非調質鋼棒材及其制造方法與流程

本發(fā)明實施例涉及合金鋼技術領域，尤其涉及一種非調質鋼棒材及其制造方法。

背景技術：

近年來為了節(jié)約能源，降低制造成本，非調質結構鋼的應用越來越廣泛。非調質結構鋼在熱軋和鍛造狀態(tài)即能達到良好的綜合機械性能，相比于調制鋼制作過程，減掉熱處理工序和熱處理設備，避免了在熱處理過程中產生變形或淬火裂紋所造成的廢品，改善了勞動條件并減少環(huán)境污染，具有良好的經濟效益和社會效益。

目前已開發(fā)的非調質鋼，抗拉強度一般較低，抗拉強度達不到目前油缸活塞桿的高抗拉強度的要求，因而限制了非調鋼在高性能要求的棒材鋼領域的應用。

現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa，無法滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求。

技術實現要素：

本發(fā)明實施例提供一種非調質鋼棒材及其制造方法，以解決現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa，無法滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求。

本發(fā)明實施例的一個方面是提供一種非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40-0.50，Si為0.10-0.50，Mn為0.50-1.50，Cr為0.10-0.50，V為0.05-0.30，Ti為0.01-0.06，N為0.01-0.035，Al為0.01-0.10；余量為Fe及不可避免雜質。

本發(fā)明實施例的另一個方面是提供一種非調質鋼棒材的制造方法，包括電爐冶煉、LF精煉、VD真空處理、精軋以及冷卻步驟；所述冷卻步驟包括對鋼材進行強冷段和弱冷段交替的多段穿水冷卻，以使鋼材的芯部溫度與表面溫度趨于一致；

所述非調質鋼棒材的制造方法制得的非調質鋼棒材中包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40-0.50，Si為0.10-0.50，Mn為0.50-1.50，Cr為0.10-0.50，V為0.05-0.30，Ti為0.01-0.06，N為0.01-0.035，Al為0.01-0.10；余量為Fe及不可避免雜質。。

本發(fā)明實施例提供的所述非調質鋼棒材的抗拉強度≥900MPa，布氏硬度為240-270HBW，室溫(25℃)下U型沖擊功≥108J，屈服強度≥640MPa，斷面收縮率≥40％，晶粒度≥10.5級，克服了現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa的問題，能夠滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材距外表面1/2處的金相圖片；

圖2為本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材距外表面1/4處的金相圖片。

具體實施方式

本發(fā)明實施例針對現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa，無法滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求的問題，提供了一種非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40-0.50，Si為0.10-0.50，Mn為0.50-1.50，Cr為0.10-0.50，V為0.05-0.30，Ti為0.01-0.06，N為0.01-0.035，Al為0.01-0.10；余量為Fe及不可避免雜質。

為增加非調質鋼棒材的抗拉強度，需嚴格控制V和N的含量。

鋼中的V(釩)用于形成V的碳氮化物，促進晶內鐵素體的析出，起到析出強化和細晶強化的作用；鋼中V的碳氮化物析出量，將直接影響到鋼中鐵素體和珠光體的質量百分比，并進一步影響鋼種的強韌性配合。從鋼種的強韌性配合和成本角度考慮，將V的含量(wt.％)控制在0.05-0.30。

鋼中的N(氮)可以促進V的析出，以減少V含量和提高V的析出強化效果。由于鋼中的N能形成一定量V的氮化物，但是N過高，會形成氣泡，惡化材料性能，因此，將N的含量(wt.％)控制在0.01-0.035。

本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材，通過嚴格控制其V和N的含量，使得所述棒材具有均勻分布且比例合適的鐵素體和珠光體，從而使得非調質鋼棒材的抗拉強度≥900MPa克服了現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa的問題，能夠滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求。

圖1為本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材距外表面1/2處的金相圖片；圖2為本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材距外表面1/4處的金相圖片?；谏鲜霭l(fā)明實施例公開的非調質鋼棒材，所述非調質鋼棒材中的顯微組織由鐵素體和珠光體組成。通過控制所述非調質鋼棒材中V和N的含量，使得所述棒材具有均勻分布的鐵素體和珠光體，并且所述鐵素體的含量(vol.％)為30-40，余量為所述珠光體。

進一步地，按照GB/T6394評級，所述非調質鋼棒材中鐵素體晶粒度≥10.5級，并且，珠光體的片層間距細小，尺寸在12μm左右，晶粒細小、均勻；鋼材表面和芯部的力學性能均勻，由中心到邊緣的強度、韌性波動很小，從而使得所述給調制鋼棒材具有較佳的強韌性配合。如圖1、圖2所示，在所述非調質鋼棒材距外表面1/2處的顯微組織結構與距外表面1/4處的顯微組織結構沒有明顯的差異，也說明了，所述棒材由中心到邊緣各個位置均勻分布有適當比例的鐵素體和珠光體，以使鋼材表面和芯部的力學性能均勻，由芯部到邊緣的強度、韌性波動很小，從而使得所述非調質鋼棒材具有較佳的強韌性配合。

可選地，所述非調質鋼棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40，Si為0.32，Mn為1.15，Cr為0.15，V為0.08，Ti為0.02，N為0.01，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

可選地，所述非調質鋼棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.41，Si為0.30，Mn為1.30，Cr為0.16，V為0.10，Ti為0.025，N為0.015，Al為0.013；余量為Fe及不可避免雜質。

可選地，所述非調質鋼棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.41，Si為0.33，Mn為1.28，Cr為0.15，V為0.13，Ti為0.02，N為0.019，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

可選地，所述非調質鋼棒材包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.42，Si為0.30，Mn為1.33，Cr為0.14，V為0.16，Ti為0.025，N為0.020，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

上述的非調質鋼棒材中的所述不可避免雜質含量(wt.％)小于0.5。

表1為本發(fā)明實施例中給出的幾個可選的所述非調質鋼棒材的化學成分表，上述各非調質鋼棒材中各化學成分的含量(wt.％)如表1所示：

表1

表2為上述幾種非調質鋼棒材對應的非調質鋼力學性能表。其中，表2中的一數據行為表1中與該行序號相同的數據行對應化學成分的非調質棒材的力學性能。上述幾種可選的非調質鋼棒材對應的力學性能數據如表2所示：

表2

表2中的數據為在室溫(25攝氏度)條件下，非調質鋼棒材半徑1/2處位置的性能數據。

從表2中可以看出，本發(fā)明實施例提供的非調質鋼在屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、U型沖擊功、硬度等綜合力學性能優(yōu)良。

本發(fā)明實施例提供的非調質鋼棒材，通過嚴格控制其V和N的含量，使得所述棒材具有均勻分布的鐵素體和珠光體，并且所述鐵素體的含量(vol.％)為30-40，余量為所述珠光體。所述非調質鋼棒材的抗拉強度≥900MPa，布氏硬度為240-270HBW，室溫(25℃)下U型沖擊功≥108J，屈服強度≥640MPa，斷面收縮率≥40％，晶粒度≥10.5級，克服了現有的非調質鋼棒材的抗拉強度水平難以達到900MPa的問題，能夠滿足油缸活塞桿用棒材鋼的高抗拉強度的要求。

本發(fā)明實施例提供一種非調質鋼棒材的制造方法，包括電爐冶煉、LF精煉、VD真空處理、精軋以及冷卻步驟；所述冷卻步驟包括對鋼材進行強冷段和弱冷段交替的多段穿水冷卻，以使鋼材的芯部溫度與表面溫度趨于一致；所述非調質鋼棒材的制造方法制得的非調質鋼棒材中包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40-0.50，Si為0.10-0.50，Mn為0.50-1.50，Cr為0.10-0.50，V為0.05-0.30，Ti為0.01-0.06，N為0.01-0.035，Al為0.01-0.10；余量為Fe及不可避免雜質。

通常非調質鋼棒材的制造方法按照先后順序包括以下步驟：電爐冶煉、LF精煉、VD真空處理、連鑄、切割、緩冷、檢驗、判定、加熱、精軋、冷卻、切割、緩冷、檢驗、超聲+紅外探傷、精整、判定、包裝、稱重、入庫。

本發(fā)明實施例中采用電爐冶煉較傳統(tǒng)的轉爐冶煉可以更好地控制下渣操作。

在LF精煉步驟中，使用碳化硅、硅鐵粉脫氧，加入石灰造白渣，白渣保持一定長度時間(一般不少于20分鐘)，以使白渣能夠較為徹底的清除夾雜物。

本發(fā)明實施例的核心在于對精軋步驟之后的冷卻步驟做了改進，該冷卻步驟包括對鋼材進行強冷段和弱冷段交替的多段穿水冷卻，以使鋼材的芯部溫度與表面溫度趨于一致。

其中，強冷段穿水冷卻是指在3-5秒內即可使得棒材表面溫度降低約250-350攝氏度的冷卻程度，弱冷段穿水冷卻是指在3-5秒內可使得棒材表面溫度降低約100-150攝氏度的冷卻程度。

優(yōu)選地，可以對棒材進行三段穿水冷卻，第一段穿水冷卻采用強冷段穿水冷卻，第二段穿水冷卻采用弱冷段穿水冷卻，第三段穿水冷卻采用強冷段穿水冷卻。精軋之后的棒材溫度較高，在第一段穿水冷卻時采用強冷段穿水冷卻，使得棒材的表面溫度迅速降低，由于熱量的傳遞作用，表面溫度降低之后，芯部熱量逐漸向表面?zhèn)鬟f。為了使得芯部熱量盡可能多的傳遞到表面，在第二段穿水冷卻中采用弱冷段穿水冷卻，以使得冷卻過程中預留較多的時間給芯部進行熱傳遞。在第二段穿水冷卻之后，熱傳遞使得表面溫度有所升高，再次通過強冷段穿水冷卻快速冷卻表面，從而使得表面熱量被迅速帶走，此時，熱傳遞使得表面溫度和芯部溫度趨于一致，從而確保了力學性能的均勻性。

需要說明的是，可以根據實際情況確定需要交替進行多少次強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻，本發(fā)明實施例中僅以三段水冷卻，交替進行三次強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻為例進行說明，如果三段水冷卻之后，芯部溫度與表面溫度相差較大，可繼續(xù)進行強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻，直至表面溫度和芯部溫度趨于一致，本發(fā)明實施例對交替進行多少次強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻不作具體限定。

進一步地，在所述冷卻步驟中，所述對鋼材進行強冷段和弱冷段交替的多段穿水冷卻，包括；根據所述非調質鋼棒材的規(guī)格以及終冷目標溫度，確定強冷段穿水冷卻的第一流量值和弱冷段穿水冷卻的第二流量值；根據所述第一流量值，控制所述強冷段穿水冷卻的水流量；根據所述第二流量值，控制所述弱冷段穿水冷卻的水流量。其中，第一流量值為進行強冷段穿水冷卻時，管道中的冷卻水流量；第二流量值為進行弱冷段穿水冷卻時，管道中的冷卻水流量；第一流量值大于第二流量值。

在實際應用中，根據所述非調質鋼棒材規(guī)格以及終冷目標溫度，預設各穿水冷卻段流量計的流量值；然后在冷卻過程中，通過智能終端設備自動控制流量計的流量，使得在進行強冷段穿水冷卻時，管道中的冷卻水流量始終保持在第一流量值；在進行弱冷段穿水冷卻時，管道中的冷卻水流量始終保持在第二流量值。

優(yōu)選地，本實施了提供一種使用該制造方法可以生產的非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.40，Si為0.32，Mn為1.15，Cr為0.15，V為0.08，Ti為0.02，N為0.01，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

優(yōu)選地，本實施了提供另一種使用該制造方法可以生產的非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.41，Si為0.30，Mn為1.30，Cr為0.16，V為0.10，Ti為0.025，N為0.015，Al為0.013；余量為Fe及不可避免雜質。

優(yōu)選地，本實施了提供另一種使用該制造方法可以生產的非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.41，Si為0.33，Mn為1.28，Cr為0.15，V為0.13，Ti為0.02，N為0.019，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

優(yōu)選地，本實施了提供另一種使用該制造方法可以生產的非調質鋼棒材，包括以下含量(wt.％)的元素：C為0.42，Si為0.30，Mn為1.33，Cr為0.14，V為0.16，Ti為0.025，N為0.020，Al為0.015；余量為Fe及不可避免雜質。

對用該制造方法可以生產的上述幾種非調質鋼棒材進行力學性能的測量，得到的力學性能數據如表2所示。由表2中數據可知，所述非調質鋼棒材的制造方法制得的非調質鋼棒材的抗拉強度≥900MPa，布氏硬度為240-270HBW，室溫(25℃)下U型沖擊功≥108J，屈服強度≥640MPa，斷面收縮率≥40％。

進一步地，所述非調質鋼棒材中的顯微組織由鐵素體和珠光體組成。通過控制所述非調質鋼棒材中V和N的含量，使得所述棒材具有均勻分布的鐵素體和珠光體，并且所述鐵素體的含量(vol.％)為30-40，余量為所述珠光體。按照GB/T6394評級，所述非調質鋼棒材中鐵素體晶粒度≥10.5級，并且，珠光體的片層間距細小，尺寸在12μm左右，晶粒細小，均勻；鋼材表面和芯部的力學性能均勻，由芯部到邊緣的強度、韌性波動很小，從而使得所述非調質鋼棒材具有較佳的強韌性配合。

可選地，控制整體加熱時間，通過步進式進鋼設備的進鋼節(jié)奏來保證整體加熱時間，保證鋼坯充分加熱，使合金元素擴散均勻。其中，整體加熱時間是指從鋼坯進入加熱爐到離開加熱爐的時間。另外，整體加熱時間根據鑄坯型不同而不同，例如，240mmx240mm坯型，加熱時間約為3.5小時；280mmx320mm坯型，加熱時間約為4.5小時。

可選地，在冷卻步驟之后，按客戶要求鋸切并對棒材緩冷處理之后，即可對得到的棒材進行檢驗、精整、包裝、稱重、入庫；除冷卻步驟外的其他步驟可采用現有技術實現，本發(fā)明實施例對此不在贅述。

本發(fā)明實施例的非調質鋼棒材的制造方法在精軋步驟后設置冷卻步驟，并且冷卻方式一改現有技術中采用強弱一致的冷卻方式，將強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻交替進行，強冷段穿水冷卻可以保證鋼材表面溫度迅速減低，弱冷段穿水冷卻可以使得鋼材芯部的溫度逐漸擴散到表面，隨后再進行強冷段穿水冷卻，使得熱量快速散出，根據實際需要，強冷段穿水冷卻和弱冷段穿水冷卻可以交替進行多次，強弱穿水冷卻相結合的穿水冷卻方式使得在較短的時間內鋼材芯部的溫度和表面的溫度即趨于一致，從而確保了鋼材力學性能的均勻性，且提高了生產效率。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。