蘇振偉 周 淼 趙 赟 屠興壙 林 俊 萬(wàn)文華

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，江蘇 常州 213011)

10B21鋼為含硼低碳鋼，鐵素體含量較高，變形抗力小，冷鐓和拉拔性能良好，不易脫碳，淬透性也較高[1- 2]，其逐步用于替代SWRCH35K、SWRCH45K、40Cr、20CrMo鋼等制造8.8級(jí)法蘭螺栓等緊固件。8.8級(jí)法蘭螺栓的生產(chǎn)工藝為兩球(球化退火)兩拉(拉拔)、一球兩拉或一球一拉。為節(jié)能減排，部分緊固件用戶開(kāi)始嘗試取消球化退火，盤(pán)條拉拔后直接冷鐓成形，但緊固件冷鐓時(shí)易開(kāi)裂。導(dǎo)致緊固件冷鐓開(kāi)裂的原因有很多，如裂紋、折疊、結(jié)疤、深劃傷等表面缺陷[3- 5]，馬氏體、貝氏體、魏氏組織、粗大晶粒、混晶、脫碳、夾雜物等異常組織[6- 10]。另外，如果變形道次安排不合理、模具安裝或潤(rùn)滑不良或損壞等也可能導(dǎo)致緊固件冷鐓開(kāi)裂。

本文分析了采用未退火的熱軋10B21鋼盤(pán)條制造法蘭螺栓時(shí)頻繁發(fā)生冷鐓開(kāi)裂的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 螺栓及盤(pán)條的生產(chǎn)工藝

法蘭螺栓生產(chǎn)工藝為熱軋盤(pán)條(φ12 mm)→酸洗→磷化→拉拔(φ11 mm)→冷鐓成形(法蘭直徑為27 mm)→調(diào)質(zhì)→表面處理?？梢?jiàn)，將盤(pán)條加工成法蘭的變形量較大。經(jīng)檢驗(yàn)，約有10%的法蘭螺栓冷鐓時(shí)開(kāi)裂。

熱軋10B21鋼盤(pán)條的生產(chǎn)工藝為高爐鐵水→120 t轉(zhuǎn)爐→120 t LF精煉→160 mm×160 mm鋼坯連鑄→鋼坯加熱→軋制→斯太爾摩線控冷。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)冷鐓開(kāi)裂的螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 冷鐓開(kāi)裂的10B21鋼法蘭螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2 宏觀檢驗(yàn)

開(kāi)裂的法蘭螺栓的宏觀形貌如圖1所示，裂紋均位于法蘭邊緣，該部位的冷鐓變形量最大，變形應(yīng)力較大。變形量較小的螺桿和螺栓六角頭部未開(kāi)裂，盤(pán)條無(wú)折疊和劃傷等表面缺陷。

圖1 冷鐓開(kāi)裂的法蘭螺栓

2.3 金相檢驗(yàn)

制備金相試樣，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2、圖3所示?？梢?jiàn)裂紋開(kāi)口較大，為穿晶裂紋，開(kāi)裂部位變形嚴(yán)重，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯脫碳；螺栓六角頭部及桿部均無(wú)表面缺陷和脫碳。開(kāi)裂部位組織均為鐵素體和珠光體，無(wú)異常組織，但鐵素體粗細(xì)不均勻。行業(yè)內(nèi)對(duì)熱軋10B21鋼盤(pán)條的顯微組織要求為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒度應(yīng)不低于7級(jí)。

圖2 熱軋盤(pán)條的顯微組織

圖3 法蘭螺栓裂口部位(a)和桿部(b)的顯微組織

2.4 盤(pán)條冷頂鍛性能復(fù)檢

對(duì)同批次10B21鋼盤(pán)條進(jìn)行1/3和1/4冷鐓試驗(yàn)，即將盤(pán)條試樣冷鐓至1/3和1/4高度，以檢驗(yàn)其冷鐓成形性能。結(jié)果表明，1/3冷鐓試樣合格，而1/4冷試樣開(kāi)裂，如圖4所示，與法蘭螺栓的開(kāi)裂情況相同。

圖4 冷鐓至1/3(a)和1/4(b)高度的10B21鋼熱軋盤(pán)條試樣

3 分析討論與工藝改進(jìn)

3.1 螺栓開(kāi)裂原因

由于制作法蘭螺栓的盤(pán)條及變形量較小的螺桿和螺栓六角頭無(wú)表面缺陷，開(kāi)裂僅發(fā)生在變形量最大的法蘭邊緣，因此可排除表面缺陷方面的原因。開(kāi)裂螺栓顯微組織為鐵素體和珠光體，無(wú)異常組織，螺栓冷鐓開(kāi)裂與其顯微組織無(wú)關(guān)。螺栓冷鐓開(kāi)裂后，緊固件廠更換了冷鐓成形模具并進(jìn)行了安裝校對(duì)，不存在成形道次安排不合理的問(wèn)題。此外，模具原因造成開(kāi)裂的螺栓比例通常都超過(guò)50%甚至全部開(kāi)裂，而本批次冷鐓開(kāi)裂的螺栓比例約為10%，并且成形后的螺栓尺寸符合要求，因此冷鐓成形工藝及模具也不是造成螺栓開(kāi)裂的原因。

螺栓開(kāi)裂均出現(xiàn)在其法蘭邊緣，為穿晶斜裂。盤(pán)條試樣僅能被冷鐓至1/3高度不開(kāi)裂，冷鐓至1/4高度發(fā)生開(kāi)裂。鐵素體晶粒大小不均勻，導(dǎo)致材料塑性較差。按傳統(tǒng)工藝加工的盤(pán)條在拉拔前或拉拔后會(huì)進(jìn)行球化退火，盤(pán)條的塑性較好。但取消退火后，盤(pán)條的冷鐓成形性能基本完全取決于熱軋盤(pán)條的塑性。

上述檢驗(yàn)結(jié)果和分析表明，較粗的鐵素體晶粒和混晶導(dǎo)致盤(pán)條冷鐓性能惡化，冷拉拔進(jìn)一步降低了材料塑性，導(dǎo)致螺栓在冷鐓成形變形量最大的法蘭部位開(kāi)裂。細(xì)化熱軋盤(pán)條鐵素體晶粒，避免出現(xiàn)混晶，能有效改善熱軋盤(pán)條的冷鐓成形性能，使之冷拉拔后不經(jīng)球化退火即可用于制作冷鐓法蘭螺栓。

3.2 軋制工藝改進(jìn)及效果

為解決因盤(pán)條塑性不良造成的法蘭螺栓冷鐓開(kāi)裂問(wèn)題，需優(yōu)化盤(pán)條的軋制工藝，細(xì)化鐵素體晶粒，避免混晶。對(duì)軋鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化，即適當(dāng)降低加熱溫度，能有效避免奧氏體晶粒粗大，獲得細(xì)小的鐵素體組織；降低終軋速率，防止軋后出現(xiàn)混晶；降低吐絲溫度，提高冷卻速率，抑制先共析鐵素體粗化，細(xì)化鐵素體晶粒。原工藝和改進(jìn)工藝如表2所示。

表2 改進(jìn)前后10B21鋼盤(pán)條的軋制工藝

軋制工藝改進(jìn)后10B21鋼盤(pán)條的顯微組織如圖5所示，為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒度為10～11級(jí)，無(wú)混晶。冷鐓試驗(yàn)結(jié)果表明，軋制工藝改進(jìn)后盤(pán)條試樣能被冷鐓至1/5高度而不開(kāi)裂，如圖6所示。

圖5 軋制工藝改進(jìn)后的10B21鋼盤(pán)條顯微組織

圖6 冷鐓至1/5高度的10B21鋼熱軋盤(pán)條試樣

4 結(jié)論

(1)未進(jìn)行退火的10B21鋼盤(pán)條鐵素體晶粒大小不均勻，導(dǎo)致塑性較差，造成了冷鐓時(shí)法蘭螺栓開(kāi)裂。

(2)適當(dāng)降低鋼坯加熱溫度、終軋速率和吐絲溫度，并提高軋后冷卻速率，可使鐵素體晶粒細(xì)化至10～11級(jí)，并避免出現(xiàn)混晶。

(3)晶粒細(xì)小且均勻無(wú)混晶的10B21鋼盤(pán)條具有良好的冷鐓性能，可冷拉拔后不經(jīng)球化退火而用于制作法蘭螺栓。