一种中碳机械结构用钢及其制造方法

摘要

中碳机械结构用钢及其制造方法，其成分质量百分比含量为：C 0.40‑0.54％、Si 0.27‑0.35％、Mn 0.6‑0.8％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、Al 0.015‑0.05％、O≤0.001％、V 0.06‑0.2％、Hf 0.2‑1.0％、Ca 0.001‑0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质，且，还含有最高1％的任选加入的稀土和反应性元素如Ce、La、Re、Sc和/或Y。本发明采用微合金添加设计，在添加V的情况下，通过添加适量Hf(铪)、Ca(钙)等，控制较低含量的总氧，这样使材料既有较高的强度，加入微量元素铪和钙，使钢的晶粒进一步细化，在钢中形成较硬的质点，不仅能够提高强度，而且可以改善塑性。

权利要求

1.一种中碳机械结构用钢，其成分质量百分比为：C 0.40‑0.54％、Si 0.27‑0.35％、Mn0.6‑0.8％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、Al 0.015‑0.05％、O≤0.001％、V 

0.06‑0.2％、Hf 0.2‑1.0％、Ca 0.001‑0.005％，其余为Fe和其他不可避免的杂质，且，同时满足：

还含有Ce、La、Re、Sc和Y中一种或一种以上，其含量不超过1％；

Hf/C＝0.5‑1.5、Hf/N＝60‑140；

Ca/O＝1‑5、Ca/S＝0.06‑0.6。

2.如权利要求1所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，V的含量为0.08‑0.1％，以质量百分比计。

3.如权利要求1所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，Hf的含量为0.3‑0.7％，以质量百分比计。

4.如权利要求1所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，Ca的含量为0.001‑0.003％，以质量百分比计。

5.如权利要求1或2或3或4所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，所述机械结构用钢的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒尺寸为12‑22μm。

6.如权利要求1或2或3或4所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，所述机械结构用钢的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1300MPa、硬度性能HB≥265和断面收缩率≥40％。

7.如权利要求5所述的中碳机械结构用钢，其特征在于，所述机械结构用钢的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1300MPa、硬度性能HB≥265和断面收缩率≥40％。

8.如权利要求1～4中任何一项所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，包括电炉炼钢，LF和VD/RH精炼，方坯连铸，初轧开坯，钢坯修磨，二次轧制成材，淬火+回火或退火+酸洗；其中，

在VD/RH精炼末期加入硅钙合金，成分合格后，进行吹氩气搅拌，氩气流量控制5‑8升/分钟；在连铸中间包内加入铪铁Hf，连铸中间包配备电磁搅拌装置，对中包内钢液进行均匀化搅拌；

方坯连铸，连铸300×400～500×600mm大方坯；

所述初轧开坯，加热温度为1150～1250℃，压缩比控制2.5‑5.0；

所述二次轧制成材，将钢坯再加热至1150～1250℃，轧制成25～250mm圆钢或者方型钢材。

9.如权利要求8所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，所述方坯连铸工序中，拉速控制为0.45‑0.95m/min；采用结晶器保护渣。

10.如权利要求8所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，所述连铸方坯中采用结晶器电磁搅拌，电流为200‑500A，频率为2.5‑5.5Hz；连铸后的方坯断面等轴晶比例≥

20％。

11.如权利要求8所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，所述淬火+回火中，淬火加热温度为850‑880℃，冷却速度控制在50‑100℃/S，回火加热温度为640‑670℃，冷却速度控制在50‑100℃/S。

12.如权利要求8所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，所述机械结构用钢的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒尺寸为12‑22μm。

13.如权利要求8或12所述的中碳机械结构用钢的制造方法，其特征是，所述机械结构用钢的屈服强度≥1150MPa，抗拉强度≥1300MPa、硬度性能HB≥265和断面收缩率≥40％。

说明书

一种中碳机械结构用钢及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于机械结构用钢领域，主要涉及一种中碳机械结构用钢及其制造方法。

背景技术

[0002] 50CrV钢种用作较大截面的高负荷重要弹簧，以及工作温度<300℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧。一般使用规格为1.5～10.0mm之间，多退火状态。钢卷为热轧状态，采
用球化退火减低硬度以便为进一步加工创造条件。该钢种交货状态一般都是退火板，省去
了再退火的处理。

[0003] 表1相关典型钢种的化学成分(wt％)

[0004]

[0005] 表2相关典型钢种的力学性能

[0006]

[0007] 由表1和表2可见，随着技术的进步，实际应用对该钢种提出了更高的要求。现有技术中的部分机械结构用钢还不能完全满足目前使用和制造要求，需开发一种(抗拉、屈服)
强度更高、塑性(延伸率、断面收缩率)更好、成本更合理的机械结构用钢。

[0008] 现有钢种强度设计主要采用通过添加Si、Mn、Cr(Ni)等元素固溶强化，通过添加V、N等元素在晶界析出VN(氮化钒)起到晶界强化效果。随着技术进步，对该钢种的强度提出了
更高的要求。为了进一步提高强度，需要提出可行的、新的强度设计思路才能满足技术进步
的要求。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种中碳机械结构用钢及其制造方法，该合金具有更好的力学性能和工艺性能，其屈服强度≥1150MPa；抗拉强度≥1300MPa、良好的硬度性能(HB≥
265)和断面收缩率≥40％，且材料成本相对较低，主要用于制造较大截面的高负荷重要弹
簧，以及工作温度<300℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧。

[0010] 为实现上述目的，本发明的技术方案是，

[0011] 本发明采用微合金添加设计，在原来添加V的情况下，通过添加适量Hf(铪)、Ca(钙)等，控制较低含量的总氧，这样使材料既有较高的强度，加入微量元素铪和钙使钢的晶
粒进一步细化，在钢中形成较硬的质点，不仅能够提高强度，而且可以改善塑性。

[0012] 具体的，本发明所述的一种中碳机械结构用钢，其成分质量百分比为：C 0.40‑0.54％、Si 0.27‑0.35％、Mn0.6‑0.8％、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.005％、Al 0.015‑
0.05％、O≤0.001％、V 0.06‑0.2％、Hf 0.2‑1.0％、Ca0.001‑0.005％，其余为Fe和其他不
可避免的杂质，且，同时满足：

[0013] 还含有Ce、La、Re、Sc和Y中一种或一种以上，其含量不超过1％；

[0014] Hf/C＝0.5‑1.5、Hf/N＝60‑140；

[0015] Ca/O＝1‑5、Ca/S＝0.06‑0.6。

[0016] 优选的，V的含量为0.08‑0.1％，以质量百分比计。

[0017] 优选的，Hf的含量为0.3‑0.7％，以质量百分比计。

[0018] 优选的，Ca的含量为0.001‑0.003％，以质量百分比计。

[0019] 优选的，所述机械结构用钢的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒尺寸为12‑22μm。

[0020] 在本发明钢的成分设计中：

[0021] C：通常C含量主要影响碳化物的析出量和析出温度范围。控制较低的C含量有利于改善该钢的力学性能。碳具有一定的强化作用，但是，过高的碳含量会降低材料的耐蚀性
能。目前冶炼设备的生产能力能够满足将碳控制在所要求的范围内。这样，有利于兼顾材料
力学性能和冲击韧性。

[0022] N：是稳定奥氏体元素。控制较低的N含量有利于改善该钢的冲击韧性。高的氮含量导致韧性和延展性减少并且减少可热加工性。因此上限定为0.05％。采用高铁水比电炉冶
炼工艺可以控制钢中氮含量。

[0023] Si：在钢中可以提高的强度，但是，对钢的成型性和韧性不利。该元素冶炼过程中常有残留，因此，适当选择其含量很重要。

[0024] Mn：较弱的奥氏体元素，可抑制机械结构用钢中硫的有害作用，改善热塑性。但是，含量过高不利于保证其耐腐蚀性。该元素冶炼过程中常有残留，需要适当选择其含量。

[0025] Al：主要通过控制钢中氧含量影响位错行为来强化合金。增加铝的总量可以明显地提高固溶温度、力学性能，但有损塑性。铝有利于钢的延伸变形性能，改善钢的加工性能。
过高的铝含量会降低钢的冲击韧性。

[0026] O：是钢中杂质元素，主要以氧化物夹杂存在，总氧含量高表明夹杂物较多。降低总氧含量有利于提高材料的综合性能。控制总氧≤0.001％，可保证材料良好的力学和耐蚀性
能。

[0027] P和S：它们会严重影响低温用钢的力学性能和加工性能，必须严格控制。通常控制P≤0.010％，S≤0.005％。

[0028] Cr：铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。铬在调质结
构钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢
中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。含铬的弹簧钢在热处理时不易
脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。

[0029] V：与碳、氧、氧有极强的亲和力，可形成相应的稳定化合物。在钢中主要以碳化物形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体
时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在时，降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性，
并产生二次硬化效应。钢中含钒量，除高速工具钢外，一般均不大于0.5％。钒在普通低碳合
金钢中能细化晶粒，提高正火后的强度和屈服比及低温特性，改善钢的焊接性能。钒在合金
结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性，故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元
素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比，细化晶粒，过热敏感性。在渗碳
钢中因能细化晶粒，可使钢在渗碳后直接淬火，不需二次淬火。钒在弹簧钢和轴承钢中能提
高强度和屈服比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而提高了
表面质量。

[0030] Hf：铪是强碳化物形成元素，Hf合金可制造工具钢及电阻材料。在耐热合金中铪用作添加元素，例如钨、钼、钽的合金中有的添加铪。HfC由于硬度和熔点高，可作硬质合金添
加剂。铪可作为很多充气系统的吸气剂。铪吸气剂可除去系统中存在的氧、氮等不需要气
体。

[0031] Ca：是一种十分活泼的金属元素。与氧、氮、硫都有很强的亲和力。因此，钙在钢铁冶炼中是一种良好的脱氧和脱硫剂，钢中加钙能细化晶粒，脱氧去硫，改变非金属夹杂物的
成分，数量及形态；改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温、耐低温性能；提高钢的塑性、冲击韧
性、疲劳强度和焊接性能；还能增强钢的抗热裂、抗氢致裂纹和抗层状。

[0032] 本发明设计的机械结构用钢在室温状态下为铁素体+珠光体组织，晶粒比现有钢种较细。它具有良好的力学性能和工艺性能等；更加能够适用于主要用于制造较大截面的
高负荷重要弹簧，以及工作温度<300℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧。

[0033] 与相关典型钢种相比，本发明的主要特点是：

[0034] 1、添加少量Hf，部分Hf固溶在钢种，部分形成适量HfC，有利于提高钢的强度、细化钢的晶粒、改善冲压性能；

[0035] 2、少量添加Ca元素，可抑制钢中氧、硫对晶界的危害，从而可以细化晶粒、改善该钢的冲击韧性的作用。

[0036] 本发明合金成分调整的理论依据和设计思路：

[0037] ①在本发明钢种中添加少量Hf元素，该元素部分固溶在钢中，另一部分形成一定数量的HfC质点，添加Hf数量需要满足以下数量关系：Hf/C＝0.5‑1.5、Hf/N＝60‑140，这样，
有利于形成一定数量的HfC质点(能够有效提高钢的强度)，且能在一定范围内，抑制钢中N
的扩散，以达到进一步提高钢的强度、细化晶粒和改善冲压性能的效果。

[0038] ②在本发明钢种中添加少量Ca元素，该元素会与钢中部分O、S元素结合，需要满足以下数量关系：Ca/O＝1‑5、Ca/S＝0.06‑0.6。这样，在钢液凝固过程中能够形成一定数量的
CaO、CaS，一方面，可以减少钢中氧化物、硫化物，从而抑制氧、硫对晶界的弱化作用；另一方
面，这些质点也能够可以起到细化晶粒和稳定奥氏体晶粒的作用，有利于提高材料冲击韧
性。

[0039] 本发明所述的机械结构用钢的制造方法，其包括电炉炼钢、LF和VD/RH精炼、方坯连铸、初轧开坯、钢坯修磨、二次轧制成材、淬火+回火、或退火+酸洗；其中，

[0040] 在VD/RH精炼末期加入硅钙合金，成分合格后，进行吹氩气搅拌，氩气流量控制5‑8升/分钟；在连铸中间包内加入铪铁Hf，连铸中间包配备电磁搅拌装置，对中包内钢液进行
均匀化搅拌；

[0041] 方坯连铸，连铸300×400～500×600mm方坯；

[0042] 所述初轧开坯，加热温度为1150～1250℃，压缩比(原始断面面积/开坯后断面积)控制在2.5‑5.0。

[0043] 所述二次轧制，将钢坯再加热至1150～1250℃，压缩比控制在1.0‑4.0。

[0044] 优选的，所述方坯连铸工序中，拉速控制为0.45‑0.95m/min；采用结晶器保护渣。

[0045] 优选的，所述连铸方坯中采用结晶器电磁搅拌，电流为200‑500A，频率为2.5‑5.5Hz；连铸后的方坯断面等轴晶比例≥20％。

[0046] 优选的，所述淬火+回火中，淬火加热温度为850‑880℃，冷却速度控制在50‑100℃/S，回火加热温度为640‑670℃，冷却速度控制在50‑100℃/S。

[0047] 在本发明所述机械结构用钢的制造方法中：

[0048] 在VD(RH)精炼末期加入硅钙合金(Ca)，成分合格后，进行吹氩气的搅拌，氩气流量控制5‑8升/分钟。在连铸中间包内加入少量铪铁(Hf)，满足成分要求。连铸中间包配备电磁
搅拌装置，对中包内钢液进行均匀化搅拌。

[0049] 所述连铸工序中，拉速控制为0.45‑0.95m/min；采用结晶器保护渣。

[0050] 优选的，所述连铸方坯中采用结晶器电磁搅拌，电流为200‑500A，频率为2.5‑5.5Hz；连铸后的方坯断面等轴晶比例≥20％。

[0051] 所述连铸大方坯要经过表面精整修磨，去除可见的表面缺陷，保证表面质量良好。

[0052] 测试钢材力学性能的试样毛坯尺寸为25mm，经过二次热轧成钢材后，通过控制淬火和回火，使热轧钢材获得良好的力学性能。这样有利于改善室温力学性能和冲击韧性。获
得综合性能满足要求的热轧产品。

[0053] 本发明钢中Hf和Ca，主要采用加入铪铁合金和纯钙合金的方式实现。

[0054] 在冷却凝固过程中能够在合金中形成平均直径为0.3‑2μm、数量为5～10个/mm2的2
HfC质点，和直径为0.3‑8μm、数量为2～15个/mm的CaO/CaS质点。

[0055] 这些质点可在连铸凝固过程和热轧、热处理等过程中细化并稳定该合金晶粒尺寸，既可以改善该合金的力学性能，又能够避免在大方坯和热轧产品表面形成冶金缺陷。

[0056] 与现有同类合金结构钢相比，本发明具有以下有益效果：

[0057] 本发明成分设计中有两种微合金添加：加入Hf和Ca，①在凝固过程中能促使在本发明合金中形成一定数量的HfC，该类质点能够起到强化作用，且能抑制钢中N的扩散；②在
2
凝固过程中形成一定数量的CaO、CaS质点。这样，就会形成直径0.3‑8μm，数量5‑10个/mm的
2
HfC和直径0.3‑8μm，数量2‑15个/mm的CaO/CaS质点。上述这些质点可以起到细化、稳定奥
氏体晶粒的作用。

[0058] 通过采用上述技术，本发明合金可以把本发明最终产品的晶粒尺寸控制在12‑22μm(8.0‑9.5级)，比原有技术有显著进步，这样十分有利于改善材料的力学性能；而现有技术
只能把晶粒尺寸控制在27‑37μm(6.0‑7.5级)。

[0059] 比较而言，现有同类钢种则没有这个设计，对于某些应用而言，力学性能，冲击韧性不能满足要求。

具体实施方式

[0060] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。

[0061] 按照本发明钢种的化学成分要求，钢坯经过电炉冶炼、LF炉和VD(RH)精炼，软搅拌一段时间，再添加Hf+Ca，采用大方坯连铸机浇铸，室温下对大方板坯进行精整修磨；热轧包
括初轧开坯和二次轧制，加热温度为1150～1250℃，连铸大方坯，先开坯成中间断面的钢
坯；之后把钢坯再加热制成25～250mm圆钢或者方型钢材；热轧圆钢或者方型钢材淬火加热
温度为850‑880℃，冷却速度控制在50‑100℃/S，回火加热温度为640‑670℃，冷却速度控制
在50‑100℃/S。

[0062] 对比例钢种采用传统成分。该产品要在室温至100度长期使用，制作过程要进行热处理。对比例与本发明实施例性能测试均采用直径10mm的钢材。

[0063] 本发明实施例钢和对比例钢的具体成分参见表3，表4为本发明实施例钢的制造工艺参数，表5所示为本发明实施例钢和对比例钢的力学性能比较。

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