專利名稱：非調(diào)質(zhì)熱軋鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，更具體地涉及一種熱軋的巨火鋼，它不需要費用昂貴的調(diào)質(zhì)處理，但具有令人滿意的機械強度以及改善的韌性和表面光潔度。另一方面，本發(fā)明涉及制造具有增加的韌性和最少表面缺陷這類熱軋鋼的方法，該方法不經(jīng)過任何常規(guī)的淬火和回火處理。
如通常在鋼生產(chǎn)領(lǐng)域所知的，制造用于機器零件或設(shè)備的鋼制品的典型工藝包括在控制溫度下進行熱軋中碳低合金鋼，然后將該熱軋鋼進行調(diào)質(zhì)處理，由此得到特定應(yīng)用所需的機械強度。在此所用的術(shù)語“調(diào)質(zhì)”是指將熱軋鋼再加熱、淬火和回火，以期改善機械性能。在本說明書中正火不包括在“調(diào)質(zhì)”概念之中。
調(diào)質(zhì)處理能使鋼生產(chǎn)工藝復雜化以及高成本，它必然導致最終產(chǎn)品價格的升高。更重要的是，在一定條件下如調(diào)質(zhì)處理失敗，則將得到劣性能的鋼，而在預(yù)定使用中不能滿足需要。為了避免上述的缺陷，已經(jīng)使用非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，它具有與調(diào)質(zhì)鋼(即淬火和回火鋼)基本相同的機械性能。盡管已經(jīng)證明非調(diào)質(zhì)熱軋鋼比調(diào)質(zhì)鋼具有一系列優(yōu)越性，但其用途僅限制在所需韌性大大低于所需強度的這些使用場合。這主要是因為非調(diào)質(zhì)鋼本質(zhì)地韌性不足。
過去已嘗試在非調(diào)質(zhì)熱軋鋼中加入控制量的錳以改善其韌性。但遺憾地是，錳含量的增加對熱軋鋼的機械加工性能有不利影響。作為選擇的方法是加入如硫、鉛、鉍這類微合金元素以避免機械加工性能的降低，但是，這同樣導致韌性不可接受的降低。另外，這些微合金元素具有在熱軋過程中產(chǎn)生過早的塑性變形的趨勢，因此在鋼組織中產(chǎn)生不希望的帶狀夾雜物。
韓國延遲審查專利公開NO.93—36343(1993年5月8日)中公開了一種軋制的高韌性鋼，該鋼含有(以重量百分數(shù)計)0.35—0.55％碳，0.15—0.45％硅，0.01—0.075％鋁，0.60—1.55％錳，高至0.05％硫，高至0.15％的鈮加釩，0.2923鈦—0.02％氮，高至0.03％鈦，0.00001—0.04％選自鈣、稀土金屬如鈰或碲和鈰鑭合金的微合金元素，平衡量的鐵和雜質(zhì)。這里的“鈰鑭合金”是指由鈰、鑭和其他稀土金屬的粗混合物組成的合金，這些稀土金屬是通過電解溶于熔融氯化鈉中混合金屬氯化物而制得的。
盡管加入各種微合金元素，在’643公開說明書中的鋼仍不能將其韌性增加到相當大的程度，相反，產(chǎn)生了伴生的問題，即過量地加入微合金元素會在鋼的組織中引起帶狀裂痕，隨后需進行必須的表面處理。在本說明書中的“帶狀裂痕”意指明顯的帶狀缺陷，出現(xiàn)在機加工后的鋼表面。這類帶狀裂痕的成因是針孔、氣孔、非金屬夾雜物和其他異物。
韓國延遲審查專利公開NO.93—2742(1993年4月9日)中公開了一種高韌性熱軋鋼，該鋼含有(以重量的百分數(shù)計)0.30—0.45％碳，0.15—0.35％硅，1.0—1.55％錳，高至0.050％硫，高至0.30％鉻，0.01—0.05％鋁，0.05—0.15％釩和鈮，0.01—0.03％鈦，0.0005—0.003％硼，0.2923鈦—0.02％氮，平衡量的鐵和在生產(chǎn)鋼過程中的不可避免的雜質(zhì)。在該’742公開說明書中也公開了一種制造非調(diào)質(zhì)高韌性鋼的方法，包括以下步驟在典型的冶煉條件下，冶煉上述組成的原料以生產(chǎn)鋼錠，在A3相變溫度以上但低于1300℃將鋼錠熱軋成預(yù)定的厚度，然后以10—150℃/分的冷卻速度將熱軋鋼從800—950℃冷卻至500—550℃。
對于上述的方法，很傷腦筋地是以準確的方式來控制軋制溫度和冷卻速度。另外，與連鑄鋼相比，鋼錠鑄造通常導致生產(chǎn)率降低并降低沖擊強度。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，該鋼具有最少的表面缺陷，增加的機械強度和韌性，而不需添加貴重的微合金元素如鈮、鈦、稀土金屬和鈰鑭合金。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造具有優(yōu)良的機械強度、韌性和表面光潔度的非調(diào)質(zhì)熱軋鋼的方法，該方法具有高的生產(chǎn)率，且不需控制軋制工藝。
一方面，本發(fā)明屬于具有沖擊大于10kgf.m/cm2的非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，含有(以重量分數(shù)計)0.30—0.50％碳，0.15—0.60％硅，0.80—1.60％錳，高至0.02％磷，高至0.015％硫，0.07—0.20％釩，0.015—0.06鋁，0.005—0.015％氮，高至0.0015％氧，平衡量的鐵和不可避免雜質(zhì)。
為進一步增加高溫性能、屈服強度和韌性，優(yōu)選地任意加入0.02—0.15％鉬。
另一方面，本發(fā)明提供了一種制造非調(diào)質(zhì)熱軋鋼的方法該非調(diào)質(zhì)熱軋鋼具有沖擊強度大于10kgf·m/cm2，且含有(以重量的百分數(shù)計)0.3—0.50％碳，0.15—0.6％硅，0.80—1.60％錳，高至0.02％磷，高至0.15硫，0.07—0.20％釩，0.015—0.06％鋁，0.015—0.06％鋁，0.005—0.015％氮，高至0.0015％氧，平衡量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，該方法包括如下步驟鑄造預(yù)定橫載面形狀的鋼制品，將該鋼制品加熱到1100—1250℃溫度，以終軋溫度850—1000℃下熱軋該加熱的鋼制品，在880—950℃溫度對熱軋鋼制品進行正火，最后以5—100℃/分冷卻速度將該正火的鋼制品冷卻到300℃。
如上所述，本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)熱軋鋼基本上含有(以重量百分數(shù)計)0.30—0.50％碳，0.15—0.60％硅，0.80—1.60％錳，高至0.20％磷，高至0.015％硫，0.07—0.20％釩，0.015—0.06％鋁，0.005—0.015％氮和高至0.0015％氧。平衡物是鐵和在生產(chǎn)鋼過程中所含的不可避免的雜質(zhì)。如需要，可將0.02—0.15％的鉬任意加到本發(fā)明的鋼中。應(yīng)說明的是，除另有特別注明外，在本說明書和權(quán)利要求中合金元素含量以重量的分數(shù)表示。
下面敘述形成本發(fā)明熱軋鋼的添加的各種合金元素的作用及其所推薦的含量范圍。碳是保證足夠機械的基本元素，其含量可以在0.30到0.50％范圍內(nèi)變化，優(yōu)選是0.41—0.44％。低于0.30％則難以獲得足夠的強度和可接受的淬火性能。如超過0.50％，則韌性和可焊性降低到實際所不希望的程度。
硅不僅是與熔解鋼中的氧結(jié)合形成SiO2而起脫氧劑的作用，它還用于強化鐵素體基體。優(yōu)選的硅含量為0.15—0.60％，更優(yōu)選為0.24—0.28％。如含量低于0.15％則不能得到足夠的強度，而硅含量超過0.60％，則降低韌性并產(chǎn)生不希望的非金屬夾雜物如MnS、Al2O3和SiO2。
錳作為脫硫劑也與碳以相同的方式來改善鋼的硬化性和強度。為獲得與含上述范圍碳的調(diào)質(zhì)鋼可比的強度，需要或甚至必須加入含量大于0.80％的錳。然而，非常高的錳含量會產(chǎn)生一定量的貝氏體基體，已知這會降低韌性。過量地加入錳也會增大珠光體顆粒尺寸，因此會縮短其疲勞壽命觀及降低機加工性和可焊性。為此，優(yōu)選的錳含量是0.80—1.60％，更優(yōu)選1.16—1.39％。
硫與錳相互作用形成MnS，這可改善機加工性，但這可在處理后的鋼表面留下可怕的缺陷。還有，當硫與鐵結(jié)合時則會損害熱加工性。特別是，偏折形式的硫形成應(yīng)力集中點，這會誘發(fā)裂紋發(fā)生。除上述之外，硫是產(chǎn)生帶狀裂痕的主要原因，特別是在進行金屬鍍以增加耐磨性的情況下。由于上述原因，硫含量應(yīng)盡可能地保持為最低，優(yōu)選低于0.015％，最優(yōu)選高至0.009％。
磷傾向于產(chǎn)生偏析，并且在某些情況下形成所謂的“幻影線”，這是由于產(chǎn)生纖維狀的金相組織。過多加入磷會降低沖擊強度并使鋼非常脆，因此對韌性有不利影響。為此觀點，磷含量應(yīng)限定在不超過0.02％，優(yōu)選0.016％。
需要釩一方面是促進碳化釩和碳氮化釩的析出，另一方面是為了基本上獲得與調(diào)質(zhì)鋼相同水平的強度。如果加入大于臨介范圍含量的釩則不會使強度增加。為此原因和出于經(jīng)濟的觀點，優(yōu)選的釩含量為0.07—0.20％，更好為0.10—0.11％。
鋁的加入通常是為了脫氧和減小晶粒尺寸。為此，鋁含量應(yīng)不小于0.015％，但不大于0.060％，優(yōu)選在0.023—0.032％范圍內(nèi)。鋁加入量大于0.060％會產(chǎn)生非常大量的Al2O3，這會損害疲勞強度和機加工性。
鉬是任意加入的，以改善硬化性、高溫耐熱性和屈服強度。優(yōu)選的鉬含量是0.02—0.15％。在低于0.02％的范圍內(nèi)，鉬的作用是不明顯的，而在大于0.15％的范圍內(nèi)則沖擊強度會大幅度降低。
氮是有用的，它與鋁和釩結(jié)合作為晶粒尺寸細化劑和析出促進劑。為獲得不小于50kgf/mm2的屈服強度，氮含量應(yīng)增加到高至0.015％。然而，過度地增加氮含量會引起過量的碳氮化釩析出，因此提高塑脆轉(zhuǎn)化溫度并增加裂紋和斷裂的可能性。作為結(jié)論，需將氮含量限制在0.0095—0.0118％范圍之內(nèi)。
已知氧和非金屬夾雜物產(chǎn)生帶狀裂痕，其影響是降低強度。因此，氧含量應(yīng)在高至0.0015％范圍內(nèi)，優(yōu)選0.0011—0.0012％，而非金屬夾雜物的含量應(yīng)不大于0.15％，優(yōu)選高至0.07％。
上面詳述成份的鋼可用連鑄而不用鑄錠方法而生產(chǎn)。事實是，連鑄能保證鋼制品的質(zhì)量均勻和高生產(chǎn)率。為將氧含量控制在小于0.0015％和將非金屬夾雜物含量控制在小于0.15％，可使用低氧生產(chǎn)鋼工藝。然后將鑄鋼加熱到1100—1250℃溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將鋼加熱到這一溫度是經(jīng)濟的、易于操作、便于控制的，且不會造成任何晶粒粗化。隨后的步驟是在終軋溫度850—1000℃下熱軋該加熱的鋼。在熱軋步驟中，總的鍛壓比最好保持大于10，以使鋼組織均勻。
對于現(xiàn)有技術(shù)的工藝，將鑄鋼拉出然后以冷卻速度為40—80℃/分進行控軋。相反，本發(fā)明的工藝具有一個重要的特征是在連續(xù)加熱爐中將熱軋鋼進行正火處理，代替控制軋制。鋼的正火溫度較佳地在880—950℃范圍內(nèi)以保證強度和韌之間、熱處理的連續(xù)性和碳化釩析出量的增加之間的平衡。
在氣冷正火鋼時使用雙側(cè)風扇是有利的，冷卻速度應(yīng)控制在5—100℃/分，以使成品鋼制品中各部份之間的機械性能沒有或幾乎沒有差異。為避免殘余應(yīng)力的不規(guī)則分布，冷卻步驟應(yīng)連續(xù)進行直到鋼制品核心部的溫度達到300℃或更低。實施例表1中所示的鋼C、D、E和G是通過在60噸電爐中和鋼包真空脫氣裝置中冶煉原料鋼組合，然后將熔融鋼連鑄成截面積177600mm2的鋼制品而制備。將鑄鋼制品加熱到1100—1250℃溫度，隨后以終軋溫度850—1250℃熱軋成表II中所示的各種直徑的棒鋼。將棒鋼于880—950℃穿過連續(xù)熱處理爐而進行正火。
鋼A、B和F作為本發(fā)明鋼C、D、E和G的對比實施例。應(yīng)注意的是鋼A和B在成份上非常類似于商業(yè)購得的鋼。表II示出了表I中棒鋼的機械性能、表面與芯部的硬度差以及珠光體晶粒尺寸。試驗的試樣都是從每個棒鋼的1/2半徑處取樣，沖擊試驗試樣按韓國標準NO.3，拉伸強度試驗試樣按韓國標準NO.4。表III表示了在各個鋼試樣的分階段或切削掉的表面上發(fā)現(xiàn)的帶狀裂痕的長度和數(shù)量。鋼制品的表面缺陷通常取決于帶狀裂痕的聚集程度。
表I鋼的種類 化學成分分析(重量百分數(shù)) 非金屬類雜物(％)C Si Mn P S MoV Al O NA 0.44 0.26 1.05 0.023 0.022 0.01 0.010 0.031 0.0032 0.00730.120(對比例)B 0.45 0.26 1.04 0.016 0.020 0.006 0.10 0.033 0.0030 0.00690.100(對比例)C 0.41 0.27 1.16 0.015 0.0050.11 0.032 0.0011 0.01020.058(本發(fā)明)D 0.42 0.26 1.22 0.013 0.007 0.012 0.10 0.027 0.0012 0.00950.047(本發(fā)明)E 0.43 0.24 1.39 0.014 0.009 0.031 0.11 0.023 0.0009 0.01180.042(本發(fā)明)F 0.45 0.32 1.43 0.019 0.023 0.006 0.13 0.026 0.0033 0.00670.217(本發(fā)明)G 0.44 0.28 1.19 0.016 0.008 0.103 0.11 0.025 0.0012 0.01060.063(本發(fā)明)
表II屈服拉伸 表面與心部珠光體鋼的種類直徑強度強度 延伸率 沖擊強度硬度 的硬度差 晶粒尺寸(mm)(kgf/mm2)(kg/mm2)(％) (kgf·m/cm2)(HB) (HB) (ASTM NO.)A* 10554.385.620.65.0 240137.0(對比例)12052.383.420.85.0 238157.0B* 11549.479.919.65.0 230147.0(對比例)C** 12056.483.021.410.8 2376 7.5(本發(fā)明)D** 95 56.182.422.9 10.7 2277 8.0(本發(fā)明)E** 12058.984.624.1 10.1 2416 8.5(本發(fā)明)F* 11061.190.319.3 8.42557 6.0(本發(fā)明)G** 12059.287.720.9 10.8 2478 6.5(本發(fā)明)*軋制狀態(tài)**正火狀態(tài)表III檢測部位 帶狀裂痕長度 每100cm2內(nèi)帶一般調(diào)整率狀裂痕的數(shù)量鋼A 鋼B 鋼C 鋼D(對比例) (對比例) (本發(fā)明) (本發(fā)明)0.5-1.0 0.00 0.00 0.00 0.006.00第一步1.0-2.0 0.51 1.53 ＂ ＂ 1.50部份 2.0-4.0 0.51 0.00 ＂ ＂ 1.00大于4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 0.00第二步0.5-1.0 0.00 5.10 ＂ ＂ 6.00部份 1.0-2.0 0.00 0.73 ＂ ＂ 1.502.0-4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 1.00大于4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 0.00第三步0.5-1.0 1.93 2.89 ＂ ＂ 6.00部份 1.0-2.0 0.00 0.96 ＂ ＂ 1.502.0-4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 1.00大于4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 0.00平均 0.5-1.0 0.64 2.66 ＂ ＂ 6.001.0-2.0 0.17 1.07 ＂ ＂ 1.502.0-4.0 0.17 0.00 ＂ ＂ 1.00大于4.0 0.00 0.00 ＂ ＂ 0.00總長度 1.25 3.60 0.00 0.00(mm/100cm2)由表I和表III可清楚地看出，代表本發(fā)明的鋼C、D、E和G沒有出現(xiàn)表面缺陷，即帶狀裂痕，這是因為它們含有最少量的硫、氧和非金屬夾雜物。更一步可以證明，表II中的鋼C、D、E和G具有大于10.0kgfm/cm2的沖擊強度，同時保持拉伸強度高達80kgf/mm2或更高。特別地，本發(fā)明鋼的沖擊強度幾乎是比較鋼A、B和F的兩倍。
除上述之上，本發(fā)明的鋼具有顯著降低的表面與心部的硬度差程度。鋼G表明可以通過加入大量的鉬而實現(xiàn)沖擊強度的改善同時也不降低韌性。重要地是注意到本發(fā)明的鋼獲得了優(yōu)良的強度和優(yōu)越的韌性，而無需使用微合金化元素如鉻，鈦，鈮，鈣，稀土金屬和鈰鑭合金。
盡管本發(fā)明參考優(yōu)選的實施方案進行了說明，在不背離本發(fā)明于權(quán)利要求中所定義的范圍之精神下所做的多種改變和變化，對于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說都是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，該鋼具有大于10kgf.m/cm2的沖擊強度，且含有(以重量百分數(shù)計)0.30—0.50％碳，0.15—0.60％硅，0.80—1.60％錳，高至0.02％磷，高至0.015％硫，0.07—0.20％釩，0.015—0.06％鋁，0.005—0.015％氮，高至0.0015％氧，平衡量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，還含有0.02—0.15％(重量)鉬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鋼，其中的碳的含量范圍為0.41—0.44％(重量)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鋼，其中的硫含量范圍為0.005—0.008％(重量)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鋼，其中的氧含量范圍為0.0011—0.0012％(重量)。
6.一種制造非調(diào)質(zhì)熱軋鋼的方法，該鋼具有大于10kgf.m/cm2的沖擊強度，且含有(以重量百分數(shù)計)0.30—0.50％碳，0.15—0.60％硅，0.80—1.60％錳，高至0.02％磷，高至0.015％硫，0.07—0.20％釩，0.015—0.06％鋁，0.005—0.015％氮，高至0.0015％氧，平衡量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，該方法包括如下步驟將熔融的鋼鑄成預(yù)定截面形狀的鋼制品；將該鋼制品加熱到1100—1250℃溫度；在終軋溫度850—1000℃下熱軋該加熱的鋼制品；在880—950℃下將該熱軋鋼制品進行正火。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中的鑄造步驟以連鑄方式進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中將加熱的鋼熱軋到總鍛壓比大于10。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8的方法，還包括以預(yù)定冷卻速率將正火處理的鋼制品冷卻到300℃或更低的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中的預(yù)定冷卻速率是5—100℃/分范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非調(diào)質(zhì)熱軋鋼，該鋼具有大于10kgf.m/cm
文檔編號C22C38/00GK1116660SQ9510352
公開日1996年2月14日 申請日期1995年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月31日
發(fā)明者金大容, 曹正煥, 趙允晟, 金鐘成 申請人:大宇重工業(yè)株式會社, 起亞特殊鋼株式會社