周 劍，王國柱，趙大志，肖丙政，劉曉彬，李 磊

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035)

氣保焊絲具有焊接速度快、焊接范圍廣、焊接質(zhì)量好、引弧性能好和溶敷效率高等優(yōu)點，已被廣泛用于汽車及車輛制造、造船、工程機械、電站、鍋爐、壓力容器等制造行業(yè)[1-2]。對于高強焊絲鋼線材來說，拉拔性能是影響其后續(xù)深加工的重要質(zhì)量指標。以70級高強焊絲線材制作氣保焊絲時，通常需先進行退火處理，再連續(xù)拉拔至1.2 mm，最后制作成氣保焊絲。然而，退火工序會延長工藝流程，增加制作成本。高強焊絲線材作為一種低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，中心偏析主要由C和Mn元素造成。在連鑄坯中一旦出現(xiàn)中心偏析，后續(xù)軋材過程中會很難消除或無法消除[3-5]。因此，本文通過優(yōu)化高強焊絲鋼的化學(xué)成分及連鑄工藝，探索降低焊絲鋼盤條抗拉強度來實現(xiàn)免退火加工的可行性。

1 化學(xué)成分優(yōu)化

70級高強焊絲鋼的標準中僅對化學(xué)成分進行了限定，成分范圍較寬，但對組織和性能沒有規(guī)定。因此有必要對化學(xué)成分進行優(yōu)化，從而獲得理想的組織和性能。為此，本文統(tǒng)計分析了近80爐熱軋盤條的化學(xué)成分與抗拉強度的對應(yīng)關(guān)系。

圖1(a)、1(b)、1(c)分別為Mn、Cr、C元素對熱軋盤條抗拉強度的影響，圖2為C元素對拉拔斷絲率的影響。由圖1可知，熱軋盤條的抗拉強度在670～800 MPa之間。經(jīng)分析各元素含量與抗拉強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Mn和Cr元素與抗拉強度并沒有明顯的相關(guān)性，而C元素是影響抗拉強度的主要因素。隨著碳含量逐漸增加，熱軋盤條的抗拉強度和拉拔斷絲率明顯上升。當(dāng)碳含量為0.09%時，拉拔斷絲率高達4.97%。

(a)Mn元素；(b)Cr元素；(c)C元素圖1 元素含量對抗拉強度的影響(a)Mn element; (b)Cr element; (c)C elementFig.1 Effect of element content ontensile strength

圖2 C含量對斷絲率的影響Fig.2 Effect of C content on wire breaking rate

基于上述分析，對高強焊絲化學(xué)成分進行優(yōu)化，優(yōu)化后的化學(xué)成分見表1。

表1 高強焊絲鋼優(yōu)化后的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 連鑄工藝優(yōu)化

表2為高強焊絲鋼的連鑄工藝參數(shù)，拉速由1.8～1.9 m/min提高至2.0～2.1 m/min。

表2 連鑄工藝參數(shù)

采用熱酸侵蝕法對試樣進行酸浸蝕試驗，酸液溫度維持在60～80 ℃之間，處理時間為20 min。然后在低倍試樣的橫截面、縱截面分別取樣進行C偏析指數(shù)分析，試樣打點位置和數(shù)量，如圖3所示。

(a)橫截面；(b)縱截面圖3 取樣位置和數(shù)量(a) cross section；(b)longitudinal sectionFig.3 Sampling location and quantity

橫向C偏析指數(shù)計算公式為：

(1)

式中：Ri為K元素在i位置的偏析度；Ki為i位置的元素的質(zhì)量分數(shù)(%)；n為該鑄坯所有鋼屑試樣的個數(shù)。

縱向C偏析指數(shù)計算公式為：

(2)

式中：Ri為K元素在i位置的偏析度；Ki為i位置的元素的質(zhì)量分數(shù)(%)；Kj為自縱向中心線外取近19個測量點計算平均成分。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鑄坯低倍組織

圖4為連鑄工藝優(yōu)化前后鑄坯橫截面低倍組織，低倍質(zhì)量評級見表3。由表3可知，在電磁攪拌參數(shù)為250 A/3.5 Hz，攪拌為120 A/8 Hz，過熱度為30～35 ℃條件下，拉速為1.8～1.9 m/min時，對應(yīng)低倍中心縮孔為1.0級，而當(dāng)拉速為2.0～2.1 m/min時，對應(yīng)低倍中心縮孔為0.5級。這可能是拉速提高后，凝固末端位置向后移，從而擴大了等軸晶區(qū)，形成了較寬的細小等軸晶帶。而細小的等軸晶在凝固過程中不易搭橋，鋼液在凝固過程中得到充分補縮，使得低倍中心縮孔得到改善。

表3 低倍質(zhì)量評級

(a)拉速1.8～1.9m/min；(b)拉速2.0～2.1m/min 圖4 鑄坯橫截面低倍組織(a)casting speed of 1.8～1.9 m/min；(b)casting speed of 2.0～2.1m/minFig.4 Macrostructure of billets cross section

3.2 鑄坯斷面碳偏析指數(shù)

在電磁攪拌參數(shù)為250 A/3.5 Hz，末端電磁攪拌為120 A/8 Hz，過熱度為30～35 ℃條件下，拉速分別為1.8～1.9和2.0～2.1 m/min時，鑄坯橫、縱截面各位置的碳偏析度分布情況見圖5、圖6。由表3和圖5、圖6可知，拉速為1.8～1.9 m/min時，低倍中心偏析為1.0級，橫向碳偏析指數(shù)在0.94～1.08之間，縱向碳偏析指數(shù)在0.93～1.10之間，且碳偏析指數(shù)波動較大；而拉速為2.0～2.1 m/min時，低倍中心偏析為0.5級，橫向及縱向碳偏析指數(shù)均在0.95～1.04之間，碳偏析指數(shù)波動明顯降低。這是因為拉速提高后，鑄坯液相穴長度增加，凝固末端位置向后移，鑄坯到達末端電磁攪拌位置時，鑄坯中心有效電磁攪拌面積增大，充分的電磁攪拌可以消除搭橋，減輕樹枝晶間富集溶質(zhì)液體的流動，使得心部偏析趨于均勻，進而使中心偏析得到有效改善。

(a)拉速1.8～1.9m/min；(b)拉速2.0～2.1m/min圖5 鑄坯橫截面各位置偏析程度(a)casting speed of 1.8～1.9 m/min；(b)casting speed of 2.0～2.1m/minFig.5 Segregation degree at different position on the billets cross section

圖6 鑄坯縱截面各位置偏析程度Fig.6 Segregation degree at diffierent positions on the bollets longitudinal section

4 應(yīng)用效果

4.1 金相組織

圖7為連鑄工藝優(yōu)化前后軋材橫截面低倍組織。從圖7中可以看出，連鑄工藝優(yōu)化后，軋材中心偏析得到了明顯改善。將鑄坯控軋控冷成5.5 mm盤條，然后觀察鋼盤條的金相組織見圖8。從圖8中可以看出，連鑄工藝優(yōu)化前，鋼盤條的邊部、1/4半徑處和心部組織均為F+P+MA；但中心組織存在大塊的MA，存在明顯的不均勻性。而連鑄工藝優(yōu)化后，鋼盤條的邊部、1/4半徑處和心部組織均為F+少量P+MA；但心部組織MA更為細小和彌散，晶粒也更加細小和均勻。這為免退火拉拔提供了組織條件。

(a)優(yōu)化前；(b)優(yōu)化后圖7 軋材橫截面低倍組織(a)before optimization；(b)after optimizationFig.7 Macrostructure of cross section of rolled products

(a)優(yōu)化前，邊部；(b)優(yōu)化前，1/4半徑處；(c)優(yōu)化前，心部；(d)優(yōu)化后，邊部；(e)優(yōu)化后，1/4半徑處；(f)優(yōu)化后，心部圖8 鋼盤條的顯微組織(a)before optimization，at edge；(b)before optimization，at 1/4 radius, (c)before optimization，at center；(d)after optimization，at edge；(e)after optimization，1/4 radius；(f)after optimization，at centerFig.8 Microstructure of steel wire rod

4.2 抗拉強度

在5.5 mm規(guī)格的鋼盤條頭尾30圈處取樣進行力學(xué)性能檢驗，結(jié)果見圖9。由圖9可知，連鑄工藝優(yōu)化后的熱軋盤條的抗拉強度在640～700 MPa之間。與工藝優(yōu)化前相比，熱軋盤條的抗拉強度下降了50～70 MPa，但抗拉強度波動范圍較窄，可滿足鋼盤條免退火工藝對抗拉強度的要求。

圖9 工藝優(yōu)化后鋼盤條的抗拉強度Fig.9 Tensile strength of steel wire rod after process optimization

5 結(jié)論

1)碳是影響熱軋盤條抗拉強度的主要因素，隨著碳含量的逐漸增加，其抗拉強度和斷絲率得到明顯提升。為了保證拉拔斷絲率小于5%，碳含量應(yīng)控制在0.09%以下。

2)在比水量為0.6～0.7 m/min，電磁攪拌參數(shù)為 250±5 A/3.5 Hz，末端電磁攪拌為120±5 A/8 Hz下，當(dāng)拉速由1.8～1.9 m/min提升至2.0～2.1 m/min時，中心碳偏析指數(shù)范圍將由0.94～1.08降低至0.95～1.04。

3)經(jīng)化學(xué)成分和連鑄工藝優(yōu)化后，軋材中心偏析得到了明顯改善，心部組織為F+少量P+MA，心部組織MA更加細小且彌散，大塊MA基本消失，組織均勻性得到提升，且晶粒度小，熱軋后鋼盤條的抗拉強度在640～700 MPa之間。