一种钢棒用钢及其制备方法和钢棒

摘要

本发明为一种钢棒用钢及其制备方法和钢棒。所述钢棒用钢的组成包括以下质量百分比的化学成分：C：0.15%至0.35%；Mn：2.00%至3.50%；Si：1.00%至2.5%；Cr：0.10%至0.85%；V：0.01%至0.12%；余量为Fe，且所述钢棒用钢中Mn与Si的质量比在1.05至1.65之间。本发明所提供的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的塑性。同时成产工艺简单，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及钢棒用钢领域，尤其涉及一种钢棒用钢、该钢棒用钢的制备方法和利用所述钢棒用钢制成的钢棒。

背景技术

我国钢材年产量自1996年突破1亿吨以来，钢材产能和实际产量持续高速增长，近两年更是达到8亿吨/年以上，成为名副其实的钢铁大国，也是钢铁消费第一大国。但我国钢铁产品中高端产品较少，低端普通产品占据相当大部分产能，大量高端产品需进口，因此我国是钢铁大国，距离钢铁强国还有较大差距。

一般而言，钢的强度与塑韧性是一对矛盾，钢的强化即提高强度的手段都是以降低钢的塑性和韧性为代价，强度的提高会造成塑韧性下降，脆性增加。高强钢在获得高强度的同时，也具有较高的脆性。现代工业技术的发展对工程材料提出了越来越高的要求，特别是结构材料的综合性能要求越来越高，要求高的强韧性的配合。延伸率相对较好的钢，强度往往并不理想，比如孪晶诱发塑性(TWIP)钢，其延伸率可以达到60％，另外，TWIP钢Mn元素的含量为20-30％，属于高合金钢，成产成本较高，但是抗拉强度不到1000MPa，而钢的强度提高，却以牺牲塑性为代价。即使如此，钢的最高屈服强度也才1200MPa。显然，它们难以满足更高强度要求的场合。

因此，如何使得钢材兼具较高的强度和较好的塑性成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种钢棒用钢、该钢棒用钢的制备方法。该钢棒用钢在普通C-Si-Mn低碳钢的基础上，添加适量的微合金元素如V，以及限定了钢中硅锰比，达到最优化的合金元素比例。通过复合合金化在充分发挥各种合金元素作用基础上，各合金元素交互作用达到材料强韧性的配合。制备方法中用低成本普通钢生产工艺装备(转炉冶炼——LF炉精炼——连铸——连轧)生产高质量特殊钢品种，再经过特殊热处理工艺实现钢材的特殊性能。本发明得到的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的塑性。

本发明的技术方案为：

一种钢棒用钢，其中，所述钢棒用钢包括以下质量百分比的化学成分：

C：0.15％至0.35％；Mn：2.00％至3.50％；Si：1.00％至2.5％；Cr：0.10％至0.85％；

V：0.01％至0.12％；余量为Fe，且所述钢棒用钢中Mn与Si的质量比在1.05至1.65之间。

所述钢棒用钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照所述的钢棒用钢的组成配比，将高炉铁水兑入转炉吹炼，得到初始钢水，加入铁合金到钢包中进行合金化，再对所述合金化后的钢水进行LF精炼，以获得所述待铸钢 水；

所述的铁合金为硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金和钒铁合金；

(2)将待铸钢水进行连铸，得到钢坯，即钢棒用钢。

一种钢棒，由所述的钢棒用钢制成。

所述的钢棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钢坯进行全连续轧制，轧制成所需规格钢棒。其中，开轧温度为1100℃至1050℃，终轧温度为950℃至1000℃；然后将轧后产物空冷至室温；

(2)将冷却后的轧制产物加热至850℃至900℃，保温时间为25min至35min；然后水冷至50℃至350℃，冷却时间为5min至20min；再将冷却后的产物进行回火处理，回火温度为200℃至350℃，保温时间为20min至120min，最后得到所需钢棒。

本发明的有益效果为：

目前的高强钢棒，主要为冷轧TWIP钢和马氏体钢。TWIP钢，虽然其延伸率最高可到60％，但是其抗拉强度小于1000MPa，屈服强度仅为500MPa，而且生产成本较高。马氏体钢抗拉强度小于1600MPa，屈服强度小于1200MPa，延伸率低于15％。强塑积低于24GPa％。

在本发明中，通过添加适量的微合金元素如V，以及锰与硅的质量比在1.05至1.65之间的设计，由于锰作用起固溶强化作用，硅以稳定奥氏体为主；在热处理过程中延迟奥氏体分解，通过相变诱发塑性强化钢材的同时获得良好的塑韧性；铬的主要作用是提高淬透性，淬火是得到低碳板条状马氏体组织，为获得良好的使用性能做好组织准备。钒的主要作用是细化晶粒和弥散强化。

最终本发明得到的钢棒用钢的性能为：抗拉强度：平均值1785MPa(实测值范围：1765MPa至1800MPa)；屈服强度：平均值1455MPa(实测值范围：1430MPa至1475MPa)；延伸率：平均值18.0％(实测值范围17.3％至18.8％)；强塑积：平均值32.13GPa％。

因此，本发明所提供的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的塑性。同时成产工艺简单，成本较低。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

作为本发明的第一个方面，提供一种钢棒用钢，其中，所述钢棒用钢包括以下质量百分比的化学成分：

C：0.15％至0.35％；

Mn：2.00％至3.50％；

Si：1.00％至2.50％；

Cr：0.10％至0.85％；

V：0.01％至0.12％；

余量为Fe，且所述钢棒用钢中Mn与Si的质量比在1.05至1.65之间。

本发明所提供的钢棒用钢属于低碳低合金微合金钢。之所以称之为钢棒用钢是应为本发明所提供的钢尤其适用于加工成诸如钢筋的钢棒。

在所述钢棒用钢中，碳含量较低，可以确保钢棒用钢具有较好的塑韧性和良好的焊接性能。碳是钢棒用钢中的主要强化因素，碳含量对钢棒用钢的强度有明显影响，对于低碳钢，0.01％的碳可以使钢棒用钢的强度提高20MPa至30MPa，同时，可能会使钢的延伸率降低。在本发明中，碳的质量百分比为0.15％至0.35％，从而可以确保所述钢棒用钢兼具较高的强度和较好的塑性。

锰具有扩大钢的奥氏体相区、固溶强化、细晶强化等作用，可以提高钢的强度，并且在钢中添加锰对钢的韧性和塑性损坏最小。在本发明中，锰的质量比为2.00％至3.50％，可以确保钢棒用钢具有较高的强度，并且可以保证钢棒用钢具有较高的强韧性配合，并且具有较好的整体组织性能的均匀性。

硅可以固溶强化，并且可以稳定奥氏体，有利于钢中贝氏体形成。在本发明中，硅的质量比为1.00％至2.50％，从而可以在起到固溶强化、稳定奥氏体的同时避免降低钢的焊接性能。

铬可以提高钢的淬透性，在钢中形成高强度的马氏体组织。经过不同温度回火后可活的不同强韧性组合，满足不同服役条件需求。此外，铬还能与碳化物起到细化晶粒和弥散强化的作用。在本发明中，铬的质量比为0.10％至0.85％，从而在提高钢的强度的同时保持钢的焊接性能。

钒是微合金化元素，属于强碳化物形成元素，在钢中主要以金属间化合物VC的形式存在，形成细小弥散分布的碳化钨产生非常强的弥散强化和细晶化作用，提高钢强度的同时使钢获得较好的韧性。在本发明中，钒的质量比为0.01％至0.12％，可以提高钢的强度的同时保持钢的塑性和韧性。

在本发明中，锰与硅的质量比在1.05至1.65之间，锰作用起固溶强化作用，硅以稳定奥氏体为主；在热处理过程中延迟奥氏体分解，通过相变诱发塑性强化钢材的同时获得良好的塑韧性；铬的主要作用是提高淬透性，淬火是得到低碳板条状马氏体组织，为获得良好的使用性能做好组织准备。钒的主要作用是细化晶粒和弥散强化。因此，本发明所提供的钢棒用钢兼具较高的强度和较好的塑性。

作为本发明的第二个方面，提供一种钢棒，其中，所述钢棒由本发明所提供的上述钢棒用钢制成。

由于所述钢棒用钢具有良好的强韧性，因此，所述钢棒具有良好的强韧性。

作为本发明的第三个方面，提供一种钢棒用钢的制备方法，其中，所述钢棒用钢为本发明所提供的上述钢棒用钢，所述制备方法包括：

利用所述钢棒用钢的原料进行冶炼，以获得待铸钢水；

对所述待铸钢水进行连铸，以获得钢坯；

对所述钢坯进行全连续轧制，其中，开轧温度为1100℃至1050℃，终轧温度为950℃至1000℃；

对轧制后产物进行冷却。

轧制产物冷却后获得的产物可以直接用于出售，也可以对其进行进一步的处理。上述制备方法适合普通钢铁企业的大规模生产，产品质量易于控制。

连铸的过程中，需要全程保护浇铸。在本领域中，保护浇铸是指对裸露于空气中的钢液采取保护，以避免钢液被空气二次氧化的一种重要的技术措施。

优选地，所述制备方法包括对轧制产物冷却方式为空冷。采用空冷对轧制产物进行冷却还可以降低制造所述钢棒用钢的的成本。

为了提高所述钢棒用钢的的性能，优选地，所述制备方法还包括：

对冷却后的轧制产物进行热处理，包括：

将冷却后的轧制产物加热至850℃至900℃，保温时间为25min至35min；

水冷却至50℃至350℃，水冷时间为5min至20min；

将冷却后的产物进行回火处理，回火温度为200℃至350℃，保温时间为20min至120min。

其中，将冷却后的轧制产物加热至850℃至900℃后，可以使轧制产物奥氏体化。利用水冷对其进行快速冷却，目的在于提高钢的强度。

实施例1

在本发明中，采用110吨氧气顶底复吹转炉冶炼进行原料的冶炼，利用120吨LF进行精炼。利用以下方法制备钢棒用钢：

S1、对铁矿石进行高炉冶炼获得高炉铁水，高炉铁水重量为450吨；

S2、将高炉铁水兑入转炉吹炼，得到初始钢水，加入铁合金到钢包中进行合金化，再对所述合金化后的钢水进行LF精炼，其中，采用110吨氧气顶底复吹转炉冶炼对高炉钢水和铁合金进行转炉冶炼，铁合金为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、铬铁合金(FeCr50C1.0)和钒铁合金(FeV50)(纯度均为99.7％)，重量分别为2000Kg、3500Kg、1500Kg、220Kg；其余为102.78吨铁水；

S3、利用120吨LF对转炉冶炼后的钢水进行精炼；

S4、连铸获得165X 165mm²的方坯，即钢棒用钢。

S5、开轧温度为1100℃，终轧温度为1000℃；全连续轧制成所需规格钢棒，然后空冷至室温；

S6、加热的温度为870℃，保温时间为30min；

S7、水冷温度为80℃，水冷时间为30min；

S8、回火处理的温度为350℃，保温时间为80min，得到最终产品。

S9、利用CX-9000台式全谱直读光谱仪测量所制得的圆棒钢的化学成分以及质量百分比为：0.22％C；2.24％Mn；1.46％Si；0.70％Cr；0.12％V；余量为铁，其中，Mn与Si的质量比为Mn:Si＝1.53。

S10、按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》的规定，利用上述工艺获得的圆棒钢分别制作15个直径为10mm的标准试样，采用1000kN电液伺服万能试验机测量试样的力学性能，测得如下结果：

抗拉强度：平均值1790MPa(实测值范围：1775MPa至1800MPa)；

屈服强度：平均值1435MPa(实测值范围：1420MPa至1445MPa)；

延伸率：平均值17.8％(实测值范围17.0％至18.6％)。

强塑积：平均值31.86GPa％。

实施例2

其他步骤同实施例1，不同之处为：

在步骤S2中，铁合金为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、铬铁合金(FeCr50 C1.0)和钒铁合金(FeV50)，重量分别为2100Kg、3300Kg、1460Kg、220Kg；其余为102.92吨铁水；

在步骤S5中，开轧温度为1050℃，终轧温度为950℃；在步骤S6中，加热温度为900℃，保温时间为28min；

在步骤S7中，水冷温度为50℃，持续时间为30min；

在步骤S8中，回火温度为200℃，保温时间为100min。

在步骤S9中，圆棒钢的化学成分以及质量百分比为：0.20％C；2.20％Mn；1.50％Si；0.68％Cr；0.12％V；余量为铁，其中，Mn与Si的质量比为Mn:Si＝1.47。

在步骤S10中，力学性能为：

抗拉强度：平均值1785MPa(实测值范围：1765MPa至1800MPa)；

屈服强度：平均值1455MPa(实测值范围：1430MPa至1475MPa)；

延伸率：平均值18.0％(实测值范围17.3％至18.8％)。

强塑积：平均值32.13GPa％。

实施例3

其他步骤同实施例1，不同之处为：

在步骤S2中，铁合金为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、铬铁合金(FeCr50 C1.0)和钒铁合金(FeV50)，重量分别为2160Kg、3700Kg、1550Kg、210Kg；其余为102.38吨铁水；

在步骤S5中，开轧温度为1080℃，终轧温度为990℃；在步骤S6中，加热温度为850℃，保温时间为35min；

在步骤S7中，水冷温度为70℃，持续时间为20min；

在步骤S8中，回火温度为300℃，保温时间为120min。

在步骤S9中，圆棒钢的化学成分以及质量百分比为：0.18％C；2.28％Mn；1.51％Si；0.73％Cr；0.10％V；余量为铁，其中，Mn与Si的质量比为Mn:Si＝1.52。

在步骤S10中，力学性能为：

抗拉强度：平均值1810MPa(实测值范围：1785MPa至1825MPa)；

屈服强度：平均值1465MPa(实测值范围：1425MPa至1485MPa)；

延伸率：平均值16.9％(实测值范围17.0％至18.6％)。

强塑积：平均值30.59GPa％。

实施例4

其他步骤同实施例1，不同之处为：

在步骤S2中，铁合金为硅铁合金(FeSi75)、锰铁合金(FeMn68C4.0)、铬铁合金(FeCr50 C1.0)和钒铁合金(FeV50)，重量分别为2000Kg、3200Kg、1350Kg、195Kg；其余为103.26吨铁水；

在步骤S5中，开轧温度为1100℃，终轧温度为1000℃；

在步骤S6中，加热温度为880℃，保温时间为30min；

在步骤S7中，水冷温度为60℃，持续时间为5min；

在步骤S8中，回火温度为250℃，保温时间为20min。

在步骤S9中，圆棒钢的化学成分以及质量百分比为：0.21％C；2.05％Mn；1.89％Si；0.62％Cr；0.08％V；余量为铁，其中，Mn与Si的质量比为Mn:Si＝1.08。

在步骤S10中，力学性能：

抗拉强度：平均值1760MPa(实测值范围：1735MPa至1780MPa)；

屈服强度：平均值1415MPa(实测值范围：1400MPa至1445MPa)；

延伸率：平均值18.8％(实测值范围17.6％至19.6％)。

强塑积：平均值33.09GPa％。

通过测试可知，本发明所提供的方法制得的钢棒用钢具有较高的强度，并且还具有较好的塑性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践本发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

本发明未尽事宜为公知技术。