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        高強(qiáng)緊固件用10B21 冷鐓鋼的生產(chǎn)

        2020-10-21 01:31:00曹二轉(zhuǎn)宋素格陳占杰楊曉奇李偉石杰
        河南冶金 2020年4期
        關(guān)鍵詞:冷鐓

        曹二轉(zhuǎn) 宋素格 陳占杰 楊曉奇 李偉 石杰

        (安陽鋼鐵股份有限公司)

        0 引言

        高強(qiáng)度緊固件制造一般在拉拔、冷鐓前需要進(jìn)行退火處理,以降低材料的強(qiáng)度和硬度,提高塑性,避免材料加工開裂。然而,對材料進(jìn)行退火處理在增加生產(chǎn)成本的同時還會帶來環(huán)境污染,因此,緊固件制造行業(yè)迫切希望鋼鐵企業(yè)能夠生產(chǎn)可直接拉拔、冷鐓的免退火冷鐓鋼線材。從文獻(xiàn)資料可知,鋼中添加提高淬透性的硼,降低鋼中的Mn、Cr、Si 等提高淬透性合金元素和降低碳含量,使得線材軋態(tài)的硬度降低,從而間接地改善鋼的冷加工性能[1],軋制時采用TMCP 工藝,利用形變誘導(dǎo)鐵素體相變軋制和低溫軋制相結(jié)合的加工方法,得到鐵素體加珠光體和少量顆粒狀碳化物組織,使其具有良好的綜合力學(xué)性能。熱軋態(tài)低碳硼鋼的強(qiáng)度和冷成形性與經(jīng)退火后的中碳鋼或中碳合金鋼相當(dāng)[2],因此,熱軋態(tài)低碳硼鋼可省去球化退火處理工序,用來制造 6.8 ~10.9 級結(jié)構(gòu)用緊固件。

        為了適應(yīng)市場需求,滿足用戶要求,安鋼在SWRCH35K 和ML40Cr 冷鐓用鋼基礎(chǔ)上,研制開發(fā)的高強(qiáng)度緊固件用低碳含硼鋼10B21,通過調(diào)整材料的成分、在摩根六代高速線材軋機(jī)上采用TMCP 軋制工藝,控制鋼材所需的組織及性能,達(dá)到鋼材直接拉拔、冷鐓的免退火要求。

        1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

        1.1 C、Si 含量

        C 元素作為決定機(jī)械性能的主要元素,強(qiáng)度隨著C 含量的增加而提高,冷鐓性能下降。Si 能提高鋼的強(qiáng)度和硬度,降低其塑性和韌性。冷鐓鋼的冷鐓性能隨著硅含量的增加而下降。因此,在化學(xué)成分體系設(shè)計(jì)上,在SWRCH35K 和ML40Cr的基礎(chǔ)上降低了C 含量和Si 含量,將C 含量控制在0.18%~0.23%,Si 含量控制在0.10%以下。

        1.2 Mn 含量

        Mn 在鋼中起到固溶強(qiáng)化的作用。對于冷鐓鋼,過高的Mn 含量將大幅提高鋼材的強(qiáng)度,不利于鋼材的冷成形;Mn 含量合適,則可以改善鋼中S 的存在形態(tài)和分布,提高鋼材的冷成形性。結(jié)合實(shí)際情況,將Mn 含量控制在1.00%以下。

        1.3 B 及其他合金元素

        B 對鋼的淬透性的影響,主要是指“有效硼”的影響,即除去結(jié)合成氧化物或氮化物以外的溶解在奧氏體中的(或化學(xué)上自由的) B。而B 和鋼中的O、N 均有較強(qiáng)的親和力,結(jié)合生成B2O3、BN 等夾雜物,降低鋼中“有效硼”的含量,從而影響B(tài) 元素對鋼的淬透性作用。研究認(rèn)為[3]:鋼中微量的有效硼(0.001%~0.003%)能大大提高鋼的淬透性,有效硼含量在0.002 5%時效果最大。

        不僅如此,BN 在晶界析出沉淀,這種析出物很細(xì)小,連續(xù)釘扎在奧氏體和基體變形處,降低了晶界的流動性,使再結(jié)晶溫度提高。由于再結(jié)晶受阻,晶界不能遷移,應(yīng)力在晶界處集中而不能消除,從而引起晶界脆化,使鋼的裂紋敏感性增加。有研究表明,在含硼鋼鑄坯表面較易產(chǎn)生邊角裂紋[4]。故在關(guān)鍵技術(shù)上,改變傳統(tǒng)單一Mn合金元素固溶強(qiáng)化機(jī)理,通過在鋼中加入微量合金元素Ti,充分利用Ti 的固氮作用(因TiN 比BN更穩(wěn)定),既保證了B 的有效淬透性,又改善了B對鑄坯質(zhì)量的影響。另外,可以通過TiC 的固溶強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度。

        Al 是作為一種脫氧劑和晶粒細(xì)化劑被加入到鋼中的,可以提高鋼在低溫下的韌性等。它在高溫時易與鋼液中的自由 N 結(jié)合,形成AlN 顆粒,優(yōu)先在奧氏體晶界處析出。而細(xì)小的AlN 顆粒會釘扎晶界,降低奧氏體的遷移率,從而降低材料的高溫塑性。有資料表明[5],當(dāng)鋼中的Al 含量為0.020%~0.040%時,低碳鋼的塑性最好。同時,鋼中Al 含量過高,在鋼中形成高熔點(diǎn)的夾雜物不易上浮,將使鋼水的流動性變差,同時水口容易結(jié)瘤而影響澆注的順利進(jìn)行,故鋼中的Al 含量應(yīng)盡量控制在0.020%~0.040%之間。

        綜上考慮,設(shè)計(jì)了低碳含硼冷鐓鋼的化學(xué)成分體系,具體見表1。

        表1 高強(qiáng)度緊固件用低碳含硼鋼10B21 成分體系 %

        2 生產(chǎn)工藝

        采用的工藝路線為:100 t 轉(zhuǎn)爐-LF 精煉-150 mm×150 mm 方坯-高線軋機(jī)。生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格為Φ6.5 mm -Φ20 mm。

        高強(qiáng)度緊固件用低碳含硼鋼10B21 盤條主要制作強(qiáng)度為10.9 級螺栓、螺母和內(nèi)六角螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件。生產(chǎn)工藝關(guān)鍵點(diǎn):(1)轉(zhuǎn)爐采取高拉碳工藝??刂茽t前出鋼[C]含量不低于0.08%。依據(jù)[C][O]平衡積可知,在[C]含量低時,則意味著鋼水中[O]含量的上升,隨著鋼中[O]含量升高,會對Ti、B、Al 成分的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響,造成合金消耗增多,鋼液中的脫氧產(chǎn)物增多;同時后期補(bǔ)加增碳劑會進(jìn)一步增加鋼液中的N 含量,為保證Ti、B、Al 成分的穩(wěn)定控制,就必需保證出鋼[C]含量,出鋼過程中加入硅鋁鐵和鋁塊進(jìn)行脫氧,為精煉爐冶煉創(chuàng)造有利條件。(2)精煉合金的加入。由于Ti 元素容易與O 結(jié)合生成Ti2O3,其熔點(diǎn)高,若在鋼液中析出,通常會上浮到鋼液表面,被鋼渣吸附;若留在鋼液中,則是夾雜物。不僅如此,Ti 與O的結(jié)合也會降低Fe-Ti 合金吸收率,導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。因此,應(yīng)在鋼水脫氧良好的狀態(tài)下加入鈦鐵,即通常在Al 脫氧后采用Ti 固氮,最后加入B。(3)連鑄采取保護(hù)澆鑄,通過長水口氬封保護(hù)澆鑄,防止鋼水二次氧化,避免水口結(jié)瘤;防止B 與N2結(jié)合生成BN,降低鋼中“有效硼”含量。(4)軋制工藝控制。在TMCP 工藝基礎(chǔ)上,采用形變誘導(dǎo)鐵素體相變軋制和低溫軋制相結(jié)合的加工方法,將開軋溫度控制在960 ℃以下,精軋溫度控制在780 ~840 ℃,在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)進(jìn)行大變形量軋制,形變誘導(dǎo)奧氏體發(fā)生動態(tài)相變,奧氏體在變形過程中析出鐵素體,即形變誘導(dǎo)鐵素體相變,增加組織中鐵素體的量,同時,隨著變形量的增大,奧氏體中的位錯和亞結(jié)構(gòu)密度增加,C 易于在鐵素體-奧氏體界面以及奧氏體晶界、位錯處富集,在隨后的冷卻過程中,晶粒細(xì)小含C 量高的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體和少量顆粒狀碳化物,最終得到鐵素體+珠光體和少量顆粒狀碳化物組織,實(shí)現(xiàn)冷鐓鋼線材在線軟化。(5)軋制裝備。在軋制裝置上,為避免工藝裝備對低碳冷鐓鋼造成的劃傷,設(shè)計(jì)了一種新型滾動下彎塊,將原有下彎塊更換成導(dǎo)輪,改變了盤條與滑塊之間的摩擦方式,解決了由于劃傷而造成盤條在冷鐓過程中的開裂。

        3 實(shí)際控制結(jié)果

        3.1 鑄坯表面

        通過低倍組織觀察發(fā)現(xiàn),除有約1 級的中心縮孔之外,無氣泡、分層、裂縫、夾雜、白點(diǎn)等缺陷,低倍檢驗(yàn)結(jié)果如圖1 和圖2 所示(圖1 和圖2 為鑄坯低倍橫剖圖及角部熱酸浸)。

        圖1 鑄坯低倍

        圖2 鑄坯低倍熱酸浸

        3.2 熱軋盤條力學(xué)性能控制情況

        安鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度緊固件用低碳含硼鋼10B21盤條的極限規(guī)格過程控制能力分析如圖3 所示。

        從圖3 可以看出,低碳含硼鋼10B21 熱軋盤條的極限規(guī)格力學(xué)性能過程控制能力穩(wěn)定、充足。

        3.3 盤條金相組織

        對盤條的金相組織進(jìn)行分析,未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物,鐵素體晶粒度和洛氏硬度(HRB)符合用戶需求,金相組織檢驗(yàn)結(jié)果見表2,金相組織如圖4 所示。

        圖3 極限規(guī)格力學(xué)性能過程能力分析

        表2 金相組織檢驗(yàn)情況

        圖4 典型金相組織

        3.4 盤條冷頂鍛情況

        對安鋼生產(chǎn)的高強(qiáng)度緊固件用低碳含硼鋼10B21 盤條的冷頂鍛進(jìn)行檢驗(yàn),分別從1/2、2/5、1/3 冷頂鍛取樣檢驗(yàn),結(jié)果如圖5 所示。

        從圖5 可以看出,冷鐓合格,無裂紋出現(xiàn)。

        綜上分析可見,產(chǎn)品的過程控制能力穩(wěn)定、充足,產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。經(jīng)用戶使用,盤條在不經(jīng)退火的情況下拉撥、冷鐓時金屬流動性好、冷作硬化率低,滿足用戶免去退火直接打制螺帽、內(nèi)六角螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件的需求。

        圖5 冷頂鍛

        4 結(jié)論

        (1)鋼中加入適量的B,能夠彌補(bǔ)因C 和Si降低而造成的強(qiáng)度和淬透性的損失。

        (2)改變傳統(tǒng)單一Mn 合金元素固溶強(qiáng)化機(jī)理,通過在鋼中加入微量合金元素Ti,充分利用Ti 的固氮作用(因TiN 比BN 更穩(wěn)定),既保證了B 的有效淬透性,又改善了B 對鑄坯質(zhì)量的影響,另外通過TiC 的固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。

        (3)TMCP 工藝上,形變誘導(dǎo)鐵素體相變軋制和低溫軋制相結(jié)合的加工方法,使碳化物在變形過程中改性,最終得到鐵素體加珠光體和少量顆粒狀碳化物組織,實(shí)現(xiàn)冷鐓鋼線材在線軟化。

        (4)低碳含硼鋼10B21 熱軋盤條生產(chǎn)過程的控制能力穩(wěn)定,滿足用戶免退火加工的需求。

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