55℃/s、60℃/s、70℃/s、80℃/s、100℃/s、120℃/s、130℃/s、140℃/s或150℃/s。

可选地，水冷步骤是在穿水装置中进行，其中，穿水装置为文丘里管结构，水压为1.1-1.5mpa，水流量达到160±20立方/小时。示例性地，穿水装置的水压为1.1mpa、1.2mpa、1.3mpa、1.4mpa或1.5mpa。

进一步地，在一种可能的实施方案中，轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为20％-30％。

轧制相对压下量为20％-30％有利于晶粒破碎得到细晶组织。可选地，轧制相对压下量为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％。

进一步地，将坯料制成轧件的步骤包括：

将坯料加热然后开轧，开轧后经除鳞后依次进行粗轧、中轧和精轧制成轧件，精轧的出口温度为850-900℃，精轧速度为3-8m/s。

示例性地，20crmnti钢的坯料的成分按重量百分比包括：c:0.17％-0.23％、si:0.17％-0.37％、mn:0.8％-1.10％、cr:1.0％-1.30％、ti：0.04％-0.1％、p≤0.035％、s≤0.035％以及cu≤0.3％。

控制精轧的出口温度为850-900℃且精轧速度为3-8m/s，使得轧件在进入水冷步骤时温度合适，有利于组织转变成铁素体和珠光体。示例性地精轧的出口温度为850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃。示例性地，精轧速度为3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s或8m/s。

另外，加热时依次为预热段、加热段和均热段。可选地，加热步骤的均热段的温度为1150-1200℃。

控制均热段的温度为1150-1200℃，能够提高轧件的塑性，降低变形抗力，使坯料容易变形，另外能够使坯料内外温度均匀，并促使坯料的结晶组织向奥氏体转变。示例性地，均热段的温度为1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。

示例性地，加热后段和均热段的总保温时间可选地为≥90min，坯料的总加热时间≥220min。本申请实施例的保温时间和总加热时间，有利于坯料的结晶组织完全转变为单相奥氏体。例如，加热后段和均热段的总保温时间为90min、100min、120min、150min或200min。坯料的总加热为220min、240min、250min、260min、280min或300min。

在一种可能的实施方案中，坯料经除鳞后的表面温度为950-1050℃，和/或，开轧步骤的温度为1150-1200℃。

开轧步骤的温度控制在1150-1200℃，能够提高轧件的塑性，降低轧件的变形抗力。示例性地，开轧步骤的温度为1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃。

坯料经除磷后能够获得良好的表面质量，坯料经除鳞后的表面温度可选地为950℃、980℃、1000℃、1020℃或1050℃。

(2)减定径轧制步骤后，在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，以使得直径范围为20mm≤d<30mm的轧件的降温速率达到15-25℃/min。

本申请的发明人研究发现，将超小规格20crmnti钢(直径范围为20mm≤d<30mm)直接置于冷床进行冷却时，由于超小规格20crmnti钢断面小，在冷床上温度降低过快，首先想到采用在冷床上增加盖保温罩的方式来减缓小规格轧件的温降速率。但是本申请的发明人发现，单凭盖保温罩的方式，20crmnti钢在保温罩内的降温速率依然达到30-50℃/min，该冷却速率依然过快会导致硬度值偏高，金相组织达不到要求。

在本申请实施例的方案中，减定径轧制后，轧件心部余热释放回温，轧件在冷床冷却进入铁素体和珠光体的相变温度区，每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，能够降低直径范围为20mm≤d<30mm的20crmnti钢的降温速率并达到15-25℃/min，在降温速率为15-25℃/min的条件下，在水冷时未转变成铁素体和珠光体的组织向铁素体和珠光体转变地比较彻底，使得20crmnti钢的组织主要为铁素体和珠光体，20crmnti钢的硬度小于hb200，改善了20crmnti钢在加工中容易脆裂的问题，且减少了热处理工艺步骤。可选地，轧件的降温速率为15℃/min、16℃/min、18℃/min、20℃/min、22℃/min、24℃/min或25℃/min。需要说明的是，本申请实施例中的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件进行冷却，指的是两个轧件上下堆叠后方式在冷床上进行冷却。

另外，进一步地当控制水冷步骤为：以55-150℃/s的水冷速度水冷至温度为650-700℃时，以及控制减定径轧制过程中的轧制相对压下量为20％-30％时，在水冷和减定径轧制过程中的细晶组织会加快冷床冷却步骤中铁素体的形成、抑制了残余奥氏体向贝氏体及马氏体转变。

另外，需要说明的是，本申请实施例中的d是20crmnti钢的直径。示例性地，本申请实施例中的20crmnti钢的直径为20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm或29mm；可选地，本申请实施例中的20crmnti钢的直径也包含小数点后一位的规格，如20.5mm，25.8mm等。

第二方面，本申请实施例提供一种20crmnti钢，其由本申请实施例的20crmnti钢的生产方法制成，20crmnti钢的硬度小于hb200。

本申请实施例的20crmnti钢的硬度小于hb200，改善了20crmnti钢在加工中容易脆裂的问题。

以下结合实施例对本申请的20crmnti钢及其生产方法作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其中，20crmnti钢的成分如表1所示，其包括以下步骤：

(1)坯料进入加热炉中加热，加热过程依次为在650℃的预热段加热80min，在1000℃的加热前段加热50min，在1180℃的加热后段和1160℃均热段共加热120min。其中,坯料总加热时间为250分钟。

(2)将加热后的连铸坯经过高压水除磷后依次进行粗轧、中轧和精轧轧制得到轧件。其中，其中高压水除鳞压力22mpa；粗轧的开轧温度为1150℃，连铸坯经除鳞后进入粗轧的表面温度为980℃，精轧出口温度为880℃，精轧速度为6m/s。

(3)精轧后轧件通过穿水装置，穿水装置水压为1.1mpa，水流量达到140立方/小时，穿水冷却后轧件温度为700℃，其中，水冷速度为135℃/s。

(4)轧件水冷后经过30m的距离返红至800℃，然后进行减定径轧制制得直径为20mm的轧件，轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为29％。

(5)减定径轧制步骤后，轧件经过20m进入冷床，进入冷床时的轧件温度为780℃，在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，以25℃/min的冷却速度冷却至600℃，然后步出保温罩进行冷床空冷，得到20crmnti钢棒材。

实施例2

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其中，20crmnti钢的成分如表1所示，其包括以下步骤：

(1)坯料进入加热炉中加热，加热过程依次为在700℃的预热段加热90min，在1050℃的加热前段加热40min，在1190℃的加热后段和1170℃均热段共加热150min。其中,坯料总加热时间为280分钟。

(2)将加热后的连铸坯经过高压水除磷后依次进行粗轧、中轧和精轧轧制得到轧件。其中，其中高压水除鳞压力22.5mpa；粗轧的开轧温度为1160℃，连铸坯经除鳞后进入粗轧的表面温度为1000℃，精轧出口温度为900℃，精轧速度为4.6m/s。

(3)精轧后轧件通过穿水装置，穿水装置水压为1.5mpa，水流量达到160立方/小时，穿水冷却后轧件温度为700℃，其中，水冷速度为115℃/s。

(4)轧件水冷后经过30m的距离返红至810℃，然后进行减定径轧制制得直径为25mm的轧件，轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为30％。

(5)减定径轧制步骤后，轧件经过20m进入冷床，进入冷床时的轧件温度为800℃，在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，以20℃/min的冷却速度冷却至600℃，然后步出保温罩进行冷床空冷，得到20crmnti钢棒材。

实施例3

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其中，20crmnti钢的成分如表1所示，其包括以下步骤：

(1)坯料进入加热炉中加热，加热过程依次为在700℃的预热段加热90min，在1050℃的加热前段加热40min，在1200℃的加热后段和1170℃均热段共加热150min。其中,坯料总加热时间为280分钟。

(2)将加热后的连铸坯经过高压水除磷后依次进行粗轧、中轧和精轧轧制得到轧件。其中，其中高压水除鳞压力22.5mpa；粗轧的开轧温度为1160℃，连铸坯经除鳞后进入粗轧的表面温度为1000℃，精轧出口温度为850℃，精轧速度为3.5m/s。

(3)精轧后轧件通过穿水装置，穿水装置水压为1.5mpa，水流量达到160立方/小时，穿水冷却后轧件温度为680℃，其中，水冷速度为74℃/s。

(4)轧件水冷后经过30m的距离返红至810℃，然后进行减定径轧制制得直径为28mm的轧件，轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为25％。

(5)减定径轧制步骤后，轧件经过20m进入冷床，进入冷床时的轧件温度为800℃，在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却，以18℃/min的冷却速度冷却至600℃，然后步出保温罩进行冷床空冷，得到20crmnti钢棒材。

实施例4

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于本实施例的轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为18％。

实施例5

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于本实施例轧件在减定径轧制过程中的轧制相对压下量为32％。

实施例6

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于本实施例中的步骤(3)中穿水冷却后轧件温度为640℃，水冷速度为180℃/s。

实施例7

本实施例提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于本实施例中的步骤(3)中穿水冷却后轧件温度为710℃，水冷速度为50℃/s。

对比例1

对比例1提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于步骤(4)的轧件水冷后经过30m的距离返红至750℃。

对比例2

对比例2提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于步骤(4)的轧件水冷后经过30m的距离返红至835℃。

对比例3

对比例3提供一种20crmnti钢的生产方法，其工艺步骤与实施例1基本相同，其不同之处仅在于步骤(5)中在冷床的每个齿条上分别放置一个轧件进行冷却。

表1.实施例1-实施例3的20crmnti钢的化学成分

试验例1

参照标准gb/t3077-2015对实施例1-实施例7以及对比例1-对比例3制得的20crmnti钢的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、硬度以及晶粒度进行检测，其结果如表2所示。

表2.20crmnti钢的性能测试结果

结果分析：从表1的结果可以看出，实施例1-实施例7的20crmnti钢的硬度均小于200hbw，说明了本申请实施例的20crmnti钢的生产方法能够降低超小规格的20crmnti钢的硬度。另外，对比实施例1、实施例4和实施例5发现，实施例1的20crmnti钢的硬度小于实施例4和实施例5，说明本申请实施例1的减定径轧制过程中的轧制相对压下量更有利于降低超小规格的20crmnti钢的硬度。对比实施例1、实施例6和实施例7发现，实施例1的20crmnti钢的硬度小于实施例6和实施例7的硬度，说明本申请实施例1的步骤(3)中穿水冷却后轧件温度和水冷速度更有利于降低超小规格的20crmnti钢的硬度。对比实施例1和对比例1发现，实施例1的20crmnti钢的硬度与对比例1相差不大，但是需要说明的是，对比例1的生产过程中轧机负荷超载，成品尺寸达不到要求而进行报废。对比实施例1和对比例2发现，实施例1的20crmnti钢的硬度与比对比例2小，说明了本申请实施例的返红温度能够明显降低超小规格的20crmnti钢的硬度。对比实施例1和对比例3发现，实施例1的20crmnti钢的硬度与比对比例3小，说明了本申请实施例的在冷床的每个齿条上分别放置堆叠的两个轧件并加盖保温罩进行冷却的方式能够明显降低超小规格的20crmnti钢的硬度。

试验例2

对实施例1-实施例7以及对比例1和2制得的20crmnti钢进行金相检测，其结果如图1-图9所示。

从图1-图9中可以看出，本申请实施例的20crmnti钢的生产方法制得的20crmnti钢，其金相组织主要为铁素体和珠光体，且本申请实施例的20crmnti钢的铁素体的含量比对比例2更高。

试验例3

对实施例1制得的20crmnti钢的晶粒度进行检测，其结果如图10所示。

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。