专利名称：10.9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘条的轧制方法
技术领域：
本发明属紧固件用冷镦钢领域，尤其涉及一种10. 9级紧固件用非调质冷镦 钢及其热轧盘条的生产方法。
背景技术：
高强度螺栓等高强度紧固件的强度水平一般分为8.8、 9.8、 10.9和12.9 四个级别，通常为调质处理的中碳钢或中碳合金钢，也有非调质钢。非调质紧 固件生产工序与调质紧固件生产工序相比，非调质紧固件的生产可省去冷镦前 的球化退火、减少拉拔次数和省去冷镦后的调质热处理等，这在很大程度上简 化了生产工序，缩短了生产周期，降低了能源消耗，同时还避免了因热处理而 造成的表面氧化、脱碳及工件变形等问题，因而具有显著的经济效益和社会效 益，
由于髙强度微合金非调质钢热轧盘条在冷加工时的硬度较通常的调质钢的 硬度高，这使得冷加工复杂形状的10. 9级螺栓(如凸缘螺栓)时裂紋萌生率 高，而且冷加工模具的寿命有所降低，因此目前微合金非调质钢制造的螺栓主 要为8.8级、9.8级
《汽车工艺与材料》2007年第11期第43-48页报道了 一种9. 8级冷作强化 非调质钢高强度汽车U形螺栓，化学成分为0.15-0.20%C, 0. 30-0.60%Si， 1. 35-1. 75%Mn， < 0. 030%P，《0. 030%S， 0. 010-0. O療i， 0. 04-0. 07%V。
《特殊钢》1993年第6期第23-26页报道了 一种10. 9级冷作强化非调质钢， 化学成分为0. 09-0.13%C， 0.17—0. 37%Si， 1. 90-2.確n，《0. 030%P，《0. 030%S, 0. 04-0. O膨,0.08-0.12%V, 0. 001-0. 005%B。该钢的微合金元素设计存在以 下缺陷 (1) Ti含量为0. 04-0. 08%, Ti元素容易氧化，加入>0. 04-0.10 %Ti时，会增加钢中Ti02夹杂物数量和疲劳裂紋源点，从而降低紧固件的使用寿命； (2) B含量为0. OOl-O. 005%,当硼含量若超过0.004%时，则容易出现硼化合 物脆性相；(3) V含量0.08-0.12%，钒元素的加入可提高钢的强度和韧性，但 加入量大于0.03%以上时，钒元素的加入会降低冲击韧性，使冷镦性能降低。并 且受生产技术水平的限制，线材的冷变形能力差、强度波动大，因而一直没能 得到工业化批量生产和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种10. 9级含铌非调质冷镦钢及其热轧盘 条的轧制方法，该钢种能提高紧固件用非调质钢的强度级别和冷加工性能，并 做到合理、均衡地利用资源，采用较少的微合金元素加入量，降低生产成本。
本发明提供的10.9级含铌非调质冷镦钢，其组分的重量百分比(％)为C 0. 08%-0.14% ， SiO. 03%-0. 35% ， Mnl. 80%-2. 30% , P《0. 025% ， S《0. 015% ， BO. 0005%—0. 003%, TiO. 01%-0. 03%, AlsO. 010%-0. 050%, Nb 0. 02%-0. 04%,其 余为铁和微量杂质。
本发明的10. 9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法为钢坯在加热炉 中加热后在髙速线材轧机上进行轧制，然后集巻、冷却、打捆、入库，其中， 加热温度1050-1250C,粗、中轧轧制温度1000-1050'C,精轧温度750-830X:， 吐丝温度730-850'C，吐丝后盘条分两段控制冷却，5501C以上以》5iC/s的冷 速快冷，小于550'C以0. l-3匸/s的冷速缓冷。
本发明主要釆用成分优化设计与低温控轧控冷有机结合的技术思路，以使 热轧盘条获得细化的粒状贝氏体组织形貌，即贝氏体型铁素体基体上分布有M-A 岛，岛中马氏体为板条状，从而具有良好的冷加工性和韧性，以解决传统非调 质冷镦钢盘条的低冷镦性和低韧性的难题，从而促进非调质冷镦钢盘条的进一步推广应用。
本发明钢的成分设计是在含碳0. 10%左右的C-Mn系中添加Ti、 B等元素， 同时加入少量的Nb，保证得到合适的强度和軔塑性。本发明10.9级紧固件用非 调质钢的化学成分配比(按重量百分比)为C 0. 08%-0.14%, Si 0. 03%-0. 35%， Mn 1. 80%-2. 30%, P < 0. 025°/。， S < 0. 015%， B 0. 0005%-0. 003%, Ti 0. 01%-0. 03%， Als 0. 010%-0. 050%， Nb 0. 02%-0. 04%,其余为Fe和杂质元素。
本发明的生产工艺流程为转炉或电炉冶炼、炉外精炼、连续浇注成钢坯， 高速线材低温控轧控冷轧制。
高速线材低温控轧控冷轧制工艺参数为加热炉加热至1050-12501C，精轧 温度为750-830"，控制冷却分两段控制，5501C以上采取^5lC/s的冷速快冷， 小于550'C采取0. l-3t:/s的冷速缓冷。
采用本发明的化学成分、工艺流程和高速线材低温控轧控冷轧制工艺参数, 可获得细化的粒状贝氏体组织，热轧盘条的IL在750MPa以上，Z在55'/。以上。
下面具体说明技术方案的内容
成分设计(1)碳含量增加可提高钢的强度，但不利于冷镦性能，为兼顾 钢的强度和冷加工工艺性能，故选择钢的含碳量为0.08-0.14%。 (2)硅虽能显 著提髙钢的变形抗力，但对冷镦和冷挤压极为不利，故硅含量不宜太髙，硅控 制在0.03-0.35%。 (3)锰是增加钢强度的重要元素，同时也是形成贝氏体组织 最为有效的低成本合金元素之一，本发明采用了较高的锰含量1. 80-2. 30%。 ( 4 ) 由于本钢种含B，故须加Ti固N。但Ti元素容易氧化，加入>0. 04-0.10订i时， 会增加钢中Ti02夹杂物数量和疲劳裂紋源点，从而降低紧固件的使用寿命，故 本发明Ti的加入量控制在0. 01%-0. 03%。( 5 )紧固件靠冷镦成形，要承受70%-80% 的总变形量，因此要求冷镦钢有良好的强軔性匹配。铌、钛、钒均为微合金化元素，通过其碳氮化物的析出强化和晶粒细化，均可显著提髙钢的强度。但在 提高钢的韧性方面，铌的作用最为显著，因为通过铌微合金化结合控轧控冷轧 制工艺细化晶粒的作用最为显著，而晶粒细化是不同强化机制中唯一的既可提 高强度又能显著提高钢材韧性的方法。故本发明选择铌作为微合金化元素，其
合适的含量是0. 02%-0. 04%。同时，Nb+B元素复合加入能够显著提高钢的沣透 性，促进空冷时粒状贝氏体的生成。(6)硼在晶界可降低晶界原子扩散系数， 从而强化晶界，但硼含量若超过0.004%时，则容易出现硼化合物脆性相，故本 发明硼含量控制在0. 0005%-0. 0030%。
生产10. 9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的方法按以下步骤进行(1 )冶炼 在转炉或电炉上冶炼、炉外精炼、连续浇注成钢坯。(2)控制轧制在加热炉 中加热至1050-1250'C。在高速线材轧机上进行轧制，粗、中轧机采用札制温度 1000-1050"C控制轧制，精轧机采用750-830X:低温控制轧制。吐丝温度730-850 。C。 (3)控制冷却分两段控制，55(TC以上釆取》5。C/s的冷速快冷，小于550 'C采取O.l-3'C/s的冷速缓冷。(4)集卷、自然冷却、打捆、入库。
通过上述冶炼步骤可获得合格的札制原料钢坯。为了轧制工艺的需要和使 碳、氮化物固溶于奥氏体中，轧制时钢坯加热温度按1050-1250'C范围控制。在 IOOOIC以上完成粗、中轧机轧制，即基本在奥氏体再结晶区完成轧制是为了实 现再结晶细化，且现行粗、中轧轧钢设备和工艺容易实现。精轧机采用750-830 "C低温控制轧制，吐丝温度730-850'C,有利于进一步细化最终产品的组织。吐 丝后分两段控制冷却，即550'C以上采取^5X:/s的冷速快冷，小于550TC釆取 0.1-3t7s的冷速缓冷，是为了保证得到细化的粒状贝氏体组织。 与现有技术相比，本发明的效果及优点
本发明的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条，其力学性能为R, 770-840MPa, ReL 510-555 MPa， A 16. 5%-20%, Z 60%-65%。采用该热轧盘条直接改制成 工艺料，在冷镦机上冷镦成型的高强度螺栓性能为Rn 1010-1070 MPa， ReL 990-1030 MPa, A 15%-16. 5 %， Z 58%-64. 5%。本发明提高了非调质冷镦钢的强 度级别至10. 9级，解决了传统非调质冷镦钢热轧盘条的低冷镦性和低韧性的难 题，适合于生产冷镦变形加工量较大的高强度螺栓等高强度紧固件。采用这种 盘条制作10.9级紧固件，直接改制成工艺料，在冷镦机上冷镦成型，工序简化， 外观质量好，节省退火和调质热处理费用，减少污染，避免表面脱碳，提高生 产效率。并且通过采用低温控轧控冷工艺，使得微合金元素加入量或其它较廉 价的合金元素加入量较少，有利于节约资源和资源的均衡利用。
具体实施例方式
根据本发明的化学成分范围，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸成140mm方 坯，加热后，在高线轧机上进行控轧控冷，然后集卷、冷却、打捆、入库，具体 实施例如下 实施例1:
选用化学成分为C-O. 08%、 Si-O. 27%、 Mn-2. 05%、 P-O. 016%、 S-O. 004%、 8-0.0030%、 Ti-O. 030%、 Nb-O. 020%、 Als-O. 018%。釆用转炉冶炼、炉外精炼、 连铸成140miii方坯。轧制工艺为加热炉中均热温度为1140-122(VC;粗、中轧 轧制温度1000-1050"C,粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精札采用低温控 制軋制，具体为温度为750C变形量为60%，变形速率为20/s，形变后在 73(TC吐丝；然后控制冷却速度为5501C以上采取5.5匸/s的冷速快冷，小于 550'C采取0.5'C/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能 为Rm-7麵Pa、 A-20 4、 Z-63%。
实施例2:选用化学成分为C-0.11%、 Si-O. 20%、 Mn-l. 89%、 P-0. 012%、 S-0. 008%、 B-0. 0015%、 Ti-0. 010%、 Nb-0. 040°/。、 Als-0. 028%。采用转炉冶炼、炉外精炼、 连铸成140mm方坯。轧制工艺为加热炉中均热温度为1140-12201C;粗、中轧 轧制温度1000-1050'C，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧釆用低温控 制轧制，具体为温度为770'C，变形量为55%，变形速率为20/s，形变后在 740'C吐丝；然后控制冷却速度为550t:以上采取6.0X:/s的冷速快冷，小于 550X:釆取3.0'C/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能 为L-810MPa、 A-19%、 Z-60%。
实施例3:
选用化学成分为C-0.14'/" Si-0.05%、 Mn-l. 80%、 P-0. 006%、 S-O. 010%、 B-O. 0024%、 Ti-O. 020%、 Nb-O. 025%、 Als-0. 032°/,。采用转炉冶炼、炉外精炼、 连铸成140mm方坯，轧制工艺为加热炉中均热温度为1140-1220X:;粗、中轧 轧制温度1000-1050"C，粗轧、中轧、预精轧按常规工艺轧制；精轧釆用低温控 制轧制，具体为温度为790'C，变形量为60%,变形速率为20/s,形变后在 760匸吐丝；然后控制冷却速度为550^以上采取6. 5XVs快冷，小于550t:采 取1.51C/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝氏体的热轧线材，力学性能为 R -820MPa、 A-17%、 Z-59%。
实施例4:
选用化学成分为C-0.10%、 Si-0.15%、 Mn-2. 25°/。、 P-0. 025%、 S-0. 009%、 B-0. 0005%、 Ti-0.012%、 Nb-O. 028%、 Als-0. 043°/。。轧制工艺为加热炉中均热 温度为1140-1220TC;粗、中轧轧制温度1000-1050'C，粗轧、中轧、预精轧按 常规工艺轧制；精轧采用低温控制轧制，具体为温度为830*C，变形量为60%， 变形速率为20/s，形变后在760t:吐丝；然后控制冷却速度为5501C以上采取7. 5X:/s的冷速快冷，小于55(TC采取0. 3t:/s的冷速缓冷。得到组织为粒状贝 氏体的热轧线材，力学性能为L一760MPa、 A-22%、 Z-65%。
权利要求
1、一种10.9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其组分的重量百分比(％)为C0.08％-0.14％，Si 0.03％-0.35％，Mn 1.80％-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B0.0005％-0.003％，Ti0.01％-0.03％，Als0.010％-0.050％，Nb 0.02％-0.04％，其余为铁和微量杂质。
2、 如权利要求1所述的10.9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其组分 的重量百分比(％)为CO. 08%-0.10%， SiO. 15%-0.27%, Mn 2. 05%-2. 25 %， P < 0. 025%， S<0. 015%， BO. 0005%-0. 003%，TiO. 012%-0. 030%, Als 0. 022%-0. 045%, Nb 0. 02%-0. 028%,其余为铁和微量杂质。
3、 如权利要求1或2所述的10. 9级含铌非调质冷镦钢，其特征在于，其 组分的重量百分比(％)为C 0.10%, Si 0.15%, Mn 2.25%， P< 0.025°/。， S< 0.015%， BO. 0005°/。， Ti0. 012%, Als0. 043%, Nb 0. 028%，其余为铁和微量杂质。
4、 一种如权利要求1所述的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方 法，钢坯在加热炉中加热后在高速线材轧机上进行轧制，然后集巻、冷却、打 捆、入库，其特征在于，加热温度1050-1250'C,粗、中轧轧制温度1000-1050 "C,精轧温度750-830'C，变形量为50-60%,变形速率为20/s，吐丝温度730-850 C吐丝后盘条分两段控制冷却，550匸以上以>51(:/3的冷速快冷，小于550r:以o. l-3x:/s的冷速缓冷。
5、 如权利要求4所述的10.9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法， 其特征在于，加热温度1140-12201C,粗、中轧轧制温度1000-10501C,精轧温 度750-790。C，变形量为55-60%，变形速率为20/s，吐丝温度730-760^C，吐丝 后盘条分两段控制冷却，550t:以上以5.0-7. 5t:/s的冷速快冷，小于550C以 0. 3-0. 5X:/s的冷速缓冷。
6、 如权利要求4或5所述的10. 9级含铌非调质冷镦钢热轧盘条的轧制方法，其特征在于，加热温度11801C,粗、中轧轧制温度1000-1050t:，精轧温 度7S0'C，变形量为60%，变形速率为20/s，吐丝温度730'C,吐丝后盘条分两 段控制冷却，550t:以上以7.5XVs的冷速快冷，小于550'C以0. 3X:/s的冷速 缓冷。
全文摘要
本发明提供10.9级含铌非调质冷镦钢，组分重量百分比(％)C 0.08-0.14％，Si 0.03-0.35％，Mn 1.80-2.30％，P≤0.025％，S≤0.015％，B 0.0005-0.003％，Ti 0.01-0.03％，Als 0.010-0.050％，Nb 0.02％-0.04％，其余为铁和微量杂质。其热轧盘条的轧制方法为加热温度1050-1250℃，粗、中轧温度1000-1050℃，精轧温度750-830℃，变形量为50-60％，变形速率为20/s，吐丝温度730-850℃，吐丝后分两段控制冷却，550℃以上以≥5℃/s的冷速快冷，小于550℃以0.1-3℃/s的冷速缓冷。
文档编号C22C38/14GK101619414SQ20091014428
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者于同仁, 坚 吴, 维 孙, 强 宋, 完卫国, 惠卫军, 汪开忠 申请人:马鞍山钢铁股份有限公司