非调质钢棒材及其制造方法与流程

本发明实施例涉及合金钢技术领域，尤其涉及一种非调质钢棒材及其制造方法。

背景技术：

近年来为了节约能源，降低制造成本，非调质结构钢的应用越来越广泛。非调质结构钢在热轧和锻造状态即能达到良好的综合机械性能，相比于调制钢制作过程，减掉热处理工序和热处理设备，避免了在热处理过程中产生变形或淬火裂纹所造成的废品，改善了劳动条件并减少环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。

目前已开发的非调质钢，抗拉强度一般较低，抗拉强度达不到目前油缸活塞杆的高抗拉强度的要求，因而限制了非调钢在高性能要求的棒材钢领域的应用。

现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa，无法满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种非调质钢棒材及其制造方法，以解决现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa，无法满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求。

本发明实施例的一个方面是提供一种非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40-0.50，Si为0.10-0.50，Mn为0.50-1.50，Cr为0.10-0.50，V为0.05-0.30，Ti为0.01-0.06，N为0.01-0.035，Al为0.01-0.10；余量为Fe及不可避免杂质。

本发明实施例的另一个方面是提供一种非调质钢棒材的制造方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、精轧以及冷却步骤；所述冷却步骤包括对钢材进行强冷段和弱冷段交替的多段穿水冷却，以使钢材的芯部温度与表面温度趋于一致；

所述非调质钢棒材的制造方法制得的非调质钢棒材中包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40-0.50，Si为0.10-0.50，Mn为0.50-1.50，Cr为0.10-0.50，V为0.05-0.30，Ti为0.01-0.06，N为0.01-0.035，Al为0.01-0.10；余量为Fe及不可避免杂质。。

本发明实施例提供的所述非调质钢棒材的抗拉强度≥900MPa，布氏硬度为240-270HBW，室温(25℃)下U型冲击功≥108J，屈服强度≥640MPa，断面收缩率≥40％，晶粒度≥10.5级，克服了现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa的问题，能够满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非调质钢棒材距外表面1/2处的金相图片；

图2为本发明实施例提供的非调质钢棒材距外表面1/4处的金相图片。

具体实施方式

本发明实施例针对现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa，无法满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求的问题，提供了一种非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40-0.50，Si为0.10-0.50，Mn为0.50-1.50，Cr为0.10-0.50，V为0.05-0.30，Ti为0.01-0.06，N为0.01-0.035，Al为0.01-0.10；余量为Fe及不可避免杂质。

为增加非调质钢棒材的抗拉强度，需严格控制V和N的含量。

钢中的V(钒)用于形成V的碳氮化物，促进晶内铁素体的析出，起到析出强化和细晶强化的作用；钢中V的碳氮化物析出量，将直接影响到钢中铁素体和珠光体的质量百分比，并进一步影响钢种的强韧性配合。从钢种的强韧性配合和成本角度考虑，将V的含量(wt.％)控制在0.05-0.30。

钢中的N(氮)可以促进V的析出，以减少V含量和提高V的析出强化效果。由于钢中的N能形成一定量V的氮化物，但是N过高，会形成气泡，恶化材料性能，因此，将N的含量(wt.％)控制在0.01-0.035。

本发明实施例提供的非调质钢棒材，通过严格控制其V和N的含量，使得所述棒材具有均匀分布且比例合适的铁素体和珠光体，从而使得非调质钢棒材的抗拉强度≥900MPa克服了现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa的问题，能够满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求。

图1为本发明实施例提供的非调质钢棒材距外表面1/2处的金相图片；图2为本发明实施例提供的非调质钢棒材距外表面1/4处的金相图片。基于上述发明实施例公开的非调质钢棒材，所述非调质钢棒材中的显微组织由铁素体和珠光体组成。通过控制所述非调质钢棒材中V和N的含量，使得所述棒材具有均匀分布的铁素体和珠光体，并且所述铁素体的含量(vol.％)为30-40，余量为所述珠光体。

进一步地，按照GB/T6394评级，所述非调质钢棒材中铁素体晶粒度≥10.5级，并且，珠光体的片层间距细小，尺寸在12μm左右，晶粒细小、均匀；钢材表面和芯部的力学性能均匀，由中心到边缘的强度、韧性波动很小，从而使得所述给调制钢棒材具有较佳的强韧性配合。如图1、图2所示，在所述非调质钢棒材距外表面1/2处的显微组织结构与距外表面1/4处的显微组织结构没有明显的差异，也说明了，所述棒材由中心到边缘各个位置均匀分布有适当比例的铁素体和珠光体，以使钢材表面和芯部的力学性能均匀，由芯部到边缘的强度、韧性波动很小，从而使得所述非调质钢棒材具有较佳的强韧性配合。

可选地，所述非调质钢棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40，Si为0.32，Mn为1.15，Cr为0.15，V为0.08，Ti为0.02，N为0.01，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

可选地，所述非调质钢棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.41，Si为0.30，Mn为1.30，Cr为0.16，V为0.10，Ti为0.025，N为0.015，Al为0.013；余量为Fe及不可避免杂质。

可选地，所述非调质钢棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.41，Si为0.33，Mn为1.28，Cr为0.15，V为0.13，Ti为0.02，N为0.019，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

可选地，所述非调质钢棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.42，Si为0.30，Mn为1.33，Cr为0.14，V为0.16，Ti为0.025，N为0.020，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

上述的非调质钢棒材中的所述不可避免杂质含量(wt.％)小于0.5。

表1为本发明实施例中给出的几个可选的所述非调质钢棒材的化学成分表，上述各非调质钢棒材中各化学成分的含量(wt.％)如表1所示：

表1

表2为上述几种非调质钢棒材对应的非调质钢力学性能表。其中，表2中的一数据行为表1中与该行序号相同的数据行对应化学成分的非调质棒材的力学性能。上述几种可选的非调质钢棒材对应的力学性能数据如表2所示：

表2

表2中的数据为在室温(25摄氏度)条件下，非调质钢棒材半径1/2处位置的性能数据。

从表2中可以看出，本发明实施例提供的非调质钢在屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、U型冲击功、硬度等综合力学性能优良。

本发明实施例提供的非调质钢棒材，通过严格控制其V和N的含量，使得所述棒材具有均匀分布的铁素体和珠光体，并且所述铁素体的含量(vol.％)为30-40，余量为所述珠光体。所述非调质钢棒材的抗拉强度≥900MPa，布氏硬度为240-270HBW，室温(25℃)下U型冲击功≥108J，屈服强度≥640MPa，断面收缩率≥40％，晶粒度≥10.5级，克服了现有的非调质钢棒材的抗拉强度水平难以达到900MPa的问题，能够满足油缸活塞杆用棒材钢的高抗拉强度的要求。

本发明实施例提供一种非调质钢棒材的制造方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、精轧以及冷却步骤；所述冷却步骤包括对钢材进行强冷段和弱冷段交替的多段穿水冷却，以使钢材的芯部温度与表面温度趋于一致；所述非调质钢棒材的制造方法制得的非调质钢棒材中包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40-0.50，Si为0.10-0.50，Mn为0.50-1.50，Cr为0.10-0.50，V为0.05-0.30，Ti为0.01-0.06，N为0.01-0.035，Al为0.01-0.10；余量为Fe及不可避免杂质。

通常非调质钢棒材的制造方法按照先后顺序包括以下步骤：电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、切割、缓冷、检验、判定、加热、精轧、冷却、切割、缓冷、检验、超声+红外探伤、精整、判定、包装、称重、入库。

本发明实施例中采用电炉冶炼较传统的转炉冶炼可以更好地控制下渣操作。

在LF精炼步骤中，使用碳化硅、硅铁粉脱氧，加入石灰造白渣，白渣保持一定长度时间(一般不少于20分钟)，以使白渣能够较为彻底的清除夹杂物。

本发明实施例的核心在于对精轧步骤之后的冷却步骤做了改进，该冷却步骤包括对钢材进行强冷段和弱冷段交替的多段穿水冷却，以使钢材的芯部温度与表面温度趋于一致。

其中，强冷段穿水冷却是指在3-5秒内即可使得棒材表面温度降低约250-350摄氏度的冷却程度，弱冷段穿水冷却是指在3-5秒内可使得棒材表面温度降低约100-150摄氏度的冷却程度。

优选地，可以对棒材进行三段穿水冷却，第一段穿水冷却采用强冷段穿水冷却，第二段穿水冷却采用弱冷段穿水冷却，第三段穿水冷却采用强冷段穿水冷却。精轧之后的棒材温度较高，在第一段穿水冷却时采用强冷段穿水冷却，使得棒材的表面温度迅速降低，由于热量的传递作用，表面温度降低之后，芯部热量逐渐向表面传递。为了使得芯部热量尽可能多的传递到表面，在第二段穿水冷却中采用弱冷段穿水冷却，以使得冷却过程中预留较多的时间给芯部进行热传递。在第二段穿水冷却之后，热传递使得表面温度有所升高，再次通过强冷段穿水冷却快速冷却表面，从而使得表面热量被迅速带走，此时，热传递使得表面温度和芯部温度趋于一致，从而确保了力学性能的均匀性。

需要说明的是，可以根据实际情况确定需要交替进行多少次强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却，本发明实施例中仅以三段水冷却，交替进行三次强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却为例进行说明，如果三段水冷却之后，芯部温度与表面温度相差较大，可继续进行强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却，直至表面温度和芯部温度趋于一致，本发明实施例对交替进行多少次强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却不作具体限定。

进一步地，在所述冷却步骤中，所述对钢材进行强冷段和弱冷段交替的多段穿水冷却，包括；根据所述非调质钢棒材的规格以及终冷目标温度，确定强冷段穿水冷却的第一流量值和弱冷段穿水冷却的第二流量值；根据所述第一流量值，控制所述强冷段穿水冷却的水流量；根据所述第二流量值，控制所述弱冷段穿水冷却的水流量。其中，第一流量值为进行强冷段穿水冷却时，管道中的冷却水流量；第二流量值为进行弱冷段穿水冷却时，管道中的冷却水流量；第一流量值大于第二流量值。

在实际应用中，根据所述非调质钢棒材规格以及终冷目标温度，预设各穿水冷却段流量计的流量值；然后在冷却过程中，通过智能终端设备自动控制流量计的流量，使得在进行强冷段穿水冷却时，管道中的冷却水流量始终保持在第一流量值；在进行弱冷段穿水冷却时，管道中的冷却水流量始终保持在第二流量值。

优选地，本实施了提供一种使用该制造方法可以生产的非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.40，Si为0.32，Mn为1.15，Cr为0.15，V为0.08，Ti为0.02，N为0.01，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

优选地，本实施了提供另一种使用该制造方法可以生产的非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.41，Si为0.30，Mn为1.30，Cr为0.16，V为0.10，Ti为0.025，N为0.015，Al为0.013；余量为Fe及不可避免杂质。

优选地，本实施了提供另一种使用该制造方法可以生产的非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.41，Si为0.33，Mn为1.28，Cr为0.15，V为0.13，Ti为0.02，N为0.019，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

优选地，本实施了提供另一种使用该制造方法可以生产的非调质钢棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C为0.42，Si为0.30，Mn为1.33，Cr为0.14，V为0.16，Ti为0.025，N为0.020，Al为0.015；余量为Fe及不可避免杂质。

对用该制造方法可以生产的上述几种非调质钢棒材进行力学性能的测量，得到的力学性能数据如表2所示。由表2中数据可知，所述非调质钢棒材的制造方法制得的非调质钢棒材的抗拉强度≥900MPa，布氏硬度为240-270HBW，室温(25℃)下U型冲击功≥108J，屈服强度≥640MPa，断面收缩率≥40％。

进一步地，所述非调质钢棒材中的显微组织由铁素体和珠光体组成。通过控制所述非调质钢棒材中V和N的含量，使得所述棒材具有均匀分布的铁素体和珠光体，并且所述铁素体的含量(vol.％)为30-40，余量为所述珠光体。按照GB/T6394评级，所述非调质钢棒材中铁素体晶粒度≥10.5级，并且，珠光体的片层间距细小，尺寸在12μm左右，晶粒细小，均匀；钢材表面和芯部的力学性能均匀，由芯部到边缘的强度、韧性波动很小，从而使得所述非调质钢棒材具有较佳的强韧性配合。

可选地，控制整体加热时间，通过步进式进钢设备的进钢节奏来保证整体加热时间，保证钢坯充分加热，使合金元素扩散均匀。其中，整体加热时间是指从钢坯进入加热炉到离开加热炉的时间。另外，整体加热时间根据铸坯型不同而不同，例如，240mmx240mm坯型，加热时间约为3.5小时；280mmx320mm坯型，加热时间约为4.5小时。

可选地，在冷却步骤之后，按客户要求锯切并对棒材缓冷处理之后，即可对得到的棒材进行检验、精整、包装、称重、入库；除冷却步骤外的其他步骤可采用现有技术实现，本发明实施例对此不在赘述。

本发明实施例的非调质钢棒材的制造方法在精轧步骤后设置冷却步骤，并且冷却方式一改现有技术中采用强弱一致的冷却方式，将强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却交替进行，强冷段穿水冷却可以保证钢材表面温度迅速减低，弱冷段穿水冷却可以使得钢材芯部的温度逐渐扩散到表面，随后再进行强冷段穿水冷却，使得热量快速散出，根据实际需要，强冷段穿水冷却和弱冷段穿水冷却可以交替进行多次，强弱穿水冷却相结合的穿水冷却方式使得在较短的时间内钢材芯部的温度和表面的温度即趋于一致，从而确保了钢材力学性能的均匀性，且提高了生产效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。