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ML20MnTiB冷鐓鋼（化學成分力學性能）高強度螺栓熱軋盤條的開發
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-08-26
ML20MnTiB冷鐓鋼主要用于生產10.9級以上高強度緊固件，需要有良好的力學性能及淬透性
1.ML20MnTiB冷鐓鋼主要用于生產10.9級以上高強度緊固件，需要有良好的力學性能及淬透性，根據用戶對使用性能的要求考慮到鋼的冷鐓性能和強度、塑性、韌性匹配，適當降低了C含量，并嚴格控制有害元素P、S的含量，同時為保證鋼的淬透性，適當提高了鋼中B的加入量。
該鋼化學成分控制見表1。
表1：ML20MnTiB鋼化學成分（質量百分數） %
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項目
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GB/T6478
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試制要求
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C
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0.19~0.24
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0.19~0.22
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Si
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≤0.30
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0.08~0.20
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Mn
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1.30~1.60
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1.40~1.55
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P
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≤0.030
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≤0.020
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S
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≤0.035
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≤0.015
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Alt
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≥0.02
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≥0.02
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B
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0.0005~0.0035
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0.0015~0.0039
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Ti
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0.04~0.10
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0.04~0.06
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2.1、微合金B元素
微量的B元素固溶人奧氏體之中，可顯著地抑制多邊形鐵素體在奧氏體晶界上形核，從而提高鋼的淬透性。然而，B和N、O有很強的親和力，如果B是以氧化物和氮化物的形式存在，便喪失了抑制鐵素體晶界形核的作用，故一般在加B前先加入適量的Al脫氧，再加適量的Ti固N，以避免形成B的氮、氧化合物，確保B固溶于奧氏體中。鋼中N含量越高，B的回收率就越低。許多研究表明，當鋼中N含量控制在55×10-6以下時，B的回收率可有效穩定在70%以上。N含量超過100×10-6時，鋼中的B回收率很低，基本以氮化物的形式存在，失去了提高鋼淬透性的作用。
2.2、微合金Ti元素
Ti元素與C、N、S均有較強的親和力，Ti元素一方面與C、N結合形成碳、氮化物產生細晶強化作用，明顯提高鋼的強度；另一方面又能與S作用形成塑性比長條狀MnS低得多的球狀Ti4C2S2，鋼中的MnS逐漸被消除，變成可改善材料韌性和成形性的球狀夾雜物，從而降低MnS的有害作用，改善鋼的橫向性能。
Ti在鋼中首先形成TiN，但只有細小的TiN顆粒才能細化組織，起到強化作用。隨著Ti含量的增加，TiN顆粒粗化，細小TiC的數量增加，析出強化作用導致鋼的強度隨鈦含量的增加而顯著升高，但Ti含量過高，非共格析出物數量增加，會減弱析出強化效果，同時形成的碳、氮化物會引起鋼的脆化。所以鋼中有效鈦的主要含量取決于S、N的含量，含量越低，有效鈦的含量越高，只有當鋼中有效鈦含量滿足：w（Ti全）＞3.4w（N）+3w（s）時，TiC粒子的析出強化作用才能體現出來。
3、生產工藝
3.1、煉鋼連鑄工藝
ML20MnTiB鋼采用了頂底復吹轉爐、LF精煉、全程保護澆鑄的生產工藝進行冶煉，為充分保證合金控制要求，出鋼前采用鋁脫氧，嚴格控制鋼水過氧化及下渣量。LF爐需要保證有足夠的白渣時間，并且通過造好泡沫渣以及適當的攪拌來避免鋼水與空氣的接觸，以防增氮。通電結束后依次加入鈦鐵和硼鐵合金，并保證加硼鐵前有不低于3min的攪拌時間。采用6機6流連鑄機150mm×150mm小方坯連鑄，并嚴格做好長水口、中間包、浸入式水口的密封保護工作，采用合適的結晶器保護渣和弱的二冷段配水工藝。
3.2、軋制工藝
軋制工藝設備：步進梁式加熱爐→高壓水除鱗裝置→18架粗軋、中軋、預精軋機組→8架45°無扭精軋機組→4架減定徑機組→斯太爾摩線。加熱溫度采用了不超過1100℃的低溫加熱，吐絲溫度控制為（850±20）℃，采用斯太爾摩延遲冷卻工藝，以確保軋材具備良好穩定的組織以及適宜的晶粒度。
4、熱軋盤條的組織性能
4.1、熱軋盤條組織
ML20MnTiB熱軋盤條（Ф20mm）的微觀組織如圖1所示，為鐵素體+珠光體組織，晶粒度為9.0～10.0級。沒有發現由于Ti和B等高淬透性元素加入引起的貝氏體組織，說明軋材采用了比較合理的控軋控冷工藝。
4.2、熱軋盤條的淬透性
從Ф20mm熱軋盤條上取樣測定其淬透性，淬火介質為室溫下的水，結果見表2。可見，對于直徑達到Ф20mm的大規格盤條，其芯部也能完全淬透，見圖2，硬度均保持在HRC40以上，邊緣硬度和芯部硬度值偏差小于4。
4.3、熱軋盤條的調質處理及性能
試驗確定ML20MnTiBФ20mm熱軋盤條最優調質處理工藝為880℃淬火（水淬），420℃回火。盤條經調質處理后，抗拉強度為1120MPa，伸長率為10%，收縮率為70%，均滿足10.9級緊固件的性能要求。
5.結論
????山西新泰鋼鐵公司開發的高強度冷鐓鋼ML20MnTiB，較好地控制了鋼中Ti、B的有效成分，從而保證了鋼的淬透性；合理的控軋控冷工藝確保了鋼的高塑性和表面低硬度性能，避免了盤條貝氏體組織的形成，經用戶使用，反映良好。
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