一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条及其生产方法与流程

本发明属于线材生产技术领域，具体涉及一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条及其生产方法。

背景技术：

中碳结构钢主要用于生产各种轴杆类零件，用于汽车、机械等行业，要求具有良好的强度和塑性指标。由于该盘条后续需要进行拉拔和表面研磨处理，因此其强度和塑性主要通过母材热轧盘条的性能保证。而根据材料学知识可知，强度和塑性是一对矛盾指标，即往往强度提高的同时会降低塑性指标。

专利号cn102011051a公布了一种“高强度高塑性的中碳相变诱发塑性钢及其制备方法”，其化学成分：c：0.24-0.30%，si：0.80-1.20%，mn：1.40-1.80%，p：0.030-0.075%，v：0.070-0.090%，余量为fe，钢坯经锻造、热轧、冷轧后，进行热处理，得到高性能冷轧相变诱发塑性钢。该钢需要经过冷轧及热处理等加工工序且其化学成分与本发明显著不同。专利号cn107937823a公布了“一种高强度高塑性合金钢及其制备方法”，其化学成分：c：0.34-0.56%，cr：4.57-5.45%，mo：0.96-1.35%，al：0.74-0.88%，ti：0.55-0.74%，si：0.23-0.37%，v：0.11-0.15%，w：0.15-0.18%，nb：0.02-0.06%，zn：2.12-2.88%，mn：0.12-0.26%，稀土元素：1.86-2.54%，余量为fe和不可避免的杂质，该钢属于高合金钢领域，其化学成分与本发明显著不同。专利号为cn104213033a公开了“高强度高塑性60钢热轧盘条及其生产方法”，该盘条化学成分为：c：0.57-0.65%，si：0.17-0.37%，mn：0.50-0.80%，cr：0.16-0.25%，p≤0.35%，s≤0.035%，ni≤0.30%，cu≤0.25%，余量为fe，φ6.5mm热轧盘条抗拉强度990～1060mpa、面缩率50～60%、索低体化率85～90%，易拉拔更细的钢丝。

以上专利所述钢种均没有针对中碳钢提高强度和塑性提供解决方案。

针对市场需求的高强度、高塑性中碳钢盘条，开发一种同时具有高强度和高塑性的中碳钢盘条，既能满足客户对于产品强度的要求，又能够保证塑性指标不降低，减少客户零件塑性不足失效的风险，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条；同时本发明还提供了一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条，所述中碳钢盘条化学成分组成及其质量百分含量为：c：0.40-0.50%，si：0.15-0.40%，mn：0.70-1.20%，p≤0.015%，s≤0.010%，还含有al≤0.05%、ti≤0.05%、b≤0.005%、cr≤0.40%中的一种或几种，其余为fe和不可避免的杂质。

本发明所述中碳钢盘条规格为φ5.5-20mm。

本发明所述中碳钢盘条显微组织由块状铁素体+细片状珠光体组成，无网状铁素体，铁素体晶粒度7-9级，魏氏组织级别≤1级。

本发明所述中碳钢盘条：抗拉强度≥700mpa，面缩率≥55%，伸长率≥28%。

本发明还提供了一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法，所述生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序；所述钢坯加热工序，包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1170-1190℃；所述线材轧制工序，精轧温度840-860℃；所述线材冷却工序，采取控制冷却工艺，辊道速度为0.40-0.70m/s。

本发明所述钢坯加热工序，连铸坯在加热炉内的总加热时间为200-300min，炉内氧含量≤3%。

本发明所述钢坯加热工序，热轧坯在加热炉内的总加热时间为100-130min，炉内氧含量≤3%。

本发明所述线材轧制工序，吐丝温度790-810℃。

本发明所述线材冷却工序，采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为2~5℃/s。

本发明所述冶炼工序，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量为：c：0.40-0.50%，si：0.15-0.40%，mn：0.70-1.20%，p≤0.015%，s≤0.010%，还含有al≤0.05%、ti≤0.05%、b≤0.005%、cr≤0.40%中的一种或几种，其余为fe和不可避免的杂质；冶炼后钢水连铸成钢坯。

本发明所述冶炼工序，包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼。

本发明所述热轧坯是由断面尺寸280*325连铸大方坯经开坯后得到的，开坯后尺寸为160mm*160mm。

本发明中碳钢盘条化学成分组成及作用：

碳：主要以碳化物（fe3c）形式存在于钢中，是决定钢的强度的主要元素之一。碳含量在0.40%以下时，要获得700mpa以上高的抗拉强度变得困难，因此，将碳含量的下限设定为0.40%。当钢中含c量升高时，硬度、强度均提高，而塑性、韧性和冲击韧性降低。为了保证钢的塑性指标，将碳含量的上限设定为0.50%。

硅：可通过固溶强化而有效提高钢线材的强度，也是脱氧元素，但硅使钢的延伸率、收缩率和冲击韧性降低。因此，综合考虑硅对强度和塑性的影响，将其含量设定为0.15-0.40%。

锰：可溶于铁素体（α-fe）中，又可溶于渗碳体中形成碳化物，增加钢的强度，同时可与钢中的s结合形成mns、防止热脆。另外，锰也会增加钢的淬透性，细化钢的组织。但当钢中锰含量过高时，易形成偏析，恶化钢的加工性能和塑性，因此将锰含量限定为0.70-1.20%。

磷：磷在钢中形成间隙式固溶体，有固溶强化作用，提高钢的强度，降低钢的塑性和韧性，同时，磷在钢中易发生晶界偏析，恶化钢的塑性。磷在钢中属于残余元素，无法避免，因此限定p≤0.015%。

硫：属于残余元素，在钢中主要以mns非金属夹杂物形式存在，降低mn的强化作用，对钢的冷加工性能也不利，应尽量降低其含量。因此结合当前工装水平，限定s≤0.010%。

铝：铝是脱氧元素，可降低钢的氧含量，同时铝与氮结合形成aln，具有细化晶粒作用，细化晶粒可同时提高盘条抗拉强度和塑性指标，但是，若al含量过多，则al2o3夹杂物数量增加，使冷加工性能恶化和综合性能降低。因此将al含量限定为≤0.05%。

钛：一方面钛可以和钢中的氮结合，降低自由氮的含量，降低钢的加工硬化率；另一方面，钛在钢中会形成细小的碳化物或碳氮化物，起到弥散析出强化和细晶强化的效果，会使钢的抗拉强度升高，同时碳化物或碳氮化物还具有减小珠光体块尺寸的效果，改善钢的塑性和冷加工性能。但当钛含量过高时，则容易在钢线材中形成粗大的碳化物或碳氮化物，使钢的塑性和冷加工性能降低。因此限定钛含量≤0.05%。

铬：铬是细化珠光体片层组织的有效合金元素，能显著提高盘条的抗拉强度；但铬含量高时会促进中心偏析和心部马氏体、贝氏体等淬火态组织的形成，造成脆断的风险加大，降低钢的塑性。因此限定cr≤0.40%。

硼：硼一方面和氮结合形成bn降低了钢中固溶的氮，可以降低线材的强度和加工硬化率，利于塑性和拉拔性能的改善。另一方面，若硼含量过高，则容易在钢线材中形成硼相，恶化塑性和冷加工性。因此，限定硼的添加量≤0.005%。

本发明一种具有高强度和高塑性的中碳钢盘条产品标准参考jis4051；产品魏氏组织评级标准参考gb/t13299；产品晶粒度评级标准参考gb/t6394；产品力学性能检测方法标准参考gb/t228.1。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1.本发明充分利用各个元素对钢的强度和塑性的影响优化化学成分组成，得到最优的组合。2.本发明通过低温轧制技术和控制冷却技术使盘条获得细片状珠光体组织，提高强度的同时，改善塑性。3.本发明通过对生产的高强度高塑性中碳钢盘条组织的精细化控制，消除了对塑性不利的网状铁素体，使魏氏体组织≤1级，减少了塑性指标的波动。4、本发明生产的中碳钢盘条抗拉强度≥700mpa，面缩率≥55%，伸长率≥28%，性能明显提高。

附图说明

图1为实施例1盘条显微组织图；

图2为对比例1盘条显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。

实施例1

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ5.5mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1180℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为240min，炉内氧含量3%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为121min，炉内氧含量2%；

（3）线材轧制工序：精轧温度850℃，吐丝温度805℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为3℃/s，辊道速度为0.50m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2；盘条显微组织图见图1。(实施例2-8盘条显微组织图与图1类似，故省略)

实施例2

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ10mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1184℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为200min，炉内氧含量2%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为128min，炉内氧含量1.6%；

（3）线材轧制工序：精轧温度840℃，吐丝温度801℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为2℃/s，辊道速度为0.40m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例3

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ16mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1190℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为230min，炉内氧含量1.5%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为130min，炉内氧含量1.8%；

（3）线材轧制工序：精轧温度845℃，吐丝温度790℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为5℃/s，辊道速度为0.40m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例4

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ20mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1170℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为270min，炉内氧含量1.1%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为119min，炉内氧含量3%；

（3）线材轧制工序：精轧温度855℃，吐丝温度798℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为4℃/s，辊道速度为0.60m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例5

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ18mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1182℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为300min，炉内氧含量2.5%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为100min，炉内氧含量2.1%；

（3）线材轧制工序：精轧温度860℃，吐丝温度810℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为2.5℃/s，辊道速度为0.70m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例6

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ14mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1176℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为250min，炉内氧含量1%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为115min，炉内氧含量2.4%；

（3）线材轧制工序：精轧温度852℃，吐丝温度797℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为4.5℃/s，辊道速度为0.60m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例7

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ8mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1173℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为210min，炉内氧含量0.5%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为110min，炉内氧含量1%；

（3）线材轧制工序：精轧温度847℃，吐丝温度793℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为3.5℃/s，辊道速度为0.45m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

实施例8

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条规格为φ12mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1187℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为285min，炉内氧含量2.7%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为125min，炉内氧含量2.8%；

（3）线材轧制工序：精轧温度857℃，吐丝温度807℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为3℃/s，辊道速度为0.55m/s。

本实施例具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织及力学性能指标见表2。

对比例1

本对比例盘条规格为φ14mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。

本对比例盘条的生产方法包括冶炼、钢坯加热、线材轧制和线材冷却工序，具体工艺步骤如下所述：

（1）冶炼工序：冶炼工序包括铁水脱硫处理、顶底复吹转炉冶炼、lf+rh双精炼，出钢钢水化学成分组成及其质量百分含量见表1；冶炼后钢水连铸成钢坯；

（2）钢坯加热工序：钢坯加热工序包括连铸坯加热和热轧坯加热，加热炉温度为1120℃；连铸坯在加热炉内的总加热时间为200min，炉内氧含量3%；热轧坯在加热炉内的总加热时间为125min，炉内氧含量3%；

（3）线材轧制工序：精轧温度900℃，吐丝温度880℃；

（4）线材冷却工序：采取控制冷却工艺，斯太尔摩辊道上保温罩全部打开，控制吐丝后盘条相变前段冷却速率为1℃/s，辊道速度为0.30m/s。

本对比例显微组织及力学性能指标见表2；盘条显微组织图见图2。

表1实施例1-8和对比例1化学成分组成及其质量百分含量%

表1中成分余量为fe和不可避免的杂质。

表2实施例1-8和对比例1盘条组织及性能

由上述实施例和对比例可知，本发明具有高强度和高塑性的中碳钢盘条强度和塑性匹配良好，显微组织为块状铁素体+细片状珠光体组成，无网状铁素体，铁素体晶粒度7-9级，魏氏组织级别≤1级；抗拉强度≥700mpa，面缩率≥55%，伸长率≥28%，性能明显提高

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。