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ML20MnTiB冷镦钢（化学成分力学性能）高强度螺栓热轧盘条的开发
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2014-08-26
ML20MnTiB冷镦钢主要用于生产10.9级以上高强度紧固件，需要有良好的力学性能及淬透性
1.ML20MnTiB冷镦钢主要用于生产10.9级以上高强度紧固件，需要有良好的力学性能及淬透性，根据用户对使用性能的要求考虑到钢的冷镦性能和强度、塑性、韧性匹配，适当降低了C含量，并严格控制有害元素P、S的含量，同时为保证钢的淬透性，适当提高了钢中B的加入量。
该钢化学成分控制见表1。
表1：ML20MnTiB钢化学成分（质量百分数） %
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项目
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GB/T6478
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试制要求
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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元素固溶人奥氏体之中，可显著地抑制多边形铁素体在奥氏体晶界上形核，从而提高钢的淬透性。然而，B和N、O有很强的亲和力，如果B是以氧化物和氮化物的形式存在，便丧失了抑制铁素体晶界形核的作用，故一般在加B前先加入适量的Al脱氧，再加适量的Ti固N，以避免形成B的氮、氧化合物，确保B固溶于奥氏体中。钢中N含量越高，B的回收率就越低。许多研究表明，当钢中N含量控制在55×10-6以下时，B的回收率可有效稳定在70%以上。N含量超过100×10-6时，钢中的B回收率很低，基本以氮化物的形式存在，失去了提高钢淬透性的作用。
2.2、微合金Ti元素
Ti元素与C、N、S均有较强的亲和力，Ti元素一方面与C、N结合形成碳、氮化物产生细晶强化作用，明显提高钢的强度；另一方面又能与S作用形成塑性比长条状MnS低得多的球状Ti4C2S2，钢中的MnS逐渐被消除，变成可改善材料韧性和成形性的球状夹杂物，从而降低MnS的有害作用，改善钢的横向性能。
Ti在钢中首先形成TiN，但只有细小的TiN颗粒才能细化组织，起到强化作用。随着Ti含量的增加，TiN颗粒粗化，细小TiC的数量增加，析出强化作用导致钢的强度随钛含量的增加而显著升高，但Ti含量过高，非共格析出物数量增加，会减弱析出强化效果，同时形成的碳、氮化物会引起钢的脆化。所以钢中有效钛的主要含量取决于S、N的含量，含量越低，有效钛的含量越高，只有当钢中有效钛含量满足：w（Ti全）＞3.4w（N）+3w（s）时，TiC粒子的析出强化作用才能体现出来。
3、生产工艺
3.1、炼钢连铸工艺
ML20MnTiB钢采用了顶底复吹转炉、LF精炼、全程保护浇铸的生产工艺进行冶炼，为充分保证合金控制要求，出钢前采用铝脱氧，严格控制钢水过氧化及下渣量。LF炉需要保证有足够的白渣时间，并且通过造好泡沫渣以及适当的搅拌来避免钢水与空气的接触，以防增氮。通电结束后依次加入钛铁和硼铁合金，并保证加硼铁前有不低于3min的搅拌时间。采用6机6流连铸机150mm×150mm小方坯连铸，并严格做好长水口、中间包、浸入式水口的密封保护工作，采用合适的结晶器保护渣和弱的二冷段配水工艺。
3.2、轧制工艺
轧制工艺设备：步进梁式加热炉→高压水除鳞装置→18架粗轧、中轧、预精轧机组→8架45°无扭精轧机组→4架减定径机组→斯太尔摩线。加热温度采用了不超过1100℃的低温加热，吐丝温度控制为（850±20）℃，采用斯太尔摩延迟冷却工艺，以确保轧材具备良好稳定的组织以及适宜的晶粒度。
4、热轧盘条的组织性能
4.1、热轧盘条组织
ML20MnTiB热轧盘条（Ф20mm）的微观组织如图1所示，为铁素体+珠光体组织，晶粒度为9.0～10.0级。没有发现由于Ti和B等高淬透性元素加入引起的贝氏体组织，说明轧材采用了比较合理的控轧控冷工艺。
4.2、热轧盘条的淬透性
从Ф20mm热轧盘条上取样测定其淬透性，淬火介质为室温下的水，结果见表2。可见，对于直径达到Ф20mm的大规格盘条，其芯部也能完全淬透，见图2，硬度均保持在HRC40以上，边缘硬度和芯部硬度值偏差小于4。
4.3、热轧盘条的调质处理及性能
试验确定ML20MnTiBФ20mm热轧盘条最优调质处理工艺为880℃淬火（水淬），420℃回火。盘条经调质处理后，抗拉强度为1120MPa，伸长率为10%，收缩率为70%，均满足10.9级紧固件的性能要求。
5.结论
山西新泰钢铁公司开发的高强度冷镦钢ML20MnTiB，较好地控制了钢中Ti、B的有效成分，从而保证了钢的淬透性；合理的控轧控冷工艺确保了钢的高塑性和表面低硬度性能，避免了盘条贝氏体组织的形成，经用户使用，反映良好。
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