高强度紧固件用非调质冷镦钢及其制造方法.pdf

本发明涉及一种高强度紧固件用非调质冷镦钢及其制备工艺。该非调质冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si≤0.30％、Mn 0.80～1.80％、Cr 0.20～0.80％、Al 0.01～0.10％、P≤0.035％、S≤0.035％、余量的铁和杂质。该工艺为：制备与上述非调质冷镦钢具有相同组分的铸坯，并将铸坯加热、控轧、集卷、控冷处理，形成成品盘条。本发明的高强度紧固件用非调质冷镦钢强度适中、塑性好，紧固件冷镦成形时变形抗力低，且生产工艺简洁，可有效节约能源，减少环境污染，降低成本，适于大规模工业化生产。

1.  一种高强度紧固件用非调质冷镦钢，其特征在于，所述非调质冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si≤0.30％、Mn 0.80～1.80％、Cr 0.20～0.80％、Al 0.01～0.10％、P≤0.035％、S≤0.035％以及余量的铁和杂质。

2.  一种如权利要求1所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法为：
制备具有与所述高强度紧固件用非调质冷镦钢相同组分的铸坯，并将铸坯加热至900～1150℃，再依次经粗中轧、精轧，轧制形成的线材依次经集卷、速度在4℃/s以下的冷却处理，形成高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条。

3.  如权利要求2所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法中，精轧过程是在800～950℃的温度条件下进行的，且吐丝温度控制在800～900℃。

4.  如权利要求2所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法中，轧制形成的线材在斯坦尔摩辊道运输线上控制冷却后集卷，或集卷后在大盘卷运输线上经保温罩延迟冷却，其后打捆，并自然冷却。

5.  如权利要求2所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法中，首次按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，而后依次经氧气顶吹转炉或电炉冶炼、炉外精炼、浇铸，形成铸坯。

6.  如权利要求2所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
(1)按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉或电炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成铸坯；
(2)铸坯在加热炉中加热到900～1150℃，经粗中轧后，在800～950℃下精轧，吐丝温度控制在800～900℃；
(3)轧制形成的线材在斯坦尔摩辊道运输线上控制冷却后集卷，或集卷后整卷在大盘卷运输线上经保温罩延迟冷却，控制冷却速度在750～550℃区间小于4℃/s；其后自然冷却，形成高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条。。

7.  如权利要求2或6所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条在应用于制造螺栓或螺柱时，其拉拔减径率在12～40％之间。

8.  如权利要求7所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，所述的螺栓或螺柱在制成后，还在200～500℃下烘烤5min～4h。

9.  如权利要求8所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，所述螺栓或螺柱的强度在800MPa以上。

高强度紧固件用非调质冷镦钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域的一种钢材及其制备工艺，尤其涉及一种8.8级高强度紧固件用非调质冷镦钢及其制造方法。
背景技术
紧固件为三大基础零部件之一，其应用量大、面广。2008年我国紧固件产量高达560万吨，其中最主要的一种产品即是8.8级高强度紧固件。常见的8.8级紧固件制造工序一般为“热轧盘条→球化退火→拉拔→冷镦→调质处理”，其中球化退火和调质处理环节均需消耗大量能源，并会造成严重环境污染，不仅增加生产成本，而且造成金属材料的损失，更重要的是，该两个处理环节在制造细长型紧固件时，容易产生热处理变形，影响螺栓的质量。
为此，如何减少和取消生产高强度紧固件用材料的热处理工序一直是业界技术人员重点研究的方向。经长期研究和实践，人们发现采用非调质处理冷镦钢制造紧固件可有效简化工艺。具体而言，使用非调质处理冷镦钢制造高强度紧固件仅需“热轧盘条→拉拔→冷镦→烘烤(或发蓝)处理”等几步简单工序即可完成，从而省去盘条冷拔前的退火处理和紧固件成形后的调质处理。基于非调质处理冷镦钢的上述优越性能，其已成为冷镦钢研究领域的热点之一。
目前，在日本非调质处理冷镦钢已成功应用于7T和8.8级别的镦头螺栓，以及9.8和10.9级别双头螺栓和U型螺栓。而在我国，多家钢铁公司也开始尝试开发此类钢种。如马鞍山钢铁有限公司于公开号为CN1858284A的发明专利中提出了一种超细晶非调钢盘条，其主要成分为：0.10～0.25％C，≤0.08％Si，0.80～1.70％Mn，≤0.035％P，≤0.035％S，微量V、Nb、Ti、Al以及余量的铁。但是，该非调质冷镦钢的成本高昂；且强度波动大，拉拔减径量少时甚至不达标。又如，上海宝钢于公开号为CN101220439A的发明专利中也提出了一种高强度紧固件用非调质双相冷镦钢，其主要成分为：0.06～0.15％C，0.60～0.90％Si，1.40～2.0％Mn，≤0.025％P，≤0.025％S，≤0.04％Al，≤0.0060％N。但该钢种存在冷镦变形抗力大，冷镦模具寿命短，消耗量大等缺点，未能普及推广应用。
发明内容
本发明目的在于提出一种高强度紧固件用非调质冷镦钢及其制造方法，该非调质钢的热轧盘条强度适中、塑性好，紧固件冷镦成形时变形抗力低，可制成强度在800MPa以上(8.8级)的紧固件，且其生产工艺简洁，无需球化退火和调质热处理工序，可有效节约能源，减少环境污染，降低成本，从而克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高强度紧固件用非调质冷镦钢，其特征在于，所述非调质冷镦钢包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.15～0.35％、Si≤0.30％、Mn 0.80～1.80％、Cr 0.20～0.80％、Al 0.01～0.10％、P≤0.035％、S≤0.035％以及余量的铁和杂质。
一种如上所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造方法，其特征在于，该方法为：
制备具有与所述高强度紧固件用非调质冷镦钢相同组分的铸坯，并将铸坯加热至900～1150℃，再依次经粗中轧、精轧，轧制形成的线材依次经集卷、速度在4℃/s以下的冷却处理，形成高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条。
进一步的讲，精轧过程是在800～950℃的温度条件下进行的，且吐丝温度控制在800～900℃。
该方法中，轧制形成的线材在斯坦尔摩辊道运输线上控制冷却后集卷，或集卷后在大盘卷运输线上经保温罩延迟冷却，其后打捆，并自然冷却。
该方法中，首次按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，而后依次经氧气顶吹转炉或电炉冶炼、炉外精炼、浇铸，形成铸坯。
该方法具体包括如下步骤：
(1)按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉或电炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成铸坯；
(2)铸坯在加热炉中加热到900～1150℃，经粗中轧后，在800～950℃下精轧，吐丝温度控制在800～900℃；
(3)轧制形成的线材在斯坦尔摩辊道运输线上控制冷却后集卷，或集卷后整卷在大盘卷运输线上经保温罩延迟冷却，控制冷却速度在750～550℃区间小于4℃/s；其后自然冷却，形成高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条。。
所述的高强度紧固件用非调质冷镦钢盘条在应用于制造螺栓或螺柱时，其拉拔减径率在12～40％之间。
所述的螺栓或螺柱在制成后，还在200～500℃下烘烤5min～4h。
所述螺栓或螺柱的强度在800MPa以上。
以下详细说明本发明高强度紧固件用非调质冷镦钢的组分设计原理：
C：碳是本发明非调质冷镦钢的主要强化元素之一。碳含量过低，则热轧盘条强度将过低，并使拉拔减径后强度不达标；碳含量过高，则热轧盘条的强度过高、塑性急剧下降，同时冷镦变形抗力大幅度上升。紧固件冷镦成型时容易发生冷镦开裂，同时模具消耗大幅度增加。因此，碳含量最好控制在0.15～0.35％之间。
Si：硅虽然可提高钢的强度，但同时也导致冷镦变形抗力的急剧升高，大幅度提高模具消耗。因此，为降低冷镦变形抗力，并结合工业生产的实际状态，Si的含量控制在0.30％以下。
Mn：锰是固溶强化元素。添加适量的锰可弥补降低碳导致的强度下降。同时，由于Mn含量增加引起的变形抗力增量远低于碳元素，因此添加Mn避免由添加过多的C所引起的变形抵抗的增大。考虑热轧盘条和最终拉拔减径后的强度，锰含量适合控制在0.80～1.80％之间。
Cr：铬是固溶强化元素，与Mn的作用相似，一方面弥补降低碳含量导致的强度下降，另一方面有效降低冷镦变形抗力。此外，由于铬可在烘烤或蓝化处理时析出碳化物的沉淀相，起着二次硬化的作用。但铬含量过高，冷镦变形抗力增加，同时铬使淬透性增加，给热轧盘条的控制冷却带来难度。因此，Cr含量最好控制在0.20～0.80％之间。
Al：铝是炼钢脱氧剂，钢中保持适当含量的酸溶铝，可在盘条热轧时固定钢中自由氮，形成AlN细小析出相。这有利于细化热轧盘条晶粒尺寸，提高强度和塑性，降低蓝脆危害，改善冷镦性能。因此根据钢种氮含量，铝含量的控制最小达到Al/N＞2，铝含量高有利与自由氮的固定。铝含量的控制范围为0.01～0.10％。
结合上述组分设计，本发明还采用了控轧控冷工艺，从而使生产的非调质冷镦钢热轧盘条具有铁素体和珠光体双相组织，且其中铁素体晶粒度在9级以上。该热轧盘条的铁素体珠光体双相组织既可以保证热轧盘条具有一定的强度，同时又有良好的塑性，以保证拉拔减径后的强度和冷镦性能。
以上述非调质冷镦钢热轧盘条制造紧固件的工艺如下：酸洗→拉拔→冷镦→烘烤(或发蓝)处理。以上环节中，拉拔减径量直接关系紧固件的强度和冷镦性能，拉拔减径量过低，强度不能达到800MPa，而拉拔减径量过高，一方面造成冷镦变形抗力急剧升高，另一方面将加剧模具磨损和消耗。因此拉拔减径量宜控制在15～35％之间，既满足强度要求，同时由于包辛格效应，冷镦变形抗力也控制在最低水平。而冷镦成型后烘烤(或发蓝)处理是非调质冷镦钢制造紧固件后获得合格的保证载荷下永久延伸率的必要工序，烘烤(或发蓝)处理一般在200～500℃下进行几分钟到几小时不等，处理时间随着温度的升高而缩短。经烘烤(或发蓝)处理后，紧固件中由于拉拔和冷镦变形形成的可动位错将被C原子、碳化物等析出相钉扎，从而大幅度减少拉伸时紧固件屈服前的塑性变形量，即避免了紧固件在服役中发生大的永久延伸变形而使失效。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该高强度紧固件用非调质冷镦钢强度适中、塑性好，紧固件冷镦成形时变形抗力低，且生产工艺简洁，可有效节约能源，减少环境污染，降低成本，适于大规模工业化生产。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的内容作进一步说明。
实施例1本实施例的高强度非调质冷镦钢为φ16mm线材，其包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.33％、Si 0.11％、Mn 1.21％、Cr 0.32％、Al 0.04％、P 0.011％、S 0.006％、O、0.0013％、N 0.0046％，以及余量的Fe及不可避免的杂质。
该高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造工艺为：
按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成150×150mm方坯；
将上述方坯加热到1050±50℃，并进行热轧，其中，开轧温度950℃±50℃，精轧温度900℃±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间；
轧制盘条集卷后采用堆冷措施(冷却速度0.25～1.5℃/s)，集卷打捆后自然冷却，得到成品φ16mm盘条，该热轧盘条力学性能如表1所示。
该热轧盘条在应用于制造螺栓时，经12.1％的拉拔减径并烘烤，强度即可满足8.8级紧固件的要求。另外，该热轧盘条经不同拉拔减径和烘烤处理后的力学性能还可见于表1。
实施例2本实施例的高强度非调质冷镦钢为φ16mm线材，其包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.30％、Si 0.08％、Mn 0.98％、Cr 0.53％、Al 0.05％、P 0.009％、S 0.007％、O 0.0012％、N 0.0097％，其余为Fe及不可避免的杂质。
该高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造工艺为：
按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成150×150mm方坯；
将上述方坯加热到1000±50℃，并进行热轧，其中，开轧温度950℃±50℃，精轧温度900℃±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间；
吐丝后在Stelmor(斯坦尔摩辊道运输线)上采用延迟冷却，冷却到580℃以下集卷，冷却速度(0.5～4.0℃/s)，然后打捆并自然冷却，得到成品φ16mm盘条，该热轧盘条经不同拉拔减径和烘烤处理后的力学性能还可见于表2。由此表可见，当拉拔减径量＞17.9％时，还可完全满足8.8级紧固件的性能要求。
实施例3本实施例的高强度非调质冷镦钢为φ10mm线材，其包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.26％、Si 0.03％、Mn 1.57％、Cr 0.59％、Al 0.03％、P 0.008％、S 0.002％、O 0.0008％、N 0.0032％，其余为Fe及不可避免的杂质。
该高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造工艺为：
按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成150×150mm方坯；
将上述方坯加热到1000±50℃，并进行热轧，其中，开轧温度950℃±50℃，精轧温度900℃±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间；
吐丝后在Stelmor(斯坦尔摩辊道运输线)上采用延迟冷却，冷却到560℃以下集卷，冷却速度(0.5～4.0℃/s)，然后打捆并自然冷却，得到成品φ10mm盘条，该热轧盘条经不同拉拔减径和烘烤处理后的力学性能如表3所示，由此表可见，当拉拔减径量＞19％，还可完全满足8.8级紧固件的性能要求。
实施例4本实施例的高强度非调质冷镦钢为φ12mm线材，其包含的组分及其重量百分比分别为：C 0.18％、Si 0.28％、Mn 1.75％、Cr 0.78％、Al 0.04％、P 0.006％、S 0.004％、O 0.0020％、N 0.0070％，其余为Fe及不可避免的杂质。
该高强度紧固件用非调质冷镦钢的制造工艺为：
按所述高强度紧固件用非调质冷镦钢的组成配制冶炼原料，并经氧气顶吹转炉冶炼、炉外精炼和浇铸操作，形成150×150mm方坯；
将上述方坯加热到1000±50℃，并进行热轧，其中，开轧温度950℃±50℃，精轧温度900℃±50℃，吐丝温度控制在850±50℃之间；
吐丝后在Stelmor(斯坦尔摩辊道运输线)上采用延迟冷却，冷却到550℃以下集卷，冷却速度(0.5～4.0℃/s)，然后打捆并自然冷却，得到成品φ12mm盘条，该热轧盘条经不同拉拔减径和烘烤处理后的力学性能如表4所示，由此表可见，当拉拔减径量＞16％并进行适当烘烤处理，可完全满足8.8级紧固件的性能要求。
表1实施例1热轧盘条在制造螺栓时中拉拔减径及烘烤的力学性能

表2实施例2热轧盘条在制造螺栓时中拉拔减径及烘烤的力学性能

表3实施例3热轧盘条在制造螺栓时中拉拔减径及烘烤的力学性能


表4实施例4热轧盘条在制造螺栓时中拉拔减径及烘烤的力学性能

由上述实施例可见，本发明的高强度非调质冷镦钢盘条具有合适的热轧强度和塑性，在紧固件制造中可不经过球化退火，且经过合适的拉拔减径后仍具有良好的冷镦性能，可直接冷镦成型紧固件，其经过进一步地烘烤(或发蓝)处理即可满足紧固件国家标准《GBT 3098.1-2000紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求。利用本发明的非调质冷镦钢制备紧固件，可简化生产工序、节约大量能源、降低生产成本，因此必将得到广泛的应用。
以上实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式。但是，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。