中高碳微合金非調質鋼及其控鍛——控冷的工藝方法

專利名稱：：中高碳微合金非調質鋼及其控鍛——控冷的工藝方法
技術領域：
：本發明屬于金屬材料熱加工的
技術領域：
，涉及微合金非調質鋼控鍛——控冷技術，更具體地說，本發明涉及一種中高碳微合金非調質鋼。另外，本發明還涉及這種中高碳微合金非調質鋼的控鍛——控冷的工藝方法。
背景技術：
：微合金技術是20世紀70年代出現的新型冶金學科，是傳統鋼鐵生產向現代化冶金生產轉變的重要標志。微合金化鍛造用非調質鋼，始于70年代中期，首先在德國，接著在瑞典進行開發。我國在80年代初開始這方面的研究工作。中碳鋼中加入微量的強碳化物形成元素，控制鍛造工藝，利用鍛造時的高溫變形及鍛后的冷卻來控制沉淀物的析出及晶粒細化，從而使鋼強化。使其在不用后備熱處理就能滿足零件要求。為了節能降耗，微合金非調質鋼越來越多地被用來制造有疲勞強度設計要求的運動部件上，同時成為衡量一個國家工業發展水平的重要標志。目前，微合金鋼占鋼材總量的比例，世界水平為10%-15%，工業化國家達到30%左右，而我國不足5%，因此，微合金鋼非調質鋼已成為鋼鐵生產的重要發展方向。由于這類高強度非調質鋼生產技術要求高，不易掌握。在鍛造過程中各部位變形量不一，溫度分布不均勻，奧氏體晶粒變形與再結晶傾向復雜多變，最易生產混晶和晶粒異常長大。因而淬透性產生不均勻的變化。致使其在日常生產中還處在摸索階段。同時也是制約其發展的另外一個重要因素。
發明內容本發明所要解決的第一個問題是提供一種中高碳微合金非調質鋼，其目的是在鍛造的過程中，通過控溫冷卻的方法，不需要經過后續熱處理即能生產出滿足力學性能的產品。為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為-本發明所提供的這種中高碳微合金非調質鋼，以Fe為主要成份，所述的中高碳微合金非調質鋼按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.520%0.730%;Si:《0.850%;Mn:0.40%0.90%;P《0.045%;S:《0.070%;Cr《0.250%;Mo《0.070%;Ni《0.30%;Cu《0.30%;Al:《0.050%，其特征在于所述的中高碳微合金非調質鋼還包括微量的V、Ti和Nb。所述的V、Ti和Nb在總質量中的含量分別為V:0.060%0.220%;Ti:0.010%0.030%;Nb:0.020%0.030o/o。本發明所要解決的第二個問題是提供用于以上所述的中高碳微合金非調質鋼的控鍛——控冷的工藝方法，其發明目的與上述技術方案是相同的。所述的中高碳微合金非調質鋼為C56E2，所述的C56E2用于制造輪轂類零件。其技術方案是所述的中高碳微合金非調質鋼C56E2按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.520%0.730%;Si:《0.850%;Mn:0.40%0.90%;P^O.045%;S:《0.0700/0;Cr《0.25o/o;Mo《0.070%;Ni《0.300/o;Cu《0.30%;Al:《0.010%。所述的C56E2的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——墩粗——預鍛——終鍛——切邊——擠孔——鍛后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。在所述的C56E2的控鍛——^^冷的工藝方法的過程中，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝U-在鍛前加熱出爐時的溫度為1231°C;至U0.25min，墩粗前的溫度為1150°C;到0.53min，預鍛前的溫度為1090°C;到0.73min，終鍛后的溫度為1010°C;到0.90min，切邊前的溫度為960°C;到1.17min，擠孔前的溫度為912°C;到1.30min，鍛后控冷入爐時的溫度為88《C;到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為552°C;到7.30min，入料筐時的溫度為454°C。以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在士2(TC以內。本發明所要解決的第三個問題是提供用于以上所述的中高碳微合金非調質鋼的另一個控鍛——控冷的工藝方法，其發明目的與上述技術方案是相同的。所述的中高碳微合金非調質鋼為C70，所述的C70用于制造汽車發動機連桿類零件。其技術方案是所述的中高碳微合金非調質鋼C70按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.670%0.730%;Si:0.450%0.850%;Mn:0.40%0.70%;P《0.045%;S:《0.045%;Cr《0.20%;Mo《0.050%;Ni《0.20%;Cu《0.20%;Al:《0.010%。所述的C70的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——輥鍛一預鍛——終鍛——沖孔——切邊——鍛后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。在所述的C70的控鍛——控冷的工藝方法的過程中，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝U:在鍛前加熱出爐時的溫度為1236'C;到0.25min，輥鍛時的溫度為1147°C;到0.53min，預鍛前的溫度為1093°C;到0.73min，終鍛后的溫度為1032°C;到0.90min，沖孔前的溫度為976°C;到1.17min，切邊前的溫度為930'C;到1.30min，鍛后控冷入爐時的溫度為901°C;到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為580°C;到7.30min，入料筐時的溫度為431°C。以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在士2(TC以內。本發明采用上述技術方案，采用非調質鋼代替傳統的調質熱處理鋼，通過合理的控溫冷卻工藝可以取消調質(淬火及回火)工序，簡化生產工藝流程，提高材料利用率，降低能耗和制造成本；同時還可以減小多次熱處理對零件的變形影響，改善零件質量，取得調質鋼的性能，甚至超過調質鋼的性能。微合金元素釩、鈦、鈮以細小的碳化物、氮化物的形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出。這些析出物與母相保持共格關系，使鋼強化。因此采用非調質鋼在性價比上遠遠優于調質鋼。下面對本說明書各幅附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明圖1為本發明中的C56E2控鍛控冷溫度變化曲線圖2為本發明中的C70控鍛控冷溫度變化曲線圖3為通過本發明的工藝方法獲得的C56E2零件的應力應變曲線圖4為通過本發明的工藝方法獲得的C70零件的應力應變曲線圖5為通過本發明的工藝方法獲得的C56E2的(X100)金相顯微圖6為通過本發明的工藝方法獲得的C56E2的(X500)金相顯微圖7為通過本發明的工藝方法獲得的C70的脫碳層顯微圖；圖8為采用本發明的工藝方法獲得的C56E2的芯部硬度分布圖。圖9為采用本發明的工藝方法獲得的C70的硬度分布圖。具體實施例方式下面對照附圖，通過對實施示例的描述，對本發明的具體實施方式如所涉及的材料成份、作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域的技術人員對本發明的發明構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。一、中高碳微合金非調質鋼的材料成份及相應性能指標本發明所提供的這種中高碳微合金非調質鋼，以Fe為主要成份，所述的中高碳微合金非調質鋼按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.520%0.730%;Si:《0.850%;Mn:0.40%0.90%;P《0.045%;S:《0.070%;Cr《0.250%;Mo^O.070%;Ni《0.30%;Cu《0.30%;Ah《0.050%，其特征在于所述的中高碳微合金非調質鋼還包括微量的V、Ti和Nb。下面是本發明采用微量的V、Ti和Nb的具體實施示例所述的V、Ti和Nb在總質量中的含量分別為V:0.060%0.220%;Ti:0.010%0.030%;Nb:0.020%0.030%。本發明的主要原理非調質鋼是在中高碳錳鋼的基礎上加入釩、鈦、鈮等微合金化元素，在加熱過程中溶于奧氏體中，因奧氏體中的釩、鈦、鈮的固溶度隨著冷卻而減小。微合金元素釩、鈦、鈮將以細小的碳化物、氮化物的形式在先析出的鐵素體和珠光體中析出。這些析出物與母相保持共格關系，使鋼強化。主要優勢是采用非調質鋼，代替傳統的調質熱處理鋼，可以取消調質(淬火及回火)工序，可以簡化生產工藝流程，提高材料利用率，改善零件質量，降低能耗和制造成本，同時還可以減小多次熱處理對零件的變形影響，取得調質鋼或超過它的性能。因此采用非調質鋼在性價上遠遠優于調質鋼。二、微合金非調質鋼C56E2(用于汽車上的零件)本發明提供的中高碳微合金非調質鋼，采用C56E2，是作為鍛件應用于汽車輪轂類鍛件的原材料，其形狀都屬于回轉體，保安件，其機械性能要求如下:l.抗拉強度大于900N/mm22.屈服點大于550N/mm23.延伸率大于12%4.斷面收縮率大于25%5.硬度HB265-300其產品要求及其特點晶粒度要求四級以上，在常規情況下，該類鍛件只有在調質(淬火+回火)的情況下，才能滿足其力學性能要求。但是，隨著微合金技術的發展，通過原材料的替代，選用微合金非調質鋼C56E2，通過合理的冷卻工藝，就能達到和超過調質鋼的機械性能要求，同時還降低了生產成本。對C56E2原材料的要求如下所述的中高碳微合金非調質鋼C56E2按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.520o/O0.730o/o;Si:《0.850%;Mn:0.40%0.90%;P《0.045%;S:《0.070%;Cr《0.25%;Mo《0.070%;Ni《0.30%;Cu《0.30%;Al:《0.010%。對其它成份的控制O《0.0015;As《0.04;Sn《0.03;Sb《0.005;Pb《0.002;Ca《0扁；H2《0細2。除了對材料成份的要求外，對原材料的其它要求為1、物理性能和機械性能RmN/mm2《859，HBW2.5/187.5《255。2、顯微組織未經處理鐵素體和細珠光體(允許有球狀滲碳體)。3、奧氏體晶粒度7級或更細，按DIN50601/ASTME112淬火法。由于非調質鋼的力學性能取決于基體顯微組織和析出相的強化，因此，在非調質鋼生產過程中，如何做到有效的控制其冷卻速度，同時保證零件各個部分冷卻均勻，得到符合要求的金相組織是關鍵。非調鋼的質鋼設計方案主要分為兩個部分即采用Nb、V、Ti、B等的微量合金化元素和控制加工熱處理及其冷卻控制工藝，其化學成分是微合金化非調質鋼性能的內在因素，而其合適的熱加工制定，即控制軋制(鍛造)、控制冷卻是保證性能的外部條件，也就是說非調質鋼成分設計確定以后，其性能是由熱加工條件調控決定的，這正是我們在生產中所要解決的問題。控軋控冷工藝，包括加熱溫度、終軋溫度、軋后冷卻速度、形變程度以及形變速率等對非調質鋼的強度、韌性有著顯著的影響。綜上所述，本發明提供了用于以上所述的微合金非調質鋼C56E2的控鍛一一控冷的工藝方法，所述的C56E2的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——墩粗——預鍛——終鍛——切邊——擠孔——鍛后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。該工藝采用的控溫爐，其內部結構分別有三組風機和三組加熱器。對于C56E2非調質鋼來說，其主要是得到鐵素體-珠光體組織。其加熱隨著溫度的升高，碳化物和氮化物按釩、鈮、鈦的順序逐漸溶入奧氏體中，奧氏體晶粒逐漸長大，這導致相變后珠光體百分數、珠光體團直徑和滲碳體片厚度增大，鐵素體晶粒尺寸減小。溶解在奧氏體中的微合金元素碳氮化物在冷卻過程中析出，因此隨著加熱溫度的升高，鋼的強度增加，塑性和韌性降低，韌脆轉變溫度升高。變形量和形變的速率增大能引起奧氏體晶粒更加脆化或者"拉長"，鐵素體百分素增加，鐵素體和珠光團尺寸減小，細小的組織使強度和韌性同時上升.但是在現實生產中，變形速率主要取決于設備，而變形量主要取決零件的復雜程度，對這些來說，其相對影響較小，較難改變。終軋溫度降低，奧氏體再結晶不充分或被抑制，轉變后組織為細小的鐵素體晶粒和珠光體。屈服強度和韌性提高。加工溫度和形變量即影響到再結晶和奧氏體尺寸，又影響到形變誘發析出程度，加工溫度過高，再結晶速度快，奧氏體晶粒過大，冷卻后強度升高，韌性下降；加工溫度低，再結晶驅動力小，并產生形變誘發析出，細化晶粒，強度提高，特別是韌性提高較大。在同一溫度下形變量增加，強度和韌性同時提高。珠光體和鐵素體非調質鋼的軋后冷卻方式影響微合金化元素化合物的析出沉淀強化及顯微組織轉變。冷卻過慢導致沉淀相和顯微組織粗化；熱加工后快冷，珠光體百分數增加，同時鐵素體晶粒尺寸、珠光體片間距和滲碳體片厚降低，強度和韌性均有提高；但冷卻過快會導致貝氏體出現，冷卻速度對析出強化的影響表現為冷卻速度增加，析出物彌散程度增大，但當冷卻速度超過一定值后，析出不充分，反而降低析出強化作用。合適的冷卻速度將得到細小彌散度較高的沉淀相和較細的鐵素體和珠光體軋后組織。總之，對于鐵素體-珠光體型非調質鋼，降低加熱溫度和終軋(鍛)溫度，增大變形量和形變速率、較快的冷卻速度均有利于提高強度和韌性。在所述的C56E2的控鍛——控冷的工藝方法的過程中，對于該工藝采用的控溫爐，其內部結構分別有三組風機和三組加熱器。如圖1所示，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝廿在鍛前加熱出爐時的溫度為1231°C;至lj0.25min，墩粗前的溫度為U5(TC;到0.53min，預鍛前的溫度為1090°C;到0.73min，終鍛后的溫度為IOI(TC;到0.90min，切邊前的溫度為960°C;到U7min，擠孔前的溫度為912'C;到1.30min，鍛后控冷入爐時的溫度為884°〇；到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為552°C;到7.30min，入料筐時的溫度為454°C。以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在士2(TC以內。采用上述工藝后的檢測結果-A、拉伸實驗檢測結果為(機械性能合格)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>B、金相檢測結果通過本發明的工藝方法獲得的C56E2的金相顯微圖如圖5和圖6所示。圖5為X100倍；圖6為X500。半脫碳層約0.07mm。金相組織鐵素體+珠光體；晶粒度6級。C、應力-應變曲線通過本發明的工藝方法獲得的C56E2零件的應力應變曲線圖如圖3所示。D、樣件芯部硬度-采用本發明的工藝方法獲得的C56E2的芯部硬度分布圖如圖8所示。各點的硬度分別為-a、HB290;b、HB285;c、HB272;d、HB292;e、HB285。三、微合金非調質鋼C70(用于汽車上的零件)本發明提供的中高碳微合金非調質鋼，采用C70，是作為鍛件應用于汽車發動機連桿的原材料，屬于保安件，其機械性能要求如下l.抗拉強度大于850N/mm22.屈服點大于550N/mm23.延伸率大于10%4.斷面收縮率大于20%5.硬度HB252-296其產品要求及其特點表面有脫碳要求，總脫碳層最大0.3mm，全脫碳層最大O.lmm。鍛件有重量公差要求3.714Kg士120g。鍛件尺寸精度要求較高。在常規情況下，該類鍛件只有在調質(淬火+回火)的情況下，才能滿足其力學性能要求。但是，隨著微合金技術的發展，通過原材料的替代，選用微合金非調質鋼C70，通過試驗，制定合理的控溫冷卻工藝，就能達到和超過調質鋼的機械性能要求，同時還降低了生產成本。對C70原材料的要求如下所述的中高碳微合金非調質鋼C70按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.670o/o0,730o/o;Si:0.450%0.850%;Mm0.40%0.70%;P《0.045%;S:《0.045%;Cr《0.20%;Mo《0.050%;Ni《0.200/o;Cu《0.200/o;Ah《0.010%。除了對材料成份的要求外，對原材料的其它要求為1、物理性能和機械性能無物理性能和機械性能要求。2、顯微組織原材料顯微組織應為珠光體和鐵素體。3、奧氏體晶粒度(GB/T6394):按我國標準方法測定，奧氏體晶粒度48級。5、非金屬夾雜物評級i氧化物(GB/T10561)《4級；ii硫化物(GB/T10561)《4級。本發明提供了用于以上所述的中高碳微合金非調質鋼的另一個控鍛——控冷的工藝方法，其發明目的與上述技術方案是相同的。所述的中高碳微合金非調質鋼為C70，所述的C70用于制造汽車發動機連桿類零件。其技術方案是如圖2所示，以上所述的C70的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——輥鍛——預鍛——終鍛——沖孔——切邊——鍛后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。該工藝采用的控溫爐，其內部結構分別有三組風機和三組加熱器。其控鍛、控冷的基本原理、要求如前所述。由于生產過程中，冷卻工藝受零件形狀的影響較大，其頭部和尾部的形變量不同，且冷卻速度也不均勻，通過反復的工藝試驗和驗證，得出其控溫冷卻曲線如圖2所示。g卩在所述的C70的控鍛——控冷的工藝方法的過程中，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝U:在鍛前加熱出爐時的溫度為1236°C;到0.25min，輥鍛時的溫度為1147°C;到0.53min，預鍛前的溫度為1093°C;到0.73min，終鍛后的溫度為1032°C;到0.90min，沖孔前的溫度為976。C;到1.17min，切邊前的溫度為93(TC;到1.30min,鍛后控冷入爐時的溫度為90rC;到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為580°C;到7.30min，入料筐時的溫度為431°C。以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在土2(TC以內。采用上述工藝后的檢測結果-A、拉伸實驗檢測結果為(機械性能合格)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>B、脫碳層檢測通過本發明的工藝方法獲得的C70的脫碳層顯微圖如圖7所示。C、應力-應變曲線-通過本發明的工藝方法獲得的C70零件的應力應變曲線圖如圖4所示。D、硬度采用本發明的工藝方法獲得的C70的硬度分布圖如圖9所示。硬度分別為HB263和HB267。上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。1權利要求1、一種中高碳微合金非調質鋼，以Fe為主要成份，所述的中高碳微合金非調質鋼按照在總質量的中的含量，包括以下成份C0.520％～0.730％；Si≤0.850％；Mn0.40％～0.90％；P≤0.045％；S≤0.070％；Cr≤0.250％；Mo≤0.070％；Ni≤0.30％；Cu≤0.30％；Al≤0.050％，其特征在于所述的中高碳微合金非調質鋼還包括微量的V、Ti和Nb。2、按照權利要求l所述的中高碳微合金非調質鋼，其特征在于所述的V、Ti和Nb在總質量中的含量分別為V:0.060%0.220%;Ti:0.010%0.030%;Nb:0.020%0.030%。3、一種用于權利要求1或2所述的中高碳微合金非調質鋼的控鍛——控冷的工藝方法，其特征在于:所述的中高碳微合金非調質鋼為C56E2，所述的C56E2用于制造輪轂類零件，所述的中高碳微合金非調質鋼C56E2按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.520%0.730%;Si:《0.850%;Mn:0.40%0.90%;P《0.045%;S:《0.070%;Cr《0.25%;Mo《0.070%;Ni《0.30%;Cu《0.30%;Al:《0.010%;所述的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——墩粗——預鍛——終鍛——切邊——擠孔——鍛后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。4、按照權利要求3所述的控鍛——控冷的工藝方法，其特征在于在所述的控鍛——控冷的工藝方法的過程中，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝IJ:在鍛前加熱出爐時的溫度為123rc;到0.25min，墩粗前的溫度為1150°C;到0.53min，預鍛前的溫度為1090°C;到0.73min，終鍛后的溫度為1010°C;到0.90min，切邊前的溫度為960°C;到1.17min，擠孔前的溫度為912°C;到1.30min，鍛后控冷入爐時的溫度為884°C;到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為552°C;到7.30min,入料筐時的溫度為454°C;以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在土20。C以內。5、一種用于權利要求1或2所述的中高碳微合金非調質鋼的控鍛——控冷的工藝方法，其特征在于所述的中高碳微合金非調質鋼為C70，所述的C70用于制造汽車發動機連桿類零件，所述的中高碳微合金非調質鋼C70按照在總質量的中的含量，包括以下成份C:0.670%0.730%;Si:0.450%0.850%;Mn:0.400/00.70%;P《0.045%;S:《0.045%;Cr《0.20%;Mo《0.050%;M《0.20%;Cu《0.20%;Al:《0.010%;所述的控鍛——控冷的工藝方法包括以下過程鍛前加熱——鍛前加熱出爐——輥鍛——預鍛——終鍛——沖孔——切邊——^IS后控冷入爐——鍛后控冷——鍛后控冷出爐——入料筐。6、按照權利要求5所述的控鍛——控冷的工藝方法，其特征在于在所述的控鍛——控冷的工藝方法的過程中，所述的零件溫度與時間的關系為以鍛前加熱出爐為時間起點，貝lj:在鍛前加熱出爐時的溫度為1236t:;到0.251^11，輥鍛時的溫度為1147°C;到0.53min，預鍛前的溫度為1093°C;至"0.73min，終鍛后的溫度為1032°C;到0.90min，沖孔前的溫度為976°C;到1.17min，切邊前的溫度為930°C;到1.30min，鍛后控冷入爐時的溫度為90rC;到5.30min，鍛后控冷出爐時的溫度為580°C;到7.30min，入料筐時的溫度為431°C;以上所述的各時段的零件溫度，其偏差控制在士20。C以內。全文摘要本發明公開了中高碳微合金非調質鋼的成份，所述的中高碳微合金非調質鋼包括微量的V、Ti和Nb；所述的V、Ti和Nb在總質量中的含量分別為V0.060％～0.220％；Ti0.010％～0.030％；Nb0.020％～0.030％。本發明還公開了所述的微合金非調質鋼的控鍛——控冷的工藝方法，例如它包括以下過程鍛前加熱、鍛前加熱出爐、墩粗、預鍛、終鍛、切邊、擠孔、鍛后控冷入爐、鍛后控冷、鍛后控冷出爐、入料筐。采用上述技術方案的目的是在鍛造的過程中，通過控溫冷卻的方法，不需要經過后續熱處理即能生產出滿足力學性能的產品。文檔編號C22C38/14GK101492787SQ200910116288公開日2009年7月29日申請日期2009年3月5日優先權日2009年3月5日發明者孟江峰申請人:蕪湖三聯鍛造有限公司