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CN109609838A - 一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法 - Google Patents

一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法 Download PDF

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CN109609838A
CN109609838A CN201811359775.2A CN201811359775A CN109609838A CN 109609838 A CN109609838 A CN 109609838A CN 201811359775 A CN201811359775 A CN 201811359775A CN 109609838 A CN109609838 A CN 109609838A
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torsional shear
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王志义
王风愈
王红广
王强
赵兴隆
赵劲松
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Handan Iron and Steel Group Co Ltd
HBIS Co Ltd Handan Branch
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Handan Iron and Steel Group Co Ltd
HBIS Co Ltd Handan Branch
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Abstract

本发明公开了一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法，所述合金冷镦钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.19～0.24%，Mn：1.30～1.60%，Si：0.18～0.22%，Ti：0.04～0.10%，B：0.0005～0.0035%，Als：0.02～0.04%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；所述生产方法包括转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序。本发明高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢通过合理的成分设计，结合加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度及轧辊轧槽使用寿命的控制，最终产品表面硬度和扭剪力窄的波动范围满足标准件厂家用户要求，在同类企业中具有较强的竞争优势。

Description

一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法。
技术背景
ML20MnTiB扭剪型高强度螺栓是七十年代开发的重要基础元件，作为钢结构的连接件，已被大量使用；为了保证钢结构中使用的链接螺栓拧紧力一致，避免一部分螺栓由于拧紧过大，受力大，容易出现断裂；而部分螺栓拧紧力小，出现松动，不受力，最后造成钢结构出现质量问题；目前国内钢结构安装一般都是用高强度扭剪型螺栓，普遍使用10.9级钢结构用扭剪型螺栓。
10.9级钢结构用扭剪型螺栓，冷加工时变形大(以M20为例，螺栓的蘑菇头外径达到Φ37mm)对母材要求必须具有良好的冷镦性，母材必须具有良好的内在、表面质量；因其用在钢结构的链接，还要具有较高的强度和韧性。因此对使用的盘条ML20MnTiB成分控制、表面质量都有很严格的要求。
通过优化ML20MnTiB化学成分，结合加热炉加热、控制轧制工艺的改进，开发一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法，达到增加高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢铁素体含量，降低铁素体硬度，减少加工硬化、提高淬火、回火稳定性目的，使螺栓的硬度和扭剪力满足用户的要求势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢及其生产方法。
为解决上述技术问题的，本发明所采取的技术方案是：一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢，所述合金冷镦钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.19～0.24％，Mn：1.30～1.60％，Si：0.18～0.22％，Ti：0.04～0.10％，B：0.0005～0.0035％，Als：0.02～0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明所述合金冷镦钢化学成分质量百分含量优选为：C：0.20～0.23％，Mn：1.40～1.48％，Ti：0.04～0.07％，B：0.0014～0.0024％。
本发明所述合金冷镦钢规格为Φ16～22mm。
本发明所述合金冷镦钢：硬度：33～39HRC，扭剪力：155～180KN。
本发明还提供了一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢的生产方法，所述生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；所述加热炉加热工序，均热段温度1080～1120℃，加热时间90～130min；所述控制轧制工序，进精轧机温度880～920℃，吐丝温度850～880℃。
本发明所述连铸工序，液面波动控制在±15mm，控制过热度≤30℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.25～0.35L/min。
本发明所述控制轧制工序，轧槽使用寿命控制为：1#-4#≤10000t，5#-10#≤6000t，11#-12#≤5000t，13#-14#≤3000t，27#-30#≤2000t；28架导卫使用时间控制为≤2h。
本发明所述方法生产的过程和成品快速检验环节要求：2#剪、800剪每批首支进行取样酸洗；成品每批至少两支进行酸洗冷顶锻检验。
本发明设计思路：
本发明化学成分作用及含量：
碳主要以碳化物(Fe3C)形式存在于钢中，是决定钢的强度的主要元素。因此碳的控制上既要保证一定的强度，又要考虑钢材的塑性、韧性要求，同时碳含量太低会降低热处理时的淬透性，所以碳控制在中上限为宜0.19～0.24％。
硅固溶于基体中，其改善铁素体冷变形硬化率的作用很强，起固溶强化作用，从而提高强度和硬度，降低塑性，使钢的脆性增大，致使钢的冷加工困难。因此降低硅含量可显著降低铁素体硬度，要求硅含量应尽量降低，同时为了保证螺栓的淬透性，硅控制在中线0.18～0.22％。
锰是强化元素，在钢中以置换型固溶体存在，锰含量的提高既能提高钢材的塑性又不降低钢材的韧性，同时锰与硫的亲和力较强，当两着结合成硫化锰后，可以显著地消除硫的负面影响。
钛是强铁素体形成元素之一，固熔钛提高钢的淬透性。钛能改善碳素钢和合金钢的热强性，提高它们的持久强度和蠕变抗力。钛对钢的韧性，特别是低温冲击韧性稍有改善作用。
铝在高温下(975～1000℃以上)部分铝和氮结合生成稳定的氮化铝粒子并呈弥散分布阻止奥氏体晶粒长大，从而获得本质细晶粒钢，同时还消除了氮的有害影响。因此铝的存在是非常必要的，控制时应考虑氮含量确定钢水铝含量。对于氮含量不大于80ppm的线材，若铝含量超过0.06％后，钢的脆性急剧增加，因此保证钢中铝含量在0.02～0.04％，有利于塑性的改善。
硼是微合金化元素，钢中若含有微量的硼元素，就可显著提高钢的淬透性，其提高淬透性的效果相当于1.6％镍、0.3％铬或0.2％钼，但对其它性能无明显影响。
本发明生产工艺设计思路：
加热温度和加热时间对合金冷镦钢的钢坯充分奥氏体化和合金元素的充分扩散会产生直接的影响，钢坯加热后的高温热塑性，要求钢的变形抗力尽可能低，同时断面收缩率尽可能高，通过Gleebie试验获得了ML20MnTiB的高温热塑性曲线图(见图1)，从图1可以看出，ML20MnTiB钢坯加热温度控制在850～1140℃，钢坯的抗拉强度接近最低，而断面收缩率最高；而又考虑到加热温度高，有利于钢种合金元素Ti和B充分扩散溶解，所以加热温度按上限控制为1080～1120℃；加热时间越长，钢坯表面脱碳会越严重，加热时间控制为90～130min；既保证钢坯有良好的塑性，又尽可能控制钢坯表面脱碳层的深度；
钢材的性能是由其金相组织决定的，ML20MnTiB金相组织为F+P，为了保证产品的力学性能指标，钢材的晶粒尽可能均匀细小，要想获得细小的晶粒，在相变前原始奥氏体晶粒要细小，这样经过轧制过程的回复和再结晶转变成F+P体的晶粒才会细小，所以终轧温度和吐丝温度控制要尽可能低，终轧温度和吐丝温度要按下限控制；ML20MnTiB的高温热塑性曲线图1中下限温度为850℃，所以进精轧机温度控制为880～920℃，吐丝温度控制为850～880℃；
轧制过程中轧辊轧槽的表面质量直接影响轧件的尺寸和表面质量，如果轧槽过度磨损，就会造成椭圆形轧件和圆轧件变成带楞的“方形”，轧件尺寸就会变大，在后续轧制中先形成耳子，进而出现折叠缺陷；如果轧槽表面出现“掉块”或龟裂，同样会造成线材表面出现结疤和裂纹缺陷；通过大量的轧槽表面质量和轧件表面质量对比，应该严格控制轧槽的使用寿命；保证轧件的表面质量；轧槽使用寿命控制为：1#-4#≤10000吨，5#-10#≤6000吨，11#-12#≤5000吨，13#-14#≤3000吨，27#-30#≤2000吨；28架导卫使用时间控制为≤2h；ML20MnTiB线材表面无裂纹，满足用户使用要求；
线材的表面质量是经过很多架轧机轧制保证的，无论哪组轧机出现问题，线材成品都会产生缺陷，所以需要对每一组轧机的表面质量进行定期监控，就需要进行取样检验，2#剪和800剪可以取粗中轧和预精轧轧件；精整成品去头尾剪可以取成品轧件，取完的轧件需要进行酸洗和冷顶锻试验；所以在2#、800剪处安装了利用轧件预热的酸洗装置；在成品检验区安装了高频加热酸洗装置和冷顶锻设备，实现了过程轧件和成品的快速检验，及时监控线材的表面质量，发现问题及时调整，保证线材的表面质量。
本发明一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢产品标准参考GB/T6478－2015；产品性能检测方法标准参考GB/T230；酸洗及冷镦试验方法标准参考GB/T233。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明化学成分设计，碳按中上限控制，硅、锰按中线控制；硼和钛按中下线控制，且都进行窄范围控制，在保证线材强度的同时，提高了线材的淬透性和冷加工性能。2、本发明通过对加热温度、加热时间、进精轧温度和吐丝温度控制，保证了高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢高温热塑性、晶粒度以及力学性能；通过严格控制轧辊轧槽的使用寿命，获得了良好的线材表面质量，减少了换辊时间。3、本发明在2#、800剪处安装了利用轧件预热的酸洗装置，在成品检验区安装了高频加热酸洗装置和冷顶锻设备，实现了过程轧件和成品的快速检验，及时监控线材的表面质量，发现问题及时调整，保证线材的表面质量和性能的稳定性。4、本发明高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢通过合理的成分设计，结合加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度及轧辊轧槽使用寿命的控制，在保证强度的前提下，提高了线材的淬透性，保证了用户最终产品表面硬度和扭剪力窄的波动范围，满足标准件厂家用户要求，在同类企业中具有较强的竞争优势。
附图说明
图1为ML20MnTiB线材的高温热塑性曲线图；
图2为实施例1高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材金相检验图；
图3为实施例1高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材金相组织图；
图4为实施例1高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB盘条酸洗检验图；
图5为实施例1高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB盘条产品图；
图6为实施例1高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材制成的扭剪型螺栓图；
图7为实施例1轧槽表面质量图；
图8为实施例1轧槽表面质量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ16mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±15mm，控制过热度为25℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.27L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
图2为高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材金相检验图；图3为高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材金相组织图；图4为高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB盘条酸洗检验图；图5为高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB盘条产品图；图6为高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材制成的扭剪型螺栓图；图7为轧槽表面质量图；图8为轧槽表面质量图。(实施例2-8相应图与实施例1类似，故省略)
实施例2
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ20mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±8mm，控制过热度为20℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.29L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例3
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ22mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±12mm，控制过热度为22℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.31L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例4
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ20mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±6mm，控制过热度18℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.33L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例5
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ16mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±3mm，控制过热度为30℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.32L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例6
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ22mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±15mm，控制过热度为21℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.28L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例7
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ20mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±5mm，控制过热度23℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.25L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
实施例8
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢为Φ22mm的ML20MnTiB线材，其化学成分组成及质量百分含量见表1；
本实施例高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB线材的生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；连铸工序液面波动控制在±7mm，控制过热为15℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.35L/min；加热温度、加热时间、进精轧温度、吐丝温度见表2-1，轧辊使用寿命及导卫更换见表2-2，酸洗及冷镦试验结果见表3，螺栓硬度及扭剪力性能检测结果见表4。
表1实施例1-8ML20MnTiB线材的化学成分组成及质量百分含量(％)
实施例 C Mn Si Ti B Als
实施例1 0.21 1.44 0.20 0.05 0.0018 0.020
实施例2 0.22 1.46 0.21 0.06 0.0020 0.021
实施例3 0.22 1.42 0.20 0.06 0.0019 0.022
实施例4 0.19 1.40 0.18 0.04 0.0014 0.025
实施例5 0.23 1.48 0.19 0.07 0.0024 0.033
实施例6 0.20 1.30 0.22 0.08 0.0005 0.028
实施例7 0.24 1.35 0.21 0.09 0.0035 0.036
实施例8 0.21 1.60 0.22 0.10 0.0009 0.040
表1中成分余量为Fe和不可避免的杂质元素。
表2-1实施例1-8 ML20MnTiB线材的加热温度、加热时间、进精轧温度和吐丝温度
实施例 加热温度(℃) 加热时间(min) 进精轧温度(℃) 吐丝温度(℃)
实施例1 1115 110 902 870
实施例2 1120 109 908 865
实施例3 1105 113 900 864
实施例4 1100 120 903 880
实施例5 1117 105 895 862
实施例6 1080 90 880 870
实施例7 1086 130 920 850
实施例8 1092 112 904 860
表2-2实施例1-8 ML20MnTiB线材的轧槽寿命(t)及导卫使用时间(h)
表3实施例1-8 ML20MnTiB线材的酸洗、冷镦表面质量
检验项目 2#剪酸洗 800剪酸洗 成品酸洗 冷顶锻
实施例1 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例2 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例3 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例4 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例5 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例6 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例7 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
实施例8 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 表面光滑无裂纹 1/3合格
表4实施例1-8 ML20MnTiB线材的扭剪螺栓硬度和扭剪力
上述实施例表明，本发明生产的高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢ML20MnTiB金相检验无裂纹、金相组织P+F正常、盘条酸洗无裂纹，表面质量良好、性能稳定，满足标准件厂家用户要求，在同类企业中具有较强的竞争优势。
以上实施例仅用以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说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的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。

Claims (8)

1.一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢，其特征在于，所述合金冷镦钢化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.19～0.24%，Mn：1.30～1.60%，Si：0.18～0.22%，Ti：0.04～0.10%，B：0.0005～0.0035%，Als：0.02～0.04%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢，其特征在于，所述合金冷镦钢化学成分质量百分含量优选为：C：0.20～0.23%，Mn：1.40～1.48%，Ti：0.04～0.07%，B：0.0014～0.0024%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢，其特征在于，所述合金冷镦钢规格为Φ16～22mm。
4.根据权利要求1所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢，其特征在于，所述合金冷镦钢：硬度：33～39HRC，扭剪力：155～180KN。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、冷却工序；所述加热炉加热工序，均热段温度1080～1120℃，加热时间90～130min；所述控制轧制工序，进精轧机温度880～920℃，吐丝温度850～880℃。
6.根据权利要求5所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述连铸工序，液面波动控制在±15mm，控制过热度≤30℃；严格控制二冷区冷却的均匀性，采用弱冷，比水量为0.25～0.35L/min。
7.根据权利要求5所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述控制轧制工序，轧槽使用寿命控制为：1#-4#≤10000t，5#-10#≤6000t，11#-12#≤5000t，13#-14#≤3000t，27#-30#≤2000t；28架导卫使用时间控制为≤2h。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的一种高强度扭剪型螺栓用合金冷镦钢的生产方法，其特征在于，所述方法生产的过程和成品快速检验环节要求：2#剪、800剪每批首支进行取样酸洗；成品每批至少两支进行酸洗冷顶锻检验。
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