一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法。

背景技术

随着我国汽车工业的飞速发展，以及全球节能减排的持续推进，国内外大力推进新能源汽车的研发和推广，作为新能源汽车的核心部件，电池包的安装固定可采用多块金属隔板/盖板，也可以采用长杆螺栓进行紧固。但是与金属隔板、盖板相比，使用长杆螺栓固定可以大幅减轻重量，因此长杆螺栓的开发更加符合绿色节能和电动汽车轻量化的需求。

长杆螺栓生产制造流程—般为：盘条—球化退火—酸洗—冷拔—冷镦—调质—表面处理。然而，传统长杆螺栓在调质处理过程中不可避免会面临以下几个问题：

1）长杆螺栓的调质热处理无法使用网带炉，只能采用箱式电阻炉，生产周期长、能耗高，造成生产效率低、制造成本高；

2）淬火将导致长杆螺栓变形，需要增加矫直处理，且直线度不能得到保证；

3）除调质外还需进行球化退火处理，多次热处理不仅消耗大量能源资源，污染环境，而且容易产生变形、开裂、脱碳等产品缺陷，质量风险髙。

为了解决上述问题，采用非调质钢生产长杆螺栓成为首选。非调高强热轧螺栓用钢不仅性能优于常规的调质型高强螺栓用钢，制造高强度螺栓产品可省去钢材冷拔前的退火处理、冷拔工工序和螺栓成形后的调质处理，节约制造大量成本，在很大程度上简化了生产工序，短了生产周期，降低了能源消耗。同时解决了深加工螺栓冲头过程中强度高、磨具耗大和易开裂等问题。满足未来可持续发展，低能耗、低污染和高性能的钢材成为发展的方向，深加工行业逐渐向高效率低成本和加工流程减量化的方向快速发展，适应了新流程的新材料开发方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决常规长杆螺栓钢调质生产工序复杂和成本高等问题，本发明提供了一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢及其制备方法。根据材料对强韧性、疲劳寿命的特殊要求，设计了锰、钒、铌、氮元素的合理配比，并对残余元素进行了严格控制，保证了非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢具有良好的综合性能，为保证螺栓使用过程的强韧性，在精炼过程中加入V元素；为保证螺栓钢的纯净度，提高螺栓的疲劳寿命，严格控制钢中的硅元素含量（Si≤0.10%），对转炉和精炼脱氧、软吹工序进行合理控制，降低夹杂物含量；为保证钢材细小的奥氏体晶粒度，本发明通过V的微合金化，并将Al/N控制在≥2.0，通过均质化加热、高轧制比、TMCP轧制技术控制，保证GF20Mn2V钢具有优良的组织均匀性。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢，其化学成分及其质量百分比为：C：0.16wt%~0.22wt%，Si≤0.10wt%，Mn：1.70wt%~2.40wt%，P≤0.025wt%，S≤0.025wt%，V：0.08wt%~0.15wt%，Al：0.025wt%~0.035wt%，N：0.010wt%~0.015wt%，H≤0.00025wt%，O≤0.0020wt%，其余为Fe及不可避免的杂质。

GF20Mn2V钢属于低碳铁素体+珠光体型非调质高强度螺栓用钢。化学成分设计要点：

（1）、在满足强度要求的前提下，较低的碳含量可以得到良好的拉拔、冷镦性能；

（2）、硅在受力结构钢中极易氧化，当氧从表面侵入时，晶界或晶粒附近的硅比其他元素优先扩散到晶界，与固溶在表面的微量氧在晶界结合形成氧化物，并呈网状分布，硅的内氧化物降低了零件表面强度和疲劳强度，会导致应力分布不均，弱化晶界增加了零件断裂的可能性，故尽量减少硅含量，采用低硅的化成成分设计，减少内氧化对高强螺栓钢的危害；

（3）、利用锰细化铁素体晶粒、珠光体团和珠光体片间距来提高非调质冷镦钢的强韧性，但是过多增加锰的质量分数会导致珠光体的增多，降低钢的韧性，且锰质量分数过高时，会促进贝氏体的生成；

（4）、钒作为重要的微合金元素，在钢中形成的V（C，N）析出可抑制再结晶，起到细晶强化作用，在铁素体中弥散的V（C，N）可提高钢的强度，碳氮化物粒度越小，析出强化效果越强；

（5）、铝和氮作为显著细化晶粒的元素，在钢中主要以氮化铝析出物的形式存在，可有效阻止其晶粒长大，保证晶粒度细小而均匀，进一步提高螺栓的使用寿命；

（6）、氧在钢材中主要以氧化物夹杂和部分固溶氧形式存在，通过氧含量的控制，保证钢材高的纯净度，通过精炼过程良好的脱氧工艺，保证氧含量不大于20ppm。

一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法，包括以下步骤：

S1、转炉冶炼：

S1-1、合金及渣料准备：按照非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比称取原料，其中Fe-Mn合金、Fe-Si合金的烘烤温度≥350℃，碳粉水份≤0.5wt%，钢芯铝干燥不潮湿；造渣材料要求干燥、水份检验合格；

S1-2、铁水装炉制度：铁水：85t±1t，废钢+生铁：14t~15t，总装入量：100t±2t；扒渣率100%，铁水温度T≥1250℃；

采用双渣法冶炼：开吹时加入球团500Kg~800Kg，吹炼过程氧压控制在0.78MPa~0.82MPa；吹炼3min~5min时进行倒渣，加入第二批渣料；

S1-3、出钢温度T：1640±10℃，并根据出钢口、包况、生产节奏调整，确保LF到站温度≥1550℃，出钢成分：0.08wt%≤[C]≤0.15wt%，[P]≤0.015wt%；

S2、LF炉外精炼：

将步骤S1制得的铁水加入LF炉精炼，然后加入CaO、萤石调渣，总渣量控制在2%以内，待化渣良好、渣变白，并且给电时间≥10min、钢水温度≥1560℃时钢水取样，根据钢水取样结果，按GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比要求进行微调，采用少量多次的加入方法微调铁水中的化学成分，每次补加合金量小于100Kg，精炼时间不小于70min；

S3、控氮：LF炉外精炼后当铁水温度≥1580℃时吹入氮气，软吹时间≥20min，软吹期间氮气压力不大于0.2MPa，软吹时禁止调成分以及剧烈的氮气搅拌操作；

S4、连铸浇注：连铸浇注过热度控制在20℃~35℃，并且连铸浇注过程中采用电磁搅拌；

S5、连铸坯分段加热：预热段加热温度为850℃~950℃，加热段加热温度为1120℃~1180℃，均热段加热温度为1100℃~1160℃，连铸坯总加热时间≥2.5h；

S6、高压除鳞：采用单道次多喷头喷水，开轧温度1000℃~1040℃，吐丝温度890℃~930℃，保证除鳞率≥95%，制得非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢。

进一步地，在所述步骤S1中，转炉冶炼终渣的MgO含量为8wt%-10wt%。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、本发明提供的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢以C、Mn元素为基础，合理搭配少量V、Nb等元素设计，化学成分设计合理，非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢在强韧性、成型性及疲劳性能方面综合性能优良，完善了新能源用高强非调钢材料体系；

2. 本发明提供的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢免去了下游用户拉拔、调质工序，减少了生产成本和生产周期，更加符合绿色节能以及电动汽车轻量化的需求。

3、本发明采用转炉+LF +连铸连轧的通用性生产工艺流程，经过各工序工艺优化后进行生产，可实现批量稳定生产及生产工艺的推广应用。

附图说明

图1为非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢奥氏体晶粒图；

图2为非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢微观组织形貌图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

一种非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的制备方法，包括以下步骤：

S1、转炉冶炼：

S1-1、合金及渣料准备：非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.16wt%~0.22wt%，Si≤0.10wt%，Mn：1.70wt%~2.40wt%，P≤0.025wt%，S≤0.025wt%，V：0.08wt%~0.15wt%，Al：0.025wt%~0.035wt%，N：0.010wt%~0.015 H≤0.00025wt%，O≤0.0020wt%，其余为Fe及不可避免的杂质。按照非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比称取原料，其中Fe-Mn合金、Fe-Si合金的烘烤温度≥350℃，碳粉水份≤0.5wt%，钢芯铝干燥不潮湿；造渣材料要求干燥、水份检验合格；

S1-2、铁水装炉制度：铁水：85t±1t，废钢+生铁：14t~15t，总装入量：100t±2t；扒渣率100%，铁水温度T≥1250℃；

采用双渣法冶炼：开吹时加入球团500Kg~800Kg，吹炼过程氧压控制在0.78MPa~0.82MPa；吹炼3min~5min时进行倒渣，加入第二批渣料；

S1-3、出钢温度T：1640±10℃，并根据出钢口、包况、生产节奏调整，确保LF到站温度≥1550℃，出钢成分：0.08wt%≤[C]≤0.15wt%，[P]≤0.015wt%；转炉冶炼终渣的MgO含量为8wt%-10wt%；

S2、LF炉外精炼：

将步骤S1制得的铁水加入LF炉精炼，然后加入CaO、萤石调渣，总渣量控制在2%以内，待化渣良好、渣变白，并且给电时间≥10min、钢水温度≥1560℃时钢水取样，根据钢水取样结果，按GF20Mn2V钢的化学成分及其质量百分比要求进行微调，采用少量多次的加入方法微调铁水中的化学成分，每次补加合金量小于100Kg，精炼时间不小于70min；

S3、控氮：LF炉外精炼后当铁水温度≥1580℃时吹入氮气，软吹时间≥20min，软吹期间氮气压力不大于0.2MPa，软吹时禁止调成分以及剧烈的氮气搅拌操作；

S4、连铸浇注：连铸浇注过热度控制在20℃~35℃，并且连铸浇注过程中采用电磁搅拌；

S5、连铸坯分段加热：预热段加热温度为850℃~950℃，加热段加热温度为1120℃~1180℃，均热段加热温度为1100℃~1160℃，连铸坯总加热时间≥2.5h；

S6、高压除鳞：采用单道次多喷头喷水，开轧温度1000℃~1040℃，吐丝温度890℃~930℃，保证除鳞率≥95%，制得非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢。

将本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢与20MnTiB钢进行特性对比检测，具体检测项目包括：非金属夹杂物，轧材奥氏体晶粒等级，力学性能，显微组织。

（1）非金属夹杂物对比：

非金属夹杂物测试方法为：分别取不同炉号的正常冶炼炉中冶炼的GF20Mn2V钢液和20MnTiB钢液，检测钢液中非金属夹杂物A、B、C、D类和DS，具体检测数据如表1所示。

（2）奥氏体晶粒等级对比：

测试GF20Mn2V钢和20MnTiB钢轧材奥氏体晶粒等级，本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢的奥氏体晶粒均匀：奥氏体晶粒等级≥9.0级，横截面奥氏体晶粒极差≤1.0级，较20MnTiB钢整体提高1级，奥氏体晶粒形貌如图1所示，晶粒度检测数据如表2所示。

（3）力学性能对比：

对GF20Mn2V钢和20MnTiB钢的力学性能进行测试，本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢热轧态抗拉强度Rm≥900MPa（平均Rm=920 MPa），屈服强度Rel:580MPa~650MPa。热轧钢坯直接经过冷镦后抗拉强度Rm从900MPa提高到1500MPa，总伸长率Agt：10％~15％，拥有较高的应变硬化能力，较20MnTiB钢调质后平均提高200MPa，力学性能指标较20MnTiB钢整体提升，综合性能提高明显，具体检测数据见表3。

（4）显微组织对比：

如图2所示，对本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢轧材的微观组织形貌进行观察，钢的组织为铁素体+珠光体组织，且组织均匀。

将本具体实施方式中生产的非调质高强度螺栓用GF20Mn2V钢用于新能源汽车的核心部件电池包的安装固定，保证性能要求的同时大幅减轻重量，符合绿色节能以及电动汽车轻量化的需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。