一种中碳高锰含钒合金结构圆钢材料组织的控制方法与流程

1.本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种中碳高锰含钒合金结构圆钢材料组织的控制方法，具体涉及一种降低中碳高锰含钒合金结构圆钢材料组织的连铸与轧制工艺。


背景技术：

2.中碳高锰含钒合金结构钢因其具有优良的加工与力学性能，被广泛应用于工程机械与汽车零部件制造等领域，但是该钢种具有非常容易出现带状、心部偏析带等异常组织的特性，并最终影响到材料的使用性能。
3.金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁索体呈带状分布的组织，即形成带状组织，在普通碳素钢和合金结构钢中，常见的带状组织是指沿轧制方向形成的铁素体带和珠光体带相互堆叠而成的组织形态。带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，极大地降低钢的塑性和韧性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。压力加工时易于从交界处开裂。对于需要后续热处理的零件，带状组织轻则会导致热变形过大，重者会造成应力集中，甚至出现裂纹，严重缩短材料的使用寿命。
4.合金元素的微观偏析是形成铁素体-珠光体带的最主要原因，而微观偏析则是由钢液凝固过程中合金元素的选分结晶造成，在高锰钢中，由于元素的选分结晶作用，枝晶间的锰元素浓度较高，枝晶内锰元素浓度较低。锰是奥氏体稳定元素并能降低ar3转变温度，所以高锰区(枝晶间)的ar3转变温度要比低锰区(枝晶内)的低，随着温度降低，铁素体优先在枝晶内形核，碳元素在铁素体中的溶解度远低于在奥氏体中的溶解度，使得碳在枝晶间聚集，轧制后，在原枝晶间区域形成珠光体带，枝晶内的铁素体带与枝晶间形成的珠光体带层叠交错形成带状组织并在心部产生较宽大的珠光体甚至马氏体异常偏析带。
5.因此，如何减轻中碳高锰钢的带状组织和心部异常偏析带问题，提高材料的使用性能，已经成为行业的一大难点。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种降低中碳高锰含钒合金结构圆钢的微观偏析与带状组织和心部偏析带的生产工艺，并使得材料的综合力学性能得到有效提高。
7.本发明的目的主要是通过以下技术方案来实现的：
8.一种中碳高锰含钒合金结构圆钢材料组织的控制方法，工艺包括成分优化调整、连铸生产、加热炉加热、轧制，具体步骤如下：
9.(1)当钢中钒、钛、铝等细晶元素及易偏析元素mn、p、s含量较多时，在对应的轧、锻材中易出现铁素体-珠光体条带状组织，并在心部出现大的珠光体甚至马氏体异常偏析带，因此在材料强度满足标准要求的前提下，将mn、v含量降低10％，将铝含量降低30％，同时将p由原来的≤0.015％调整为p≤0.013％，将s含量由原来的≤0.010％调整为s≤0.005％，将材料晶粒度由原来的7-8级降低至6-7级。
10.中碳高锰含钒合金结构圆钢按照质量百分比的元素组成为：c 0.39～0.46％、si 0.25～0.45％、mn 0.90～1.1％、p≤0.013％、s≤0.005％、ni≤0.20％、cr 0.10～0.25％、al 0.014～0.025％、v 0.07～0.11％、cu≤0.20％、mo≤0.05％，余量是fe和不可避免的杂质。
11.(2)严格控制钢水过热度15～30℃，防止因高温浇注导致铸坯凝固过程铸坯内部出现大的温度梯度，从而产生严重的枝晶偏析，在随后的轧制延伸过程出现偏析带组织。
12.(3)连铸过程合理地抑制柱状晶的发展、扩大等轴晶区比例和缩小二次枝晶间距都可以有效地控制枝晶偏析，与此相关的工艺措施是：控制连铸拉速，采用慢拉速浇注，拉速设立为0.60～0.68m/min(目标拉速0.65m/min)；控制二冷比水量，采用弱冷，控制比水量0.18l/kg，并将二冷水量分配比设为35％：40％：25％。
13.(4)连铸生产过程采用一些辅助技术手段：采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌，并加强电磁搅拌强度，在确保铸坯低倍组织中不出现白亮带(负偏析)的前提下最大限度地提高电磁搅拌强度(其中，结晶器电磁搅拌电流350
±
5a，频率2
±
0.2hz；末端电磁搅拌电流450
±
5a，频率6
±
0.2hz)，利用电磁力搅碎枝晶，增加枝晶的形核核心，扩大等轴晶区，并采用脉冲磁振荡(pmo)凝固均质化技术，设立其电压参数为100v，促进异质形核，从而细化凝固组织。通过上述手段可达到减少材料的微观偏析的目的。
14.(5)采用高温长时间扩散加热工艺，从而对mn、c、s、p等易偏析元素进行扩散，防止在轧制过程出现条带状组织，具体加热工艺参数为：加热ⅰ段温度900～1050℃；加热ⅱ段温度1255～1280℃；均热段温度1255～1280℃；开轧温度1160～1190℃；出钢节奏240～300s；总加热时间420～550min；高温段时间≥180min，同时为防止高温长时间加热带来的材料脱碳超标，控制加热炉内空燃比0.40～0.75。
15.(6)采用控轧控冷工艺，实现低温轧制，防止在两相区轧制，并在轧后进行强冷，从而防止出现珠光体和铁素体条带及心部偏析带，具体控轧控冷工艺参数为：圆钢进kocks温度850
±
15℃，抛钢温度750
±
15℃，主要通过开启1至7号水箱并调节水量的大小及调节轧速来控制。
16.本发明的有益效果是：考虑到中碳高锰含钒合金结构钢，轧后的材料容易产生珠光体偏析条带组织，用户在摩擦焊后在偏析带区域出现大面积的热影响区(马氏体条带)，从而使得材料变脆，最终影响材料的使用寿命。本发明做了如下工作：
17.①
、对化学成分(将mn、v含量降低10％，将铝含量降低30％，同时将p由原来的≤0.015％调整为p≤0.013％，将s含量由原来的≤0.010％调整为s≤0.005％)进行了优化调整，一方面降低v、al等细晶元素含量，防止晶粒过细，而出现条带状组织；另一方面适当降低mn元素含量，并降低p、s等有害易偏析元素含量。
18.②
、连铸生产过程降低钢水过热度；降低拉浇速度；采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌，并对电磁搅拌电流参数进行优化设计；采用脉冲磁振荡(pmo)凝固均质化技术，目的是为了破碎树枝晶，提高等轴晶比例，细化凝固组织，最终减轻铸坯偏析，从而减轻轧材偏析及带状组织级别。
19.③
、轧制过程采用高温扩散加热工艺，其实质是通过高温下较长时间的保温过程，铸坯中的偏析元素c、mn、p、s等才能扩散均匀，在之后的冷却再结晶过程中才不会形成铁素体-珠光体的带状组织和心部偏析带。
20.④
、采用控轧控冷工艺，避开两相区轧制，通过低温轧制，加强轧后冷却，从而达到减轻轧材带状组织的目的。
21.通过上述努力，有效地减轻了材料的偏析，使得心部偏析带宽得到了有效控制，从而提高了中碳高锰含钒钢的用户使用性能。
附图说明：
22.图1优化前的圆钢心部偏析带宽组织照片(心部珠光体偏析带宽度676μm)；
23.图2实施例1圆钢心部偏析带宽组织照片(心部珠光体偏析带宽度82μm)；
24.图3优化前的圆钢低倍照片(中心有明显的碳偏析黑心)；
25.图4实施例1圆钢低倍照片(中心无明显的黑心)。
具体实施方式
26.下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。
27.实施例1
28.以中碳高锰含钒钢f40mnv(c 0.41％、si 0.31％、mn 0.95％、p 0.011％、s≤0.003％、ni 0.01％、cr 0.15％、al 0.018％、v 0.08％、cu 0.04％、mo 0.005％)(规格φ62mm)的生产为例说明：
29.生产工艺流程：220mm*260mm断面5机5流弧形连铸机—铸坯精整—蓄热式加热炉加热—连轧机组轧制—kocks精轧机组轧制—冷却—下线精整、打包入库。
30.1、连铸生产：
31.低过热度浇注，控制钢水过热度28℃；控制连铸拉速：0.65m/min；控制二冷比水量0.18l/kg，并将二冷水量分配比设为35％：40％：25％；设置结晶器电磁搅拌参数：电流350a，频率2hz；末端电磁搅拌电流450a，频率6hz；采用脉冲磁振荡(pmo)凝固均质化技术，设立其电压参数为100v。
32.2、铸坯加热：
33.精整后的断面为220mm*260mm连铸方坯在蓄热式加热炉内加热，加热ⅰ段温度980℃；加热ⅱ段温度1271℃；均热段温度1272℃；出钢节奏280s；总加热时间515min；高温段时间236min，为防止高温长时间加热带来的材料脱碳超标，控制加热炉内空燃比0.51。
34.3、控制轧制
35.开轧前利用高压水对钢坯除鳞，高压水压力18mpa，控制开轧温度1172℃，通过开启水箱、调节水量大小并通过调整轧制速度，控制圆钢进kocks温度855℃。
36.4、控制冷却
37.通过开启6-7号水箱，并调节水量大小，来控制圆钢的抛钢温度752℃。
38.实施例2
39.连铸生产：控制钢水过热度26℃。
40.铸坯加热：加热ⅰ段温度975℃；加热ⅱ段温度1267℃；均热段温度1263℃；出钢节奏270s；总加热时间510min；高温段时间237min。
41.控制轧制：开轧温度1169℃，圆钢进kocks温度845℃。
42.控制冷却：圆钢的抛钢温度745℃。
43.实施例3
44.连铸生产：控制钢水过热度27℃。
45.铸坯加热：加热ⅰ段温度997℃；加热ⅱ段温度1262℃；均热段温度1258℃；出钢节奏268s；总加热时间507min；高温段时间223min。
46.控制轧制：开轧温度1175℃，圆钢进kocks温度849℃。
47.控制冷却：圆钢的抛钢温度747℃。
48.实施例4
49.连铸生产：控制钢水过热度28℃。
50.铸坯加热：加热ⅰ段温度983℃；加热ⅱ段温度1269℃；均热段温度1261℃；出钢节奏283s；总加热时间542min；高温段时间243min。
51.控制轧制：开轧温度1165℃，圆钢进kocks温度837℃。
52.控制冷却：圆钢的抛钢温度740℃。
53.实施例5
54.连铸生产：控制钢水过热度29℃
55.铸坯加热：加热ⅰ段温度1021℃；加热ⅱ段温度1266℃；均热段温度1265℃；出钢节奏264s；总加热时间499min；高温段时间225min。
56.控制轧制：开轧温度1181℃，圆钢进kocks温度844℃。
57.控制冷却：圆钢的抛钢温度754℃。
58.采用以上工艺各制备一个批次的圆钢，共计5个批次圆钢。
59.对比例1
60.对比例1与实施例1相比，区别在于：不实现低过热度浇注，过热度38℃，其它操作同实施例。
61.对比例2
62.对比例2与实施例1相比，区别在于：不实现低拉速浇注，控制拉速1.0m/min，其它操作同实施例。
63.对比例3
64.对比例3与实施例1相比，区别在于：连铸浇注过程不采用大的电磁力进行搅拌，采用较弱的电磁搅拌，控制结晶器电磁搅拌参数：电流250
±
5a，频率2
±
0.2hz；末端电磁搅拌电流200
±
5a，频率6
±
0.2hz，其它操作同实施例。
65.对比例4
66.对比例4与实施例1相比，区别在于：不采用高温扩散加热工艺，控制加热ⅱ段温度1196℃；均热段温度1202℃；总加热时间400min；高温段时间≥100min，其它操作同实施例。
67.对比例5
68.对比例5与实施例相比，区别在于：不采用控轧控冷工艺，控制圆钢进kocks温度885℃，抛钢温度835℃，其它操作同实施例。
69.本发明实施例1～5，对比例1～5带状组织、晶粒度、低倍组织情况对比如下
70.表1：
[0071][0072]
表1圆钢理化性能指标及用户使用情况对比情况(用户将材料采用摩擦焊加工工艺，如果心部珠光体条带宽度大，在摩擦焊后材料易出现大面积的热影响区，即大面积的马氏体异常组织带，从而使得材料变脆、塑韧性变差，最终影响材料的使用寿命)。
[0073]
结果表明：通过对成分的合理优化设计，连铸过程对过热度、二冷比水、拉速等参数进行优化，并采用大的电磁搅拌电流参数；轧制加热过程采用高温长时间加热工艺并采用控轧控冷工艺，使得中碳高锰含钒合金结构圆钢的材料组织检测指标及用户最终使用性能达到了国际先进水平。
[0074]
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。