一种优异低温冲击韧性非调质钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制造技术领域，特别涉及一种优异低温冲击韧性非调质钢及其制备方法。

背景技术

传统的机械结构钢有着良好的强度、塑性和韧性配合，但其采用的调质处理（淬火+高温回火）耗能巨大，不符合目前低碳环保、节约成本的发展理念。目前国内铁素体-珠光体型非调质钢已在发动机曲轴和连杆等零部件上成功实现了批量应用，但在转向节、半轴、稳定杆、新能源汽车电机轴等安全部件上进一步推广应用受阻，面临的主要问题是如何在控制合金成本的前提下提升、稳定住强韧性，特别在低温等极端服役环境下，提高其冲击韧性。一般的非调质钢-20℃时V口冲击功<10J，难以满足需求。因此，在保证高强度的前提下，提升低温韧性将有助于非调质钢的推广应用。

当前非调质钢含碳量通常在0.3～0.5wt%C，钢中添加V、Nb、Ti等微合金化元素，结合控制轧制（锻造）和控制冷却工艺细化晶粒，同时在铁素体和珠光体的微观组织中得到弥散析出的碳氮化物作为强化相，获得与调质钢相近的力学性能。但是，非调质钢通过添加合金元素提高强韧性会带来成本的提高。有鉴于此，本发明设计制造了一种仅含V、Nb、N等少量微合金元素的非调质钢，在确保其强韧性的同时控制成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异低温冲击韧性的非调质钢及其制备方法，通过调整钢板成分以及制备工艺，使最终得到的非调质钢在-28℃的V口冲击功达到27J以上，同时在低合金含量的基础上控制成本。

为实现上述目的，本发明的所采取的技术方案是：

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其化学成分及其质量百分数为：C：0.23～0.28%，Si：0.25～0.50%，Mn：1.20～1.60%，V：0.08～0.20wt%，Nb：0.016～0.020%，N：0.01～0.02%，P≤0.025%，S≤0.015%，余量为Fe以及不可避免的杂质。

本发明通过调整非调质钢的元素组成，使最终所得到的中碳珠光体-铁素体型非调质钢在-28℃的V口冲击功能达到27J以上。

本发明所述钢板成分中各元素作用如下：

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。非调质钢的碳含量一般不允许超过0.5%，过低的碳含量会造成钢的力学强度不足，因此设计钢的C添加量为0.20～0.32%，优选为0.23～0.28%。

Mn是非调质钢的最主要元素之一，其具有较强的固溶强化效果，可降低钢的相变温度，减缓奥氏体向珠光体的转变速度，提升淬透性并细化晶粒，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%，因此设计钢的Mn添加量为1.00～1.80%，优选为1.20～1.60%。

Si在钢中全部以固溶体的形式存在，具有较强的固溶强化效果，是重要的铁素体强化元素，较高含量的Si元素可以提高铁素体含量，同时细化晶粒提高韧性。但过量的Si会使C的活性增加，促进轧制过程中脱碳的发生，进而严重降低钢的韧性，因此设计钢的Si添加量为0.25～0.50%。

V在钢中的析出温度较低，主要在奥氏体向铁素体转变过程中的相间析出和在铁素体中析出，通过沉淀硬化提高钢的强度。V高效的强化作用为非调质钢的高强化提供了基本保证，但过高的V将恶化韧性。因此设计V添加量为0.08～0.20%。

Nb在钢中主要以固溶态和析出态两种形式存在，固溶态Nb元素可以提高钢的淬透性，扩大铁素体-珠光体相变发生的温度区间和冷速范围。Nb(C, N)的析出也会细化奥氏体晶粒，同时促进V(C, N)在晶界及位错上弥散析出，有利于韧性的改善。Nb(C, N)析出相可在阻碍奥氏体晶粒粗化，同时细化珠光体片层间距等方面来强化非调质钢，也可以诱导晶内铁素体形核来细化晶粒。

N在含钒钢中能促进钒的析出，增强钒的沉淀强化作用，明显提高非调质钢的强度。利用廉价的氮元素，提质钢的强韧性，是非常有效的降低成本方法。本发明设计钢添加量为0.01～0.02%。

本发明所述优异低温冲击韧性非调质钢的制备方法，包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷。

进一步地，本发明所述按配方量得到铸坯具体位置：按照配方量进行转炉冶炼、LF钢包精炼、VD真空精炼与连铸；其中所述转炉冶炼过程中添加V、Nb元素；所述VD真空精炼过程中添加Nb元素。

进一步地，本发明所述铸坯加热包括依次对铸坯进行预热、加热和均热。

优选地，所述铸坯预热段温度不超过900℃，预热时间为40～50min；

优选地，所述铸坯加热段包括第一次加热和第二次加热；所述第一次加热温度为1050～1120℃；所述第二次加热温度为1150～1220℃；

优选地，所述铸坯均热段温度为1180～1250℃。

进一步地，本发明所述控轧控冷具体为：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却。

优选地，所述粗轧开轧温度为1080～1120℃。

优选地，所述穿水冷却的入口温度为1000～1040℃，出口温度为900～940℃。

优选地，所述冷床冷却的上冷床温度为820～850，下冷床温度为530～560℃。

本发明技术方案具有以下有益技术效果：

1.本发明在化学成分设计上，通过基础元素和微合金元素V、Nb、N的添加，充分发挥V、Nb对碳氮化物、氮化物的强化作用，以及Nb元素阻碍奥氏体晶粒粗化、细化珠光体片层间距和诱导晶内铁素体形核等方面的作用，进一步提高钢的强韧性水平。

2.本发明在控制钢板成分的基础上，通过控制铸坯加热与控轧控冷的工艺条件，使非调质钢具有优异的力学性能，抗拉强度高于700MPa，屈服强度高于500MPa，伸长率高于15%，断面收缩率高于35%，-28℃时V口冲击功达到27J以上。本发明所述生产方法具有控制简单、制造成本低、可操作性强等优点。

3.本发明通过控制微合金非调质钢轧后的冷却方式和冷却速度，并对钢种成分进行设计，获得了良好低温冲击韧性的非调质钢，在实际生产应用中具有较高的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例1非调质钢的光学显微组织图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将通过实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员应该明白所述实施例仅帮助理解本发明，并不用于对本发明进行限制。

实施例1

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为865℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1180℃，加热时间为1h；均热段温度为1180℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1090℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1020℃，出口温度920℃；上冷床冷却，上冷床温度835℃，下冷床温度535℃；然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.25%，Si为0.35%，Mn为1.40%，V为0.12%，Nb为0.020%，N为0.017%，S为0.0063%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢的性能检测结果见表1；其金相组织如图1所示，为中碳珠光体-铁素体。

实施例2

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为880℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1100℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1200℃，加热时间为1h；均热段温度为1210℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1095℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1035℃，出口温度900℃；上冷床冷却，上冷床温度840℃，下冷床温度550℃；然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.25%，Si为0.32%，Mn为1.32%，V为0.11%，Nb为0.017%，N为0.015%，S为0.0072%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

实施例3

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为865℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1190℃，加热时间为1h；均热段温度为1200℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1110℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1040℃，出口温度940℃；上冷床冷却，上冷床温度850℃，下冷床温度535℃；然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.26%，Si为0.36%，Mn为1.39%，V为0.12%，Nb为0.021%，N为0.017%，S为0.0061%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

实施例4

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为850℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1160℃，加热时间为1h；均热段温度为1210℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1080℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1010℃，出口温度925℃；上冷床冷却，上冷床温度820℃，下冷床温度560℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.25%，Si为0.35%，Mn为1.41%，V为0.13%，Nb为0.016%，N为0.018%，S为0.0058%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

实施例5

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为870℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1100℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1210℃，加热时间为1h；均热段温度为1220℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1080℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1040℃，出口温度920℃；上冷床冷却，上冷床温度835℃，下冷床温度530℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.27%，Si为0.34%，Mn为1.38%，V为0.11%，Nb为0.019%，N为0.017%，S为0.0069%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

实施例6

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为870℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1160℃，加热时间为1h；均热段温度为1190℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1090℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1020℃，出口温度930℃；上冷床冷却，上冷床温度840℃，下冷床温度540℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.28%，Si为0.37%，Mn为1.32%，V为0.14%，Nb为0.022%，N为0.021%，S为0.0056%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

实施例7

一种优异低温冲击韧性非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为850℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热段温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热段温度为1160℃，加热时间为1h；均热段温度为1190℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1120℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1000℃，出口温度925℃；上冷床冷却，上冷床温度830℃，下冷床温度550℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本实施例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.23%，Si为0.35%，Mn为1.44%，V为0.12%，Nb为0.018%，N为0.018%，S为0.0061%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本实施例非调质钢性能检测结果见表1，其金相组织同实施例1。

对比例1

一种非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中转炉冶炼过程中添加V元素；VD真空过程中添加Nb元素；

（2））铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为860℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1180℃，加热时间为1h；均热段温度为1200℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1100℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

上冷床温度830℃，下冷床温度530℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本对比例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.24%，Si为0.36%，Mn为1.42%，V为0.11%，Nb为0.023%，N为0.018%，S为0.0071%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

本对比例非调质钢性能检测结果见表1。

对比例2

一种非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中转炉冶炼过程中添加V元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为880℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热温度为1080℃，加热时间为1h；第二次加热温度为1170℃，加热时间为1h；均热段温度为1190℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧、穿水冷却和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1100℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

采用水箱穿水冷却，入口温度1010℃，出口温度930℃；上冷床冷却，上冷床温度845℃，下冷床温度535℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本对比例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.26%，Si为0.38%，Mn为1.43%，V为0.12%，N为0.015%，S为0.0058%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

对比例3

一种非调质钢，其制备方法包括按配方量得到铸坯、铸坯加热和控轧控冷；具体如下：

（1）按配方量得到铸坯：按照配方量进行进行转炉冶炼、LF精炼、VD真空和连铸，得到铸坯；其中，转炉冶炼过程中添加V元素；

（2）铸坯加热：对铸坯进行预热、加热和均热；其中预热段温度为860℃，预热时间为50min；加热段包括第一次加热和第二次加热，第一次加热段温度为1100℃，加热时间为1h；第二次加热段温度为1190℃，加热时间为1h；均热段温度为1190℃，加热时间为1h，高压水除磷水压22Pa；

（3）控轧控冷：对铸坯依次进行粗轧、中轧、精轧和冷床冷却；其中粗轧开轧温度1090℃，经5架粗轧机组+1号飞剪+6架中扎机组+2号飞剪+6架精轧机组+3号飞剪+减定径机组轧制；

上冷床温度830℃，下冷床温度550℃，然后堆冷缓冷，冷却速度为0.2℃/min，终点温度为80℃，然后空冷至室温，即得。

对本对比例制备的非调质钢进行成分检测，以质量百分数计，检测结果为：C为0.26%，Si为0.36%，Mn为1.40%，V为0.13%，N为0.016%，S为0.0059%，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质中P≤100ppm。

表1 各实施例及对比例非调质钢性能检测结果

综上所述，本发明对钢种成分进行了设计，通过在冶炼过程中加入V、Nb、N微合金元素，形成（V，Nb）（C，N）碳氮化物，形成了晶粒细化和固溶强化效果；再结合轧制过程中控轧控冷工艺，控制微合金非调质钢轧后的冷却方式和冷却速度，有效达到了控制了非调质钢微观组织的目的，使最终得到的微合金铁素体-珠光体型非调质钢在-28℃的冲击功达到27J以上，同时有效控制了成本。

以上实施例及对比例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员可清晰的理解：在不脱离权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可对本发明进行任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。