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        熱軋10B21鋼盤(pán)條冷鐓開(kāi)裂的原因及預(yù)防措施

        2022-09-26 02:07:46蘇振偉屠興壙萬(wàn)文華
        上海金屬 2022年5期
        關(guān)鍵詞:冷鐓變形

        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。

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