一种非调质合金结构用钢及其制造方法与流程

0.04％、y：0.02-0.05％、mg：0.001-0.004％，余量为fe和其他不可避免的杂质。
12.在本发明所述的技术方案中，其采用了微合金添加设计，在原来添加v的情况下，通过添加适量y(钇)和mg等，提高非调质合金结构用钢的强度，材料成本相对较低且最终得到非调质合金结构用钢性能优异。在本发明所述的非调质合金结构用钢中，各化学元素的设计原理具体如下所述：
13.c：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，c元素主要影响碳化物的析出量和析出温度范围，在钢中控制较低的c含量有利于改善钢的力学性能。此外，需要说明的是，c元素也具有一定的强化作用，钢中含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低，过高的碳含量会降低材料的耐蚀性能。此外，需要注意的是，钢中含碳量对于钢板的冷塑性变形性能影响是很大的。基于此，为了兼顾本发明非调质合金结构用钢的力学性能和冲击韧性，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，将c的质量百分比控制在0.05-0.12％之间。
14.si：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，si是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。钢中添加适量的硅，不仅对钢材的综合力学性能，特别是弹性极限十分有利，还可以增加钢的耐蚀性。但是，需要注意的是，钢中硅含量过高，会对降低钢材的塑性有很大的影响，钢中会急剧形成非金属夹杂物。高硅钢即使退火，也不会软化，降低钢的冷塑性变形性能。基于此，在本发明所述的非调质合金结构用钢中将si的质量百分比控制在1.0-1.5％。
15.mn：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，mn是较弱的奥氏体化合金元素，mn在钢的冶炼中可以与氧化铁作用形成氧化锰和铁，其主要是为钢脱氧而加入。同时，mn在钢中可以与硫化铁作用形成硫化锰和铁，能减少硫对钢的有害作用，反应形成的硫化锰，可以有效改善钢的切削性能。mn元素可以使钢的抗拉强度σ
b
和屈服强度σ
s
有所提高，但会使钢的塑性有所降低，对于钢的冷塑性变形是不利的。但是mn对钢的冷塑性变形性能的影响仅为c元素的1/4左右。基于此，综合考虑mn元素对钢的性能改善效果以及不利影响，在本发明所述的非调质合金结构用钢中将mn的质量百分比控制在1.5-2.0％之间。
16.v：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，v与碳和氧有极强的亲和力，可形成相应的稳定化合物。v在钢中主要以碳化物形式存在，其可以起到细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性的作用。当在高温溶入固溶体时，可以增加钢的淬透性；反之，若v以碳化物形式存在时，会降低钢的淬透性。v可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应，v在普通低碳合金钢中可以细化晶粒，提高正火后的强度和屈服比及低温特性，改善钢的焊接性能。由于v元素在合金结构钢中，在一般热处理条件下会降低钢的淬透性，因此，在结构钢中，v常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。基于此，在本发明所述的非调质合金结构用钢中将v的质量百分比控制在0.01-0.04％之间。
17.在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，v的质量百分比可以控制在0.01-0.03％之间。
18.al：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，al主要通过控制钢中氧含量影响位错行为从而实现强化合金钢。需要说明的是，增加钢中al元素的总量可以明显地提高固溶温度、力学性能，但会有损钢的塑性。al元素有利于钢的延伸变形性能，改善钢的加工性能。但是，钢中al元素含量不宜过高，过高的铝含量会降低钢的冲击韧性。基于此，在本发明所述的非调质合金结构用钢中控制al的质量百分比为al：0.018％-0.04％。
19.y：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，y元素可以在高温下的钢铁液中与s、
0、p、c和n等元素作用而生成ys、y
203
、yp、yc、yn等化合物，其可以有效提高钢铁的使用性能。y元素还可以与夹杂物al2o3、mns相互反应而生成y2o3和ys，而al2o3、mns置换为mn和al，从而使钢铁的综合性能提高。在某些高合金钢中，例如不锈钢，添加适量y元素，可以改善钢的热塑性，提高钢的加工性能。基于此，在本发明所述的非调质合金结构用钢中控制y的质量百分比在0.02-0.05％之间。
20.在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，y的质量百分比可以控制在0.025-0.045％之间。
21.mg：在本发明所述的非调质合金结构用钢中，mg是一种十分活泼的金属元素，mg与o、n和s都有很强的亲和力。因此，mg在钢铁冶炼中是一种良好的脱氧和脱硫剂，同时也是铸铁良好的球化剂。但需要注意的是，mg元素很难溶解于铸铁的基体中，其主要以化合物mgs、mgo、mg3n2、mg2si等状态存在。mg和c也可以形成一系列的化合物，例如mgc2、mg2c3等。基于此，在本发明所述的非调质合金结构用钢中控制mg的质量百分比在0.001-0.004％之间。
22.在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，mg的质量百分比可以控制在0.001-0.0025％之间。
23.需要说明的是，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，钢中还可以含有其它含量微小的合金元素，例如铬(cr)、钼(mo)和镍(ni)等，其均作为残余元素存在，对本技术方案所述的钢种影响不大。
24.与现有技术中相关的典型钢种相比，本发明的非调质合金结构用钢中，添加少量的y(钇)元素，部分y会固溶在钢中，其可以与c、n元素结合形成yc、yn质点，这些质点在钢中有利于细化晶粒、改善强度和塑性。同时，y能还原钢中部分al2o3和mns夹杂物，形成少量y2o3和ys等细小质点，从而改善钢的力学性能。此外，在本发明的非调质合金结构用钢中，还添加了微量的mg元素，从而形成mgo、mgs等细小质点，可显著细化晶粒，改善钢的强度和塑性。
25.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其还含有具ce、hf、la、re、sc的至少其中之一，其总质量百分含量≤1％。
26.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其各化学元素的质量百分比满足下列各项的至少其中之一：
27.v：0.01-0.03％；
28.y：0.025-0.045％；
29.mg：0.001-0.0025％。
30.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，各化学元素满足下述各式的至少其中之一：
31.y/v＝0.6-4.5；
32.y/c＝0.2-1.0。
33.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，在其他不可避免的杂质中：p≤0.025％，s≤0.0015％，n≤0.005％，o≤0.0015％。
34.上述方案中，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，p、s、n和o均为钢中杂质元素。其中，p和s会严重影响低温用钢的力学性能和加工性能，必须严格控制。钢中的s在冷镦时会使金属的结晶颗粒彼此分离引起裂纹，硫的存在还促使钢产生热脆和生锈。此外，p元
素的固溶强化及加工硬化作用极强，在钢中偏析严重，增加了钢的冷脆性，使钢容易受酸的侵蚀，钢中的磷还会恶化冷塑性变形能力，在拉拔时会使线材断裂，冷镦时使产品开裂。因此，在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，还可以控制p≤0.010％，s≤0.0005％。
35.相应地，杂质元素o在本发明中主要以氧化物夹杂存在，总氧含量高表明夹杂物较多。降低总氧含量有利于提高材料的综合性能。控制o≤0.0015％可保证调质合金结构用钢的良好力学和耐蚀性能。另外，n是稳定奥氏体元素，控制较低的n含量有利于改善该钢的冲击韧性，钢中n含量过高会导致韧性和延展性减少并且减少钢的可热加工性。
36.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，各化学元素满足下述各式的至少其中之一：
37.y/n＝6-11；
38.mg/o＝1-3；
39.mg/s＝1-10。
40.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其微观组织为铁素体+珠光体。
41.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其具有细小的质点，所述质点包括下述各项的至少其中之一：yc、yn、y2o3、ys、mgo和mgs。
42.在本发明的非调质合金结构用钢中，钢中添加了适量的y元素，部分y会固溶在钢中，部分y可以与c、n结合形成yc和yn质点，这些质点不仅固化了钢中的部分n，减少了固溶n含量，还可以起到细化晶粒、改善力钢的学性能和冲压性能的作用。同时，y元素能够还原钢中部分al2o3、mns夹杂物，形成少量y2o3以及ys等细小质点(比al2o3、mns夹杂物尺寸更小)，从而改善钢的力学性能，减少钢中al2o3、mns类夹杂物。
43.此外，在本发明的非调质合金结构用钢中，还加入了适量的mg元素，其在钢液冷凝过程中能形成mgo和mgs等质点，这些质点既能起到细化、稳定奥氏体晶粒的作用，又能降低o和s对于晶界的危害作用，改善合金结构用钢的塑性。
44.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，所述质点的直径为0.1-5μm；并且/或者所述质点的总数量为9～35个/mm2。
45.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其中yc、yn质点的数量为6-20个/mm2。
46.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其中mgo、mgs质点的数量为3-15个/mm2。
47.进一步地，在本发明所述的非调质合金结构用钢中，其性能满足下述各项的至少其中之一：屈服强度≥415mpa；抗拉强度≥655mpa；延伸率≥31％；断面收缩率≥43％。
48.相应地，本发明的另一目的在于提供上述的非调质合金结构用钢的制造方法，该制造方法生产方便简单，采用该制造方法制得的非调质合金结构用钢具有极为优异的力学性能，其屈服强度≥415mpa，抗拉强度≥655mpa，延伸率≥31％，断面收缩率≥43％。
49.为了实现上述目的，本发明提出了上述的非调质合金结构用钢的制造方法，其包括步骤：
50.(1)冶炼；
51.(2)大方坯连铸；
52.(3)热轧，其包括初轧开坯和二次轧制成材；
53.(4)淬火+回火。
54.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，进行电炉或转炉冶炼，然后进行lf和rh/vd精炼，其中在rh/vd精炼末期加入钇铁合金和镁铝合金，进行吹氩气的软搅拌，控制氩气流量为5-8l/min。
55.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制连铸的拉速为0.45-0.85m/min；并且/或者采用结晶器电磁搅拌，电流为500-700a，频率为2.5-3.5hz，连铸后的大方坯等轴晶比例≥25％。
56.上述技术方案中，大方坯连铸后还可以经过表面精整修磨，去除可见的表面缺陷，保证表面质量良好。
57.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，初轧开坯的轧制温度为1150～1250℃；二次轧制成材的轧制温度为1150-1250℃。
58.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，淬火加热温度为855-890℃，冷却速度为50-90℃/s；并且/或者回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min。
59.上述技术方案中，在步骤(4)中，控制淬火加热温度为855-890℃，控制冷却速度为50-90℃/s，冷却剂可以采用矿物油；控制回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min，冷却剂可以采用矿物油或者水。本发明所述制造方法经过二次热轧成钢材后，通过控制淬火和回火工艺参数，使热轧钢材获得良好的力学性能，有利于改善钢板的室温力学性能和冲击韧性，获得综合性能满足要求的热轧产品。
60.本发明所述的非调质合金结构用钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
61.本发明所述的非调质合金结构用钢采用了微合金添加设计，在原来添加v的情况下，通过添加适量y和mg元素，在冷却凝固过程中能促使在合金中形成少量的yc、yn、y2o3、ys、mgo、mgs质点。上述质点可以起到细化、稳定奥氏体晶粒的作用，同时，减少了al2o3和mns夹杂物的有害作用，有效强化了钢的强度和塑韧性，提高了钢的力学性能。
62.该非调质合金结构用钢微观组织为铁素体+珠光体，晶粒比现有钢种较细，其屈服强度≥415mpa，抗拉强度≥655mpa，延伸率≥31％，断面收缩率≥43％，具有优异的力学性能。
63.本发明所述的制造方法生产工艺简单，所获得的非调质合金结构用钢适用性十分广泛，在螺钉，销钉，螺母等标准件生产值中具有较好的应用前景，可以泛用于汽车、造船、设备制造、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。
具体实施方式
64.下面将结合具体的实施例对本发明所述的非调质合金结构用钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
65.实施例1-6以及对比例1-3
66.实施例1-6的非调质合金结构用钢采用以下步骤制得：
67.(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼：进行电炉或转炉冶炼，然后进行lf和rh/vd精炼，其中在rh/vd精炼末期加入钇铁合金和镁铝合金，进行吹氩气的软搅拌，控制氩气流量为5-8l/min。
68.(2)大方坯连铸：控制连铸的拉速为0.45-0.85m/min；采用结晶器电磁搅拌，电流为500-700a，频率为2.5-3.5hz，连铸后的大方坯等轴晶比例≥25％，大方坯连铸后需经过表面精整修磨，去除可见的表面缺陷。
69.(3)热轧：其包括初轧开坯和二次轧制成材，初轧开坯的轧制温度为1150～1250℃；二次轧制成材的轧制温度为1150-1250℃。
70.(4)淬火+回火：淬火加热温度为855-890℃，冷却速度为50-90℃/s；回火加热温度为645-670℃，冷却速度为50-90℃/min。
71.需要说明的是，本发明实施例1-6的非调质合金结构用钢的化学成分设计以及相关工艺参数均符合本发明设计要求。但是，本发明对比例1-3则仅采用传统钢种成分，其具体制造工艺参数也与实施例1-6存在明显区别。
72.表1-1列出了实施例1-6的非调质合金结构用钢以及对比例1-3的对比钢的各化学元素的质量百分配比。
73.表1-1.(wt％，余量为fe和除了p、s、n以及o以外的其他不可避免杂质)
[0074][0075][0076]
表1-2列出了实施例1-6的非调质合金结构用钢以及对比例1-3的对比钢中的化学元素协同关系。
[0077]
表1-2.
[0078]
编号y/vy/cy/nmg/omg/s实施例130.662.852.67实施例210.33102.52.5实施例31.50.57.52.674.0实施例41.330.36103.332.5实施例50.670.256.672.783.57实施例620.4101.112对比例100000对比例200000对比例300000
[0079]
表2-1以及表2-2列出了实施例1-6的非调质合金结构用钢以及对比例1-3的对比钢的具体工艺参数。
[0080]
表2-1.
[0081][0082]
表2-2.
[0083][0084]
将制得的25mm厚度的实施例1-6的非调质合金结构用钢以及对比例1-3的对比钢进行各项性能测试，实验中取30个平均值计算最终测试结果，所得的测试结果列于表3中。表3列出了实施例1-6的非调质合金结构用钢以及对比例1-3的对比钢的力学性能测试结果。
[0085]
表3.
[0086][0087]
由表3可以看出，相较于对比例1-3的对比钢，本发明各实施例的性能更优，实施例1-6的非调质合金结构用钢的屈服强度均≥415mpa，抗拉强度均≥655mpa，延伸率均≥31％，断面收缩率均≥43％，具有十分优异的力学性能。
[0088]
此外，本发明实施例1-6的非调质合金结构用钢微观组织为铁素体+珠光体，在冷却凝固过程中能促使在合金钢中形成少量的yc、yn、y2o3、ys、mgo和mgs质点，其中质点的直径为0.1-5μm，质点的总数量约为9～35个/mm2。在各实施例的质点中，yc、yn质点的数量约为6-20个/mm2，mgo、mgs质点的数量约为3-15个/mm2。
[0089]
综上所述可以看出，本发明所述的非调质合金结构用钢采用了微合金添加设计，在原来添加v的情况下，通过添加适量y和mg元素，在冷却凝固过程中能促使在合金中形成少量的yc、yn、y2o3、ys、mgo、mgs质点。上述质点可以起到细化、稳定奥氏体晶粒的作用，同时，减少了al2o3和mns夹杂物的有害作用，有效强化了钢的强度和塑韧性，具有优异的力学性能。
[0090]
本发明所述的制造方法生产工艺简单，所获得的非调质合金结构用钢适用性十分广泛，在螺钉，销钉，螺母等标准件生产值中具有较好的应用前景，可以泛用于汽车、造船、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。
[0091]
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本技术文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
[0092]
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0093]
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。