一种含硼冷镦钢的生产方法
【技术领域】[0001] 本发明涉及一种含硼冷镦钢的生产方法，特别是涉及一种10. 9级含硼冷镦钢的生产 方法，属于冶金工业生产的金属材料领域。
【背景技术】[0002] 冷镦钢是在室温条件下，采用一次或多次冲击加载直接成型生产螺钉、螺母、销钉等紧 固件或冷镦成型零部件的一类低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。它广泛应用于汽车、 机械、建筑、电器等行业领域。冷镦钢冷成型性能好，具有优良的综合力学性能。
[0003] 10. 9级冷镦钢有多种，据《金属制品》2008年第1期李卫东等人的"SCM420合金 冷镦钢线材的开发"报道，SCM420合金冷镦钢线材主要用于制作10. 9级高强度外六角螺 栓、螺母、内六角螺栓和螺钉（圆柱头、沉头、半圆头）等标准件以及摩托车、汽车发动机的 链条轴和套等器件。但由于含有Cr、Mo等合金元素，因此成本较高。
[0004] 据《特殊钢》2010年第1期张永军等人的"SCM435高强冷镦钢热乳过程中的再结 晶行为"报道，10. 9级高强汽用螺栓用合金冷镦钢以SCM435钢种系列为主，属于有特殊要 求的高级冷镦钢。该钢种同样属于含铬、钼钢种，成本较高。
[0005] 低碳含硼钢是近年来发展起来用于冷成型的新钢种，其具有以下特点：硼是最有 效的提高淬透性的元素，极微量的硼即能显著提高钢的淬透性，可节约大量昂贵的合金元 素镍、钼等，经济效果明显。
[0006] 据《理化检验-物理分册》2003年第8期王弘等人的"20MnTiB钢螺栓断裂失效 分析"报道，20MnTiB钢的成分范围为：C的质量分数为0. 17%~0. 24%，Si的质量分数为 0. 17%~ 0137%，Mn的质量百分数为1.30% ~ 1. 60%，Ti的质量百分数为0. 04% ~ 0. 1% ，P的质量百分数〈〇. 035%，S的质量百分数为〈0. 035%，B的质量百分数为0. 0005% ~ 0. 0035%。该钢种的成分设计中不含A1元素，有可能造成钢中B元素被氧化，降低其淬透 性。另外，B元素的波动范围较大，不利于产品质量的稳定。
[0007] 据江苏省沙钢钢铁研究院有限公司于2011年10月申请的专利(专利申请号 201110311073. 9)名称为：" 10. 9级含硼免球化退火冷墩钢线材及其制造方法"，该钢种的 化学成分为：C的质量分数为0. 23% ~ 0. 33%，Si的质量分数为0. 02%~ 0. 20%，Mn的 质量百分数为〇. 50% ~ 0. 90%，Ti的质量百分数为0. 005% ~ 0. 05%，A1的质量百分数 为0. 005% ~ 0. 040%，P的质量百分数彡0. 025%，S的质量百分数为彡0. 025%，B的质 量百分数为〇. 0005%~ 0. 0035%，Cr的质量百分数为0. 58~1.50%、Ni的质量百分数为 0. 01~0. 05%以及余量的铁和杂质。优选的，它还包含0. 01~0. 05%V。该成分设计中包含合 金含量较高的Cr、V，不利于成本的降低。另外，由于该成分设计中，硅含量较低，容易引起 冷镦钢的屈服强度不明显，这对高强冷镦钢的使用存在一定的风险性。
[0008] 另外，在上述文章中对钢中B元素含量虽然都有要求，但由于B元素含量范围较 宽，不利于线材产品质量的稳定。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的之一在于提供一种含硼冷镦钢的生产方法，该方法在生产产品成本 低，质量稳定。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案： 一种10. 9级含硼冷镦钢的成分控制在如下范围：C的质量分数为0. 17% ~0. 22%， Si的质量分数为0. 17%~ 0. 37%，Mn的质量百分数为1. 30% ~ 1. 60%，Ti的质量百分数 为0. 04% ~0. 08%，A1的质量百分数彡0. 020%，P的质量百分数〈0. 025%，S的质量 百分数为〈〇. 025%，B的质量百分数为0. 0014% ~ 0. 0023%，其余为Fe和不可避免的 杂质。
[0011] 一种10. 9级含硼冷镦钢的生产方法，步骤如下：转炉一LF精炼炉一 150mmX 150mm 断面连铸机一线材厂加热炉一乳制一冷却，乳制成含硼免球化退火冷墩钢，其线材规格为： 5. 5mm彡直径彡20mm，线材热乳后的抗拉强度为520-600MPa的范围内，屈服强度明显，在 430-51 OMPa的范围内，断面收缩率为68-76%的范围内。
[0012] 所述线材制成成品后，经工业热处理，抗拉强度为1090_1200MPa，〇。.2屈服强度 台阶明显，且为940-1070MPa，硬度在32-37HRC的范围内，断面收缩率为67-73%，伸长率 彡13%，冲击功为165-175J，各项指标均完全满足国标GB/T3098. 1-2000《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中对10. 9级螺栓的要求。
[0013] 本发明的优点在于：将成份中C的质量分数为0. 17~0. 22%，且Si的质量分数为 0. 17%~0. 37%，B的质量百分数为0. 0014%~ 0. 0023%，而且成分配比中不含Cr、V等金 属。这样的钢种成分配比不仅成本较低、生产中产生的裂纹少，而且用户热处理后钢材的性 能稳定，并且热处理后能达到强度高的目的，且高强冷镦钢在使用过程中有较明显的〇 D.2 屈服强度台阶，对冷镦钢的使用安全是非常有利的。
[0014] 本发明的合金设计方案根据如下： C :碳是钢的主要强化元素之一。碳含量过低，则冷镦钢在热处理后后的强度和硬度低， 但是如果碳含量过高，则热乳线材强度高，塑性低，冷墩易开裂，且模具寿命低。因此， 综合考虑，碳含量应控制在0. 17~0. 22%。
[0015] Si:硅元素虽可提高钢的强度，但也导致冷墩变形抗力升高，增加模具消耗，但 钢中硅含量低，冷镦钢的屈服强度不明显，给冷镦钢特别是高强冷镦钢的使用带来潜在的 隐患。因此将钢中Si的含量控制在0. 17-0. 37%。
[0016] Mn:锰是固溶强化元素，过低的锰钢中Mn/S比低，给钢的连铸生产带来质量隐患， 但过多的锰会降低线材的塑性和韧性。因此，锰含量可控制在1. 30-1. 60%。
[0017] Ti:钛元素溶于钢中可提高钢的强度与韧性，特别是可以固氮，消除钢中氮元素的 危害，但过尚会提尚钢材的成本，因此将钦兀素控制在：〇. 04% ~ 0. 08%。
[0018] A1:铝是强脱氧剂，铝含量越高，则钢中氧含量越低，钢材的质量越好。但过高会造 成钢材的成本过高。将钢中A1含量控制在多0. 020%。
[0019] B:虽然含硼冷镦钢有淬透性好、成本低的特点，但由于硼元素是一个敏感元素， 其成分范围需要较好的确定。钢中硼含量过低，达不到提高钢材淬透性的作用；硼含量过 高，又会使钢发脆，钢材在生产过程中容易产生裂纹。另外，如果加入钢中的硼元素被氧化 或氮化，都会使硼失去淬透性，因此含硼冷镦钢要加入铝元素防止硼被氧化，加入钛元素以 防止硼元素被氮化。
[0020] 在本钢种工业开发前，曾做过l〇〇kg真空炉冶炼实验，然后乳制成钢板，结果见表 1，4#钢产生了裂纹。可见，钢中硼含量对钢的性能有重要影响，含量过高，就会使钢在加工 过程中容易产生裂纹。
[0021] 对1#、2#、3#、4#钢都进行了淬透性试验，结果表明：2#、3#、4#钢的淬透性达到 35mm以上，但1#钢的淬透层只有12mm，因此在生产大规格线材(直径>12mm)时，这样的硼 含量不能满足生产要求。
[0022] 综合考虑，将本钢种中硼含量控制在0. 0014% ~ 0. 0023%的范围内。
[0023] P :钢中磷为有害元素，越低越好，但考虑到钢中磷含量过低，制造成本增加，因此 要求P的质量百分数〈〇. 025%。
[0024] S :钢中硫为有害元素，越低越好，但考虑到钢中硫含量过低，制造成本增加，因此 要求S的质量百分数〈0. 025%。
[0025] 本发明10. 9级含硼免球化退火冷墩钢线材的方法，该方法包括依次进行的转炉、 炉外精炼、连铸、高线乳制、斯太尔摩线控冷工序，其特征在于： (1)在冶炼工序中，转炉出钢温度1630-1660°C，出钢碳含量在0. 06-0. 13%的范围内， 出钢的磷含量在〇. 008-0. 019%的范围内。
[0026] (2)在精炼工序中，精炼就位温度在1512-1579°C的范围内，精炼离位温度在 1561-1602°C的范围内。在炼钢精炼工位，铝合金、钛合金、硼合金在精炼的末期加入，且加 入的顺序为：先加入铝合金、再加入钛合金，钢水吹氩弱搅拌3min后，最后加入硼合金。
[0027] (3)连铸生产中过热度控制在15-25°C之间，拉速在1. 9m/min-2. lm/min之间。
[0028] (4)在高线控乳工序中，开乳温度为900-950°C，吐丝温度为850-900°C。
[0029] (5)冷却工序采用斯太尔摩线控冷工艺，在吐丝后进行控制冷却，冷却速度为 0. 5-2 。(：/S。
[0030] 乳制的线材规格为：5. 5mm彡直径彡20mm。
[0031] 按照本发明生产的10. 9级含硼免球化退火冷墩钢，线材热乳后的抗拉强度为 520-600MPa的范围内，屈服强度明显，在430-510MPa的范围内，断面收缩率为68-76%的范 围内，远低于ML40Cr钢抗拉强度为650-750MPa的范围，也好于ML40Cr的断面收缩率，其范 围为31-37%。由于线材的强度低，冷镦性能好，批量生产的冷镦钢1/3冷镦检测全部合格， 远好于35K、ML40Cr等钢种。
[0032] 材料工业热处理后