一种高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢及其制备方法

技术领域

本发明属于非调质钢技术领域，特别涉及一种高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢及其制备方法。

背景技术

非调质钢是在中、高碳钢基础上添加一定量的微合金元素，通过控轧（锻）控冷，使之在轧制（锻造）后不经调质工艺，即可达到与调质钢相当力学性能的钢种。使用节能减排且成本更低的非调质钢代替调质钢已成为当下钢铁产业的重要趋势。非调质钢的研发和使用可以使钢铁生产过程中的能源利用和污染控制技术进一步得到发展，对促进钢铁产业转型升级有着重要的指导意义，必将掀起节能减排的潮流。

先进工业国家发展非调质钢起步较早，品种不断优化，强韧化水平不断提高。我国在非调质钢的研究中，对象和目标受局限较大，虽然已实现部分牌号非调质钢的研发与应用，但其整体强韧化水平明显落后于欧美，开展其基础研究将推动行业的进一步提升。中碳非调质钢中，Ti元素的加入可以使得成本进一步降低，有十分广阔的市场前景，但是Ti的化学性质比较活泼，高温时会生成液析TiN和一些较为粗大的含Ti夹杂物，对钢的性能产生不利影响。而Zr作为与Ti同族且相邻元素，与Ti有着相近的物理及化学性质，可以细化和变质Ti钢中夹杂物，Zr元素最初用于炼钢过程中的脱氧和改性硫化物，而现代炼钢技术中更加重视其作为微合金元素的添加，形成碳氮化物，进行析出沉淀，探究Ti，Zr复合微合金化的应用为非调质钢实现强韧化匹配提供了新思路。

当前有相关专利着眼于非调质钢微合金化设计，如公开号CN106119711A公开了一种V-Ti微合金化非调质钢棒材及其制造方法，通过添加V：0.05～0.30%，Ti：0.010～0.060%，并控制N：0.010～0.035%，使抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥640MPa；公开号CN111748751A公开了一种多种元素复合添加的非调质钢，包括V、Nb、Ti、Ni、Mo、N等元素，其抗拉强度900～1150MPa，屈服强度≥600MPa，冲击功A

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢及其制备方法，能够在降低成本的同时提升其强韧化匹配。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢，包括以下成分：C：0.40～0.48%；Si：0.20～0.60%；Mn：1.20～1.60%；Ti：0.010～0.020%；Zr：0.005～0.020%；P≤0.025%；S≤0.015%；N：0.010～0.025%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

优选的，本发明所述高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢，各化学组分质量百分比为：C：0.43～0.46%；Si：0.30～0.45%；Mn：1.20～1.30%；Ti：0.015～0.018%；Zr：0.008～0.012%；P≤0.010%；S≤0.005%；N：0.013～0.018%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中，所述连铸坯加热时间为3～4h，均热温度为1150～1200℃；所述粗轧开轧温度为1150～1200℃，所述精轧开轧温度为900～1000℃。

本发明所述高强韧中碳铁素体-珠光体型非调质钢中各个合金元素及具体含量的作用如下：

C：对钢的强度、硬度影响最大，但要控制含量，否则会严重影响钢的塑、韧性。中碳非调质钢的C含量一般不允许超过0.5%，本申请中的铁素体-珠光体非调质钢的C含量为0.40%～0.48%，其中，C含量可以为0.40%、0.41%、0.42%、0.43%、0.44%、0.45%、0.46%、0.47%、0.48%。

Mn是中碳非调质钢的最主要元素之一，钢中添加适量的Mn，对非调质钢的强度和韧性均起有利的作用。但应注意的是，Mn含量不宜过高，否则会在淬火组织中产生贝氏体而恶化钢的塑、韧性，中碳非调质钢的Mn含量一般不超过1.5%，本发明设计钢的Mn含量为1.20%～1.60%。

Si在钢中全部以固溶体的形式存在，是重要的铁素体强化元素，同C元素一样，过量的Si会严重降低钢的韧性，设计钢的Si含量应为0.20%～0.60%。

Ti在钢中固溶度较低，易在奥氏体中析出，钉扎在晶界处，阻止晶粒长大和再结晶，可以起到细化晶粒作用；Ti还是钢中强脱氧剂，能使钢内部组织致密，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能；另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高高温强度。本发明设计钢的Ti含量为0.010%～0.020%。

Zr与S、N的结合力强于Ti，可降低高温阶段Ti的损失，降低Ti、C在铁素体中的活度，提高其在奥氏体中的固溶度，Zr可作为钢的辅助元素，可充分利用Ti的作用。本发明设计钢的Zr元素含量为0.005%～0.020%。

对于中碳非调质钢，S在钢中易于偏析，恶化钢的质量，对于轴杆类零件，S含量高，会影响后期镀层加工质量，因此，设计钢的S含量控制为≤0.015%。

P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在高温加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。因此，设计钢的P含量控制为≤0.025%。

本发明技术方案具有以下有益技术效果：

1、本发明的化学成分设计充分考虑在未采用V微合金元素的前提下，通过基础元素和微合金元素Ti、Zr的添加，提升其强韧化水平。与Ti类似，Zr也能够在高温阶段与N化合形成弥散细小的ZrN，并且其颗粒尺寸不大于100nm。Zr的加入减少了高温阶段Ti元素的损耗，避免Ti元素生成大尺寸TiN，轧制过程可起到增加位错、细化晶粒的作用，保留下来的大部分Ti及部分Zr在后续相变过程及相变后析出强化软相铁素体。生产方法具有控制简单、制造成本低、可操作性强等优点。

2、本发明提供的非调质钢具有优异的力学性能，抗拉强度达900～950MPa，断面收缩率达55～60%，U型缺口冲击值达60～70J；显微组织为铁素体+珠光体，组织均匀细小且均匀性较好，棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。

附图说明

图1为本发明实施例1非调质钢光学显微组织图片。

图2为本发明实施例1非调质钢晶粒度统计图。

图3为本发明实施例2非调质钢光学显微组织图片。

图4为本发明实施例2非调质钢晶粒度统计图。

图5为本发明实施例3非调质钢光学显微组织图片。

图6为本发明实施例3非调质钢晶粒度统计图。

图7为本发明实施例1非调质钢中硫化物和碳氮化物粒径分布图。

图8为本发明实施例1非调质钢中夹杂物分布图。

实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.44%；Si：0.24%；Mn：1.28%；Ti：0.016%；Zr：0.009%；P：0.006%；S：0.002%；N：0.0146%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3.5h，均热温度为1200℃，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为950℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

将本实施例非调质钢切割为10mm×10mm×10mm的小试块，对小试块表面进行打磨、抛光处理后，采用硝酸酒精进行侵蚀，通过光学显微镜（OM）对其组织进行观察，其金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比85%，铁素体占比15%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围，如图1所示。

对本实施例非调质钢晶粒度进行统计，结果如图2所示，可见棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。

采用扫描电镜对本实施例非调质钢100个视场内的夹杂物进行拍照，并对硫化物和碳氮化物的粒径分布进行统计，结果如图7和图8所示，可见夹杂物形态尺寸较为均匀，较小尺寸的硫化物和碳氮化物均匀分布在非调质钢中；对钢中夹杂物数量和形态进行了统计，A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5。

实施例2

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.46%；Si：0.24%；Mn：1.32%；Ti：0.017%；Zr：0.009%；P：0.005%；S：0.002%；N：0.0152%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3.5h，均热温度为1160℃，粗轧开轧温度为1170℃，精轧开轧温度为930℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

将本实施例非调质钢切割为10mm×10mm×10mm的小试块，对小试块表面进行打磨、抛光处理后，采用硝酸酒精进行侵蚀，通过光学显微镜（OM）对其组织进行观察，其金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比83%，铁素体占比17%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围，如图3所示。

对本实施例非调质钢晶粒度进行统计，结果如图4所示，可见棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。

钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例3

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.46%；Si：0.30%；Mn：1.32%；Ti：0.017%；Zr：0.005%；P：0.006%；S：0.002%；N：0.0141%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3.5h，均热温度为1200℃，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为950℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

将本实施例非调质钢切割为10mm×10mm×10mm的小试块，对小试块表面进行打磨、抛光处理后，采用硝酸酒精进行侵蚀，通过光学显微镜（OM）对其组织进行观察，其金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比85%，铁素体占比15%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围，如图5所示。

对本实施例非调质钢晶粒度进行统计，结果如图6所示，可见棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。

钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例4

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.43%；Si：0.36%；Mn：1.44%；Ti：0.019%；Zr：0.008%；P：0.008%；S：0.003%；N：0.0179%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为4h，均热温度为1150℃，粗轧开轧温度为1150℃，精轧开轧温度为900℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

本实施例非调质钢金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比84%，铁素体占比16%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围；棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.0级，心表晶粒度极差可低至0.5级。钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例5

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.40%；Si：0.42%；Mn：1.60%；Ti：0.020%；Zr：0.017%；P：0.022%；S：0.008%；N：0.0211%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3h，均热温度为1200℃，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为1000℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

本实施例非调质钢金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比85%，铁素体占比15%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围；棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例6

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.42%；Si：0.45%；Mn：1.30%；Ti：0.018%；Zr：0.012%；P：0.010%；S：0.004%；N：0.0132%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3h，均热温度为1180℃，粗轧开轧温度为1180℃，精轧开轧温度为900℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

本实施例非调质钢金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比83%，铁素体占比17%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围；棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例7

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.48%；Si：0.60%；Mn：1.51%；Ti：0.015%；Zr：0.020%；P：0.017%；S：0.011%；N：0.0248%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为4h，均热温度为1150℃，粗轧开轧温度为1150℃，精轧开轧温度为1000℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

本实施例非调质钢金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比82%，铁素体占比18%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围；棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

实施例8

本实施例非调制钢的元素组成以质量百分比计为：C：0.45%；Si：0.20%；Mn：1.56%；Ti：0.010%；Zr：0.010%；P：0.011%；S：0.006%；N：0.0128%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。

本实施例非调质钢的生产方法为：连铸大方坯→加热炉加热→粗轧→精轧→冷床空冷→锯切→集捆；其中：连铸坯加热时间为3.5h，均热温度为1200℃，粗轧开轧温度为1200℃，精轧开轧温度为950℃。

本实施例非调质钢的力学性能如表1所示。

本实施例非调质钢金相组织为铁素体+珠光体，珠光体占比84%，铁素体占比16%；组织均匀细小，网状铁素体环绕在大小均匀的珠光体周围；棒材1/2半径位置的奥氏体晶粒度可达到8.5级，心表晶粒度极差可低至0.5级。钢中A类夹杂物≤0级，B类夹杂物≤0.5级；C类夹杂物≤0.5，D类夹杂物≤1，Ds类夹杂物≤0.5；硫化物和碳氮化物夹杂尺寸较小，且均匀分布在非调质钢中。

表1 各实施例非调质钢力学性能检测结果

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。