本發明屬于鋼鐵材料制造，涉及一種nb-ti復合微合金化非調質鋼及其制備方法。

背景技術：

1、非調質鋼就是在傳統中碳鋼中加入微合金元素，并通過控制軋制（鍛壓）及控制冷卻等方法，使鋼材經軋制（鍛壓）處理后無需調質處理，即可獲得與調質鋼力學性能相當的鋼種。由于非調質鋼取消了調質處理（淬火+高溫回火），它的應用可以使工件在生產過程中節約電能消耗700～900kw·h/t左右，能耗降低30%～40%，制造成本降低25%～38%左右，工件成品率得到較大提高。然而，由于其強度和韌性較差，非調質鋼的應用僅限于曲軸、連桿等對沖擊韌性要求不高的零部件。隨著全球資源的緊缺，開發具有良好強度和韌性相結合的非調質鋼成為必然發展方向。

2、為改善非調質鋼強度與韌性并進一步拓寬其應用范圍，需要在鋼中加入微合金元素。通過微合金化和控鍛控冷技術制造的非調質鋼，不僅能夠保證材料的強度和韌性，同時也能夠簡化生產工藝，提高材料利用率。因此，非調質鋼具有廣闊的市場前景和發展前景，主要應用于汽車和機械裝備制造業的鍛件中。

3、申請號為202310049107.4的專利申請，公開了一種非調質高強度鋼及其制備工藝。該發明提供的非調質高強度鋼成分為：c：0.25%～0.35%、si：0.05%～0.15%、mn：2.5%～3.0%、p：0.03%～0.10%、s≤0.02%、cr：0.75%～1.25%、ni：0.35%～0.65%、mo：0.3%～0.6%、v：0.2%～0.6%、b：0.0005%～0.0015%，余量為鐵及不可避免的雜質。該發明的非調質高強度鋼具有強度大、硬度高的優點，屈服強度可達1758mpa，抗拉強度可達1800mpa，hrc硬度可達46，可解決現有的非調質鋼強度較低的問題。但其在成分中并沒有添加nb、ti元素進行nb-ti復合微合金化，且其斷后延伸率較低，不能達到很好的強度和韌性的配合。

4、申請號為202111396800.6的專利申請，公開了一種替代正火熱處理45鋼的非調質鋼及其應用。該發明提供的替代正火熱處理45鋼的非調質鋼成分為：c：0.32～0.39%、si：0.17～0.37%、mn：0.50～0.80%、cr≤0.30%、v：0.04～0.10%、ti：0.01～0.04%、p≤0.020%、s≤0.035%、alt：0.01～0.04%、cu≤0.20%、ni≤0.20%、mo≤0.10%、o≤15×10-4%，余量為fe和不可避免的雜質。該發明是在c-mn結構鋼成分基礎上，添加v、ti微合金化元素；vc、tic沉淀析出，起到沉淀強化作用，v和ti復合加入能夠提高鋼的強韌性，改善鐵素體珠光體型非調質鋼韌性不足的矛盾；并且通過控制ti的含量和碳當量的范圍，在保證材料鍛造性能的同時降低了v的加入量，并且無需增氮也能夠滿足鍛件的性能要求，有效降低了制造成本。但其在成分中并沒有添加nb元素進行nb-ti復合微合金化，因此，該發明所得非調質鋼抗拉強度和屈服強度均較低，無法獲得優異的力學性能。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發明提供一種nb-ti復合微合金化非調質鋼及其制備方法，通過nb-ti復合微合金化的成分設計，提高了非調質鋼的力學性能，并結合制備方法的優化，進一步提高微合金化效果，可獲得均勻的鐵素體＋珠光體組織。

2、為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：

3、一種nb-ti復合微合金化非調質鋼，其化學成分組成及質量百分含量為：c：0.23～0.28%、si：0.25～0.50%、mn：1.20～1.60%、v：0.06～0.20%、nb：0.015～0.025%、ti：0.010～0.015%、n：0.01～0.02%、p≤0.025%、s≤0.015%，余量為fe以及不可避免的雜質。

4、進一步的，所述非調質鋼的顯微組織為鐵素體＋珠光體。

5、進一步的，所述非調質鋼抗拉強度≥700mpa，屈服強度≥500mpa，斷后延伸率≥20%。

6、對鐵素體珠光體型非調質鋼而言，力學性能控制因素主要有珠光體與鐵素體的相比例、鐵素體晶粒尺寸、珠光體片層間距以及微合金化元素析出強化效果等。新型高強韌非調質鋼化學成分開發的設計理念為：以常規中碳錳鋼為基體，添加適量微合金元素，并在軋制時采取控軋控冷工藝來實現細晶強化及沉淀強化以獲得優良力學性能。

7、c元素的含量對鋼的硬度、強度具有至關重要的影響，但是在添加c元素時，要嚴格控制其含量，否則會對非調質鋼的塑性和韌性產生嚴重影響。中碳非調質鋼的c元素含量通常不允許超過0.5%，本發明設計鋼的c含量為0.23～0.28%。

8、mn是中碳非調質鋼中的最主要元素之一，適當添加mn到非調質鋼中，可以有效提升其強度和韌性。但是需要注意的是，鋼材中的mn元素含量不宜過高，否則會在淬火后的組織中形成貝氏體，從而影響鋼材的塑性和韌性。對于中碳非調質鋼而言，其mn元素含量一般不超過1.5%，本發明設計鋼的mn含量為1.20～1.60%。

9、si以固溶形式存在于非調質鋼中，是一種重要的鐵素體強化元素，和過量c元素對鋼的影響一樣，過量的si會對鋼的韌性造成嚴重影響，本發明設計鋼的si含量為0.25～0.50%。

10、相較于nb、ti，v在非調質鋼中的析出溫度較低，主要表現為在γ-α轉變過程中的相間析出和在鐵素體中析出，通過沉淀硬化的方式提高了鋼的強度水平。v高效的強化作用為非調質鋼的高強化提供了基本保證，但過高的v將惡化韌性。為了滿足對高強度非調質鋼性能要求，必須控制合金元素的含量。根據強度級別的不同，非調質鋼中v的添加量一般在0.06～0.20%，ti的添加量在0.010～0.015%。

11、對于中碳非調質鋼而言，nb的作用不僅限于細化奧氏體晶粒，還包括細化鐵素體晶粒和改善珠光體片層形態。nb在非調質鋼中的添加還可以促進珠光體片層從整齊平行排列形態到球化、雜亂化形態轉變，從而來提高鋼的塑韌性，本發明設計鋼的nb添加量為0.015～0.025%。

12、在含v鋼中增n，能促進v的析出，增強v的沉淀強化作用，明顯提高非調質鋼的強度。因此，利用廉價的n元素，提質鋼的強韌性，是非常有效的降低成本的方法，本發明設計鋼的n添加量為0.01～0.02%。

13、另一方面，本發明還提供了上述nb-ti復合微合金化非調質鋼的制備方法，其包括冶煉工序、lf精煉工序、vd真空脫氣工序、連鑄工序、熱軋工序；

14、所述熱軋工序，軋后鋼材上冷床，以0.1～0.5℃/s的冷卻速度冷卻至500～600℃后下冷床，之后在通風良好處空冷。

15、進一步的，所述冶煉工序，采用電爐冶煉，控制鐵水比例≥40%；冶煉終點c≥0.10wt%，p≤0.010wt%；出鋼前，加入鋁塊1.3～1.6kg/t鋼，造渣料按9～12kg/t加入；出鋼過程合金化加入19～21kg/t金屬錳與3.5～4.5kg/t硅鐵。

16、進一步的，所述lf精煉工序，取一次樣分析前喂入鋁線進行脫氧；出鋼前喂入純鈣線進行鈣處理；精煉渣堿度為3.0～4.0，白渣保持時間20～25min。

17、進一步的，所述vd真空脫氣工序，入vd爐前扒渣，真空度小于67pa保持時間≥12min，氬氣流量50～70nl/min；破空后，喂入氮化錳線3.0～5.0m/t鋼，氬氣流量10～20nl/min，軟吹氬時間不小于15min，控制正常爐次上鋼溫度1550～1580℃。

18、進一步的，所述連鑄工序，采用連鑄全程保護澆注，中間包鋼水溫度控制在1510～1525℃，連鑄拉速0.50～0.55m/min；采用結晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌。

19、進一步的，所述熱軋工序，鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130～1180℃，加熱時間為2～2.5h；開軋溫度為1000～1100℃，終軋溫度為930～980℃。

20、采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明采用nb-ti復合微合金化設計，nb（c，n）能夠在奧氏體中和亞晶界處析出，阻止原奧氏體晶粒長大，還可以通過細化珠光體片層間距來提高鋼的強度。ti由于具有較高的固溶溫度，在高溫下可以通過形成碳氮化物和阻止晶粒長大來有效細化晶粒。通過nb-ti復合微合金化，控制微合金非調質鋼軋后的冷卻方式和冷卻速度，結合控軋控冷工藝，獲得了優異的綜合力學性能，本發明非調質鋼抗拉強度≥700mpa，屈服強度≥500mpa，斷后延伸率≥20%。