一种15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条及其制造方法与流程

本发明属于热轧冷镦钢盘条，具体涉及一种15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条及其制造方法。

背景技术：

1、冷镦钢因具有良好的冷成型性能，而通过冷加工广泛应用于各种机械紧固件，目前国内外冷镦钢主要以10.9、12.9级紧固件为主，随着汽车工业和机械设备趋向高应力、高转速等复杂环境方向发展，对冷镦钢的性能提升提出更多需求，对抗拉强度≥1500mpa、屈强比≥0.9的15.9级螺栓等紧固件用钢的需求越发迫切。目前冷镦钢的性能提升主要通过低碳合金化向中碳合金化发展，但由于受限于斯太尔摩风冷线冷速限制，更高强度等级的冷镦钢难以向成本更为低廉的高碳钢发展，往往通过添加大量提高淬透性元素路径进行开发，大量提高淬透性元素添加亦会导致马氏体等异常组织风险提高，进而导致冷镦钢在加工过程的开裂风险提高，例如：

2、专利cn115747678b公开的一种风电用高强度螺栓用钢及风电用高强度螺栓，采用中c-mn-cr-ni-mo-v-b-ti-al-nb成分设计，结合浇注锻造后依次进行低温时效、奥氏体处理、盐浴等温淬火来获得下贝氏体混合组织，但一方面，添加大量的cr、ni、mo、b、ti、nb等高淬透性元素，虽然达到强度等级提高到15.9级，但材料成本和淬透性较高，更易出现异常组织而影响成材率，另一方面，钢坯经轧制为圆棒料后直接采用精确锻造为螺栓毛坯，而非直接轧为直径尺寸较小的盘条，虽然避免了铸坯轧制后经过现有斯太尔摩风冷线的控冷后，易出现马氏体异常组织的问题，但使得小规格螺栓的制造难度显著增加，通过棒材毛坯多次热处理制造，工序复杂，价格昂贵，无法减排高效生产。

3、专利cn114107822b公开的一种15.9级高强度螺栓用钢及其生产方法和热处理方法，采用中c-si-mn-cr-mo-v-nb-ti-al成分设计，结合高温均热、低温控轧控冷和低温吐丝进保温罩缓慢冷却获得珠光体+铁素体+贝氏体的组织，同样添加大量的cr、mo、v、nb、ti等高淬透性元素，材料成本和淬透性较高，虽然采用低温轧制吐丝和保温慢冷抑制出现对拉拔有害的马氏体硬相组织，但一方面，低温控轧控冷需求增大了控冷难度，使得轧机载荷要求较高，易对轧制线的磨损加剧，另一方面，虽然掺杂贝氏体使得基体强度提升，但贝氏体作为硬脆相组织畸变和位错密度较高，盘条塑性不足、脆性较高，容易引起盘条在集卷、运输和下游放卷过程中脆断，造成成材率下降或原材料浪费，进而给钢厂和下游企业的制造成本和效率带来限制。

4、更高强度等级的冷镦钢难以向成本更为低廉的高碳钢发展的技术难点和成因还在于：现有用于拉拔制造的高碳钢主要通过提高组织中的索氏体含量来改善拉拔性能，例如应用在桥索、帘线、胎圈钢丝等领域，会结合吐丝后的保温或低速冷却工艺来延长盘条在索氏体相区的孕育时间，以增加索氏体含量、减少出现贝氏体或马氏体异常组织的风险，但一方面，过低的冷速会导致吐丝后的高温盘条经过二次渗碳体区间的时间较长，形成较高级别的网状碳化物，阻碍基体组织的连续性和均匀性，严重劣化盘条塑韧性，碳元素的使用价值较低，热处理后难以消除，进而易引起拉拔断丝和冷镦开裂风险，而提高冷速后盘条组织中的索氏体含量下降、无法有效消除网碳，对拉拔和冷镦性能的改善有限，另一方面，长时间保温处理下盘条生产效率不足，且保温冷却的最低冷却能力有限，盘条经过索氏体相区的时间仍较短，使得索氏体组织的片层间距较大，持续降温下组织孕育后盘条处于低温状态，组织应力和位错密度较高，塑性难以进一步提高，冷加工硬化程度有所提高，而增大组织中铁素体含量来调控塑性则会导致盘条强度明显损失，塑性提升有限，经过球化退火后还需要大拉拔变形提强，塑性损失较大，加剧拉拔断丝和冷镦开裂风险。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条及其制造方法，能够利用高碳钢降低材料成本、提高制造效率和成材率，避免马氏体等异常组织，实现盘条强塑性匹配，用于15.9级螺栓等紧固件冷镦制造领域，有利于降低冷镦钢在加工过程的开裂风险。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条，所述高碳热轧盘条的化学成分及质量百分比包括：c：0.85%~0.88%、si：0.30%~0.45%、mn：0.45%~0.60%、cr：0.20%~0.40%、p≤0.015%、s≤0.015%，其余为fe和不可避免杂质，其显微组织包括体积百分比占67%~72%的回火珠光体、体积百分比占24%~29%的回火索氏体、其余为铁素体和熔断珠光体所组成的混合组织。

4、上述冷镦钢高碳碳素盘条的化学成分及质量百分比设计依据包括：

5、（1）碳：c元素作为主要添加的廉价强化元素，可以起到固溶强化作用以保证钢的基体强度和高淬透性，但同时增加了脱碳敏感性和渗碳体沿晶界呈网状分布风险，且c元素含量过高，在中温区间所得组织片层较厚，会导致组织球化软化缓慢，对基体组织调控不利，因此基于材料成本考虑、便于组织调控、保证冷镦钢盘条冷变形性能以及满足15.9级螺栓的最终性能等级需求，c的质量百分比控制为0.85%~0.88%。

6、（2）硅：si元素是钢中主要的脱氧元素，且能溶于奥氏体中作为固溶体硬化元素有助于强度的提高，可以抑制在线熔盐超快速控温初期的晶粒粗化，但硅过量会增加非金属夹杂和表面脱碳敏感性，提高盘条的变形抗力，对冷镦和冷挤压不利，因此si的质量百分比控制为0.30%~0.45%。

7、（3）锰：mn元素在冶炼过程中常作为脱氧剂加入钢中，可扩大奥氏体相区，固溶的mn元素可提高钢的强度和淬透性，但mn含量过高会加剧钢坯凝固过程中的偏析，降低碳的活度使碳的扩散速度下降，增加钢的过热敏感性及控冷组织控制难度，mn过高也会带来材料成本的增加，因此mn的质量百分比控制为0.45%~0.60%。

8、（4）铬：cr元素作为中强碳化物形成元素，能够显著增加钢的淬透性，增强基体，经过在线熔盐超快速控温析出细小弥散的碳化物颗粒，起到弥散强化的作用提高材料强度，但cr含量过高，会增加钢的回火脆性倾向，产生低温组织而不利于组织控制，因此cr的质量百分比控制为0.20%~0.40%。

9、（5）磷、硫：p元素和s元素属于杂质元素，越低越好，因此控制p≤0.015％、s≤0.015％。

10、上述高碳热轧盘条采用高c-si-mn-cr化学成分设计，cr含量相对较低、不含有mo、v、nb、ti、b等高淬透性贵价元素，使得盘条材料成本大大降低，配合高碳成分体系，使得调质后能达到15.9级螺栓的性能等级，相较于现有15.9级螺栓用钢热轧态为含有少量或大量贝氏体的混合组织，所述高碳热轧盘条的显微组织中含有大部分回火珠光体和少量回火索氏体，珠光体的片层间距较索氏体更大、塑性较索氏体更好、强度较铁素体更高，经过回火熔断并向球化组织转变后得到回火珠光体和熔断珠光体，组织应力和位错密度得以进一步降低，索氏体的片层间距较珠光体更小、强度较珠光体更好、塑性较贝氏体更高，经过回火并向球化组织转变后得到回火索氏体，位错密度得以进一步降低，故在不过分损失珠光体与索氏体强度的基础上，能够配合高碳固溶强化作用提供不属于含贝氏体组织中碳钢的基体强度，同时相较硬脆相贝氏体、以及位错密度较高的索氏体组织，能够利用珠光体和索氏体强塑性适中的特性，经过组织比例和回火状态调控，进一步有效改善盘条塑性，避免因贝氏体、马氏体等异常组织引起的集卷、运输和下游放卷过程的断裂问题，提高成材率、提高原料利用率，同时有效降低冷镦钢在加工过程的开裂风险。

11、索氏体和珠光体的生成和向回火组织转变过程中伴有少量铁素体产生，回火珠光体和回火索氏体的片层间距越大，则盘条塑性上升、强度下降，但片层间距过大伴有铁素体含量增大、熔断球化难度增加，对组织调控不利，在优选的实施例中，所述回火珠光体的片层间距为160~200nm，所述回火索氏体的片层间距为85~125nm，所述铁素体的体积百分比≤3%。

12、在优选的实施例中，所述高碳热轧盘条的网状碳化物为0级，可以消除碳元素过高引起的网碳恶化相，提升碳元素的使用价值，达到更好的固溶和析出强化效果，避免网碳对塑韧性的不利影响。

13、在优选的实施例中，所述高碳热轧盘条的直径为6.0~15.0mm，抗拉强度rm为1155~1200mpa，断面收缩率z为40%~45%，相较于现有冷镦钢盘条具有更高的强度和塑性匹配，且盘条直径较小，可以通过球化退火进一步拉高盘条塑性、降低拉拔断丝和冷镦开裂风险，之后在高碳成分设计基础上通过调质达到15.9级螺栓的性能等级，相较棒材毛坯的多次热处理制造，能够满足小规格螺栓的减排高效制造，相较含贝氏体组织的热轧态盘条，也能够避免硬脆性对盘条成材率的不利影响。

14、一种15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条的制造方法，其制造方法包括：

15、按上述所述15.9级螺栓用冷镦钢高碳热轧盘条的化学成分轧制生产线材，线材按≥955℃的吐丝温度吐丝为盘条后，进行在线熔盐超快速控温，使盘条以≥40℃/s的冷速降温至珠光体相区进行等温相变，控制盘条形成索氏体组织和珠光体组织，同时促进索氏体组织球化软化、促进珠光体组织熔断软化，最后经过辊道慢冷，制为显微组织包括体积百分比占67%~72%的回火珠光体、体积百分比占24%~29%的回火索氏体、其余为铁素体和熔断珠光体所组成混合组织的高碳热轧盘条。

16、上述制造方法选用较高的吐丝温度，以避免高碳钢在吐丝阶段过于低温引起渗碳体析出风险，同时以便后续在线熔盐超快速控冷形成更高的过冷度，进而形成更细的组织，也便于降低轧制过程的难度、提高轧制速度和效率，相较于现有低温吐丝后的斯太尔摩保温冷却工艺，上述制造方法采用吐丝后直接进行在线熔盐超快速控温，目的之一在于：利用熔盐的高换热能力，使吐丝后的奥氏体化高温盘条快速通过二次渗碳体的析出温度区间，抑制网碳的形成，同时相较于提高斯太尔摩冷却线的风冷强度和冷速，盘条经过熔盐时不存在受风面和背风面的风量差异问题，可以避免冷速过高引起马氏体或贝氏体异常组织的风险，降低力学性能波动，目的之二在于：快速进入珠光体相区，以形成更高的过冷度，使奥氏体相变以形成片层间距更细的组织，提供基体强度，少量不可避免的铁素体不至于影响盘条强度和拉拔性能，更细的索氏体组织和珠光体组织也有利于组织快速球化和软化，相较于保温冷却工艺能够保持盘条与熔盐温度一致，使得盘条在珠光体相区下进行更长时间的高温等温处理，而非包括持续降温，这使得索氏体与珠光体孕育后，盘条仍处于高温状态，可以进一步促进索氏体组织快速球化而软化形成回火索氏体，促进珠光体组织熔断和向球化组织转变形成回火珠光体和熔断珠光体，降低高速降温引起的组织应力，进一步降低索氏体和珠光体的位错密度，快速地调控组织塑性。

17、由于盘条经过在线熔盐超快控温处理后处于高温状态，再经过辊道慢冷能够延续高温对盘条组织的回火调控作用，进一步软化盘条组织，同时相较于吐丝后持续保温冷却，盘条经过在线熔盐超快控温可以用较高的盘条冷却加快处理节奏、降低辊道慢冷的处理时间，使得盘条的生产制造更为高效，最终实现盘条组织调控和强塑性匹配。

18、在优选的实施例中，所述轧制时，轧制前控制加热炉温度≤1150℃，在炉时间为4~6h，选用较高的加热炉温度促进钢坯成分的均匀化，同时避免加热炉温度过高、在炉时间过长引起烧损、脱碳风险，适应快速进行高温轧制。

19、由于采用较高的吐丝温度和在线熔盐超快速控温，轧制时可以打破低温轧制对冷镦钢盘条制造的限制，选用高温轧制来提高轧制速度、降低对轧制线的磨损，使得线材中的碳等元素更均匀地分布，用较大的初轧压下量抑制原始晶粒的过度长大粗化，在优选的实施例中，所述轧制时，采用高温轧制，控制初轧温度为1095~1120℃，初轧压下量为22%~32%。

20、在优选的实施例中，所述轧制时，控制终轧温度≥975℃，终轧压下量为26%~36%，在较高的终轧温度下，较低温轧制更为稳定，线材的形变抗力较小，便于在轧机上用较大的终轧压下量获得较小直径的线材，提高盘条尺寸稳定性，防止轧制过程中的开裂，降低轧机负荷，避免终轧温度过低引起再结晶过程不完善和残余应力增大，改善线材的韧性和塑性。

21、在优选的实施例中，所述终轧温度为975~995℃，所述吐丝温度为955~970℃，能够避免终轧温度和吐丝温度过高引起晶粒粗化，对进一步强韧化基体有利。

22、在优选的实施例中，所述在线熔盐超快速控温的熔盐温度为555~585℃，处理时间为50~150s，熔盐温度越低，则盘条冷速越快、过冷度越大，对形成片层间距更细的组织有利，使奥氏体转变为索氏体的含量增多，更细的索氏体有利于组织快速球化和软化，组织中的回火索氏体占比增加，回火珠光体片层间距变细，盘条强度上升、塑性下降，但熔盐温度过低，索氏体含量增加，但对珠光体熔断并向球化组织转变不利，甚至会出现贝氏体组织，严重劣化盘条塑性，反之熔盐温度越高，则回火索氏体和回火珠光体片层间距增大，回火珠光体的占比增多，盘条强度下降、塑性上升，但熔盐温度过高，组织过粗，回火索氏体占比下降、铁素体含量增多，会影响盘条强度，对抑制网碳不利；处理时间越长，则组织软化效果越明显，熔断珠光体占比增多，盘条塑性上升、强度下降，但处理时间过长，盘条过于软化，对盘条强度、能耗、稳定地组织调控以及快速生产不利，反之处理时间越短，则组织残余应力较大，索氏体和珠光组织位错密度较大，盘条塑性未能提升，容易拉拔硬化，对15.9级螺栓高效生产和成材率不利，故可以进一步控制在线熔盐超快速控温的熔盐温度和处理时间，抑制网碳形成同时，调控索氏体与珠光体占比、片层间距及回火状态，在较短的时间内促进组织快速球化和软化，稳定调控基体强塑性匹配。

23、在优选的实施例中，所述在线熔盐超快速控温的熔盐循环量为540~640t/h，熔盐温升≤8℃，选用较高的熔盐循环量控制熔盐温升，提高在线熔盐超快速控冷的温度精度，进而提高组织调控的稳定性，避免异常组织风险。

24、在优选的实施例中，所以辊道慢冷采用关闭保温罩，控制盘条以0.7~1.0℃/s的冷却速度冷却，可以延续盘条经过在线熔盐超快速控温处理后的高温状态，促进盘条组织的进一步软化，也避免盘条冷却速度过低引起辊道堆积进而影响生产效率。

25、在优选的实施例中，盘条经过辊道慢冷冷却至350℃以下集卷，可以使辊道慢冷阶段保持足够的软化效果，避免集卷温度过高、盘条过软引起表面擦伤，提高盘条表面质量和同圈度。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

27、（1）针对现有镦钢的性能提升主要通过低碳合金化向中碳强淬透性合金化发展，导致材料成本、马氏体等异常组织风险、加工脆断风险、冷镦开裂风险提高的现状，本发明的高碳热轧盘条的采用高c-si-mn-cr化学成分设计，cr含量相对较低、不含有mo、v、nb、ti、b等高淬透性贵价元素，使得盘条材料成本大大降低，显微组织中不含有贝氏体或马氏体硬脆相组织，以回火珠光体为主、含少量回火索氏体、其余为铁素体和熔断珠光体，配合高碳固溶强化提供基体强度，用回火态组织调控软化基体，可以直接获得小规格的盘条，实现盘条强塑性匹配，下游用户进一步加工前的盘条性能即可达到抗拉强度rm为1155~1200mpa，断面收缩率z为40%~45%，有效避免了因贝氏体、马氏体等异常组织引起的集卷、运输和下游用户放卷脆断问题，提高了成材率，用于制造15.9级螺栓等应用领域，具有良好的市场应用前景。

28、（2）针对现有制造方法受限于斯太尔摩风冷线冷速限制，更高强度等级的冷镦钢难以向成本更为低廉的高碳钢发展的现状，本发明的制造方法通过高c-si-mn-cr化学成分设计、结合在线熔盐超快速控温技术，一方面，能够快速通过二次渗碳体区间，消除碳元素过高引起的网碳恶化相，提升碳元素的使用价值；另一方面，配合较高的吐丝温度提供更高的过冷度，形成更细的组织，在珠光体相区进行等温相变，较吐丝后直接保温冷却既能够避免异常组织，控制盘条形成索氏体组织和珠光体组织，同时促进索氏体组织球化软化、促进珠光体组织熔断软化，再经过辊道慢冷促进盘条组织的进一步软化，实现了盘条组织和强塑性能调控，成功制造了冷镦钢高碳热轧盘条，又能够提高盘条制造效率和成材率，具有良好的工业适应性。

29、（3）针对现有制造方法受限于低温轧制吐丝带来的轧机磨损、轧速降低、组织应力和生产难度问题，本发明的制造方法由于采用较高的吐丝温度和在线熔盐超快速控温，轧制时可以选用较高的加热炉温度促进钢坯成分的均匀化，打破低温轧制对冷镦钢盘条制造的限制，选用高温轧制来进一步提高轧制速度、降低对轧制线的磨损，改善组织应力和塑韧性能。