黃小山,閆 博,張春斌,邱 冬,呂繼平,馬曉旭,周啟航

(1.新余鋼鐵股份有限公司,江西 新余 338001)

冷鐓鋼盤(pán)條一般為低、中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼,廣泛用于制造各種緊固件或冷鐓、冷擠壓成型的各種零部件。冷鐓方法具有生產(chǎn)效率高、表面質(zhì)量好、尺寸精度高的優(yōu)勢(shì)被廣泛采用[1]。ML40Cr屬于中碳合金冷鐓鋼,大部分情況下作為緊固件螺母或螺栓標(biāo)準(zhǔn)件原材料,其在成型過(guò)程中冷鐓處理時(shí)變形量較大,最終的成品形狀各種各樣,該冷鐓鋼產(chǎn)品對(duì)原材料有較高的要求[2-3]。

對(duì)于用戶生產(chǎn)一些拉拔量不大的冷鐓成型產(chǎn)品,目前部分鋼廠已開(kāi)發(fā)出免退火冷鐓鋼ML40Cr熱軋盤(pán)條[4],為用戶省略了中間球化退火環(huán)節(jié),采用簡(jiǎn)單的拋丸(或酸洗)→拉拔→冷鐓成型→調(diào)質(zhì)處理生產(chǎn)工藝,為用戶節(jié)約了能耗,降低了生產(chǎn)成本,縮短了交貨周期,提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)更減輕了環(huán)保壓力。

本次開(kāi)發(fā)的ML40Cr熱軋盤(pán)條用于制作電鉆頭,制作過(guò)程中通過(guò)冷擠壓成型。

1 產(chǎn)品要求

用于制作電鉆頭的原料以前是用ML45鋼,雖然ML40Cr比ML45鋼碳含量更低,價(jià)格略高,同等條件下開(kāi)裂傾向更大,但ML40Cr鉻含量更高,具有更好的淬透性,經(jīng)過(guò)加工處理后,ML40Cr的硬度、強(qiáng)度等機(jī)械性能明顯高于ML45。用于制作電鉆頭的ML40Cr工件較小,開(kāi)裂傾向小,所以為提高電鉆頭的使用壽命,目前ML45鋼已逐步被ML40Cr取代。

用于生產(chǎn)電鉆頭時(shí)的工藝主要包括:盤(pán)條酸洗→φ12.0 mm直徑的盤(pán)條拉拔成φ11.4 mm→冷鐓成型→切削處理→調(diào)質(zhì)處理。由于冷鐓成型后的零件要進(jìn)行切削處理,如果材料強(qiáng)度太低,切屑會(huì)黏刀,如果強(qiáng)度太高,刀具損耗會(huì)增加,所以要求盤(pán)條抗拉強(qiáng)度在800 MPa左右。12 mm盤(pán)條拉拔、冷鐓后的電鉆頭最細(xì)處是6 mm,要求盤(pán)條1/3冷頂鍛后表面不能有裂紋。冷鐓成型后的電鉆頭毛坯見(jiàn)圖1所示。

圖1 電鉆頭毛坯

2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

GB/T 6478《冷鐓和冷擠壓用鋼》中ML40Cr屬于調(diào)質(zhì)型冷鐓和冷擠壓用鋼。鋼中碳含量越高,盤(pán)條的硬度和抗拉強(qiáng)度越高,盤(pán)條的韌性越低;硅具有強(qiáng)烈的冷加工硬化作用,在拉絲類(lèi)的盤(pán)條中,除非特殊情況,一般硅含量越低越好,硅在鋼中的作用主要是脫氧,結(jié)合用戶要求,碳元素和硅元素在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)中下限。錳、鉻均為提高淬透性的元素,鉻對(duì)熱處理后的產(chǎn)品性能有明顯的影響,鉻的添加不但提高了鋼的強(qiáng)度和淬透性,而且提高了產(chǎn)品的耐高溫性能,保證了在高溫下能夠保持常溫時(shí)所具有的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能,錳、鉻元素含量適當(dāng)控制在中限[5-6,7]。鋁[8-9]在冷鐓鋼ML40Cr中是一種非常重要的合金元素,添加適量鋁后,鋁與氮結(jié)合形成AlN,能細(xì)化奧氏體晶粒尺寸,提高M(jìn)L40Cr的沖擊功和冷鐓變形性能,控制鋼中的鋁含量≥0.020%。磷、硫?yàn)殇撝袣堄嘤泻υ?越低越好。ML40Cr化學(xué)成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 ML40Cr化學(xué)成分 單位:%

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

3.1 工藝流程

高爐鐵水→100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→LF爐精煉→六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)連鑄→坯料精整→冷送或熱送→步進(jìn)式加熱爐加熱→高壓水除鱗→初軋→中軋→預(yù)精軋→精軋→吐絲→散冷輥道冷卻→集卷→檢驗(yàn)→出廠。

3.2 冶煉、連鑄工藝

ML40Cr冶煉、連鑄工藝難點(diǎn)在于鋼中加了一定含量的鋁[10],轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)要做好含氧量控制,精煉過(guò)程中做好造渣和鈣處理,將鋼中的A12O3夾雜轉(zhuǎn)變成低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽,連鑄時(shí)做好保護(hù)澆注,拉坯時(shí)恒拉速,防止死流和卷渣。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)按照C≥0.08%,P≤0.015%,S≤0.025%進(jìn)行控制。鋼水進(jìn)站吹氬,冶煉加入硅鈣復(fù)合脫氧劑,然后根據(jù)渣料制度進(jìn)行配加,造渣時(shí)石灰分成兩批加入,間隔時(shí)間2～3分鐘。精煉第一次通電時(shí)間為16 min,提電極測(cè)溫取樣,加入脫氧劑和鋁粒,然后根據(jù)渣況進(jìn)行調(diào)渣操作。以后每次提電極加入脫氧劑根據(jù)試樣化驗(yàn)成分,配加合金至目標(biāo)成分。冶煉過(guò)程中避免大氬氣翻動(dòng),減少鋼水裸露增氮。升溫至目標(biāo)溫度后根據(jù)工藝制度喂入無(wú)縫鈣線,然后開(kāi)至軟吹位軟吹,軟吹保證渣面蠕動(dòng),軟吹時(shí)間控制≥15 min,過(guò)程中未加入任何物料。中包開(kāi)澆前吹氬,在中包小車(chē)開(kāi)到澆注位時(shí),在大包開(kāi)澆前往中包沖擊區(qū)加入硅鈣復(fù)合脫氧劑。中包開(kāi)澆后全程保護(hù)澆注,中包噸位約15噸開(kāi)始往沖擊區(qū)和澆注區(qū)加入保護(hù)渣,后投入堿性覆蓋劑?？刂浦邪^(guò)熱度小于30 ℃,采用專用保護(hù)渣,恒拉速澆注,鑄坯為160 mm×160 mm方坯,鑄坯熔煉成分見(jiàn)表2。

表2 鑄坯熔煉成分 單位:%

3.3 軋制和冷卻工藝

盤(pán)條從φ12.0 mm拉拔到φ11.4 mm,拉拔量較小,可以不需要中間球化退火,在盤(pán)條的冷卻過(guò)程中延遲保溫時(shí)間,模擬在線球化退火。ML40Cr軋后采用緩冷工藝進(jìn)行冷卻,熱軋后的組織為珠光體+鐵素體,要避免形成片狀的珠光體和粗大的鐵素體,不能有混晶,表層脫碳層要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

防止加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、加熱溫度過(guò)高引起坯料晶粒粗大或表面脫碳,防止加熱時(shí)間不足、加熱溫度過(guò)低造成坯料中芯溫度不足,避免坯料中芯溫度和表面溫度梯度過(guò)大造成坯料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。加熱和保溫時(shí)間控制在2小時(shí)以內(nèi),保證鑄坯燒透的同時(shí)避免鑄坯脫碳。采用低溫軋制工藝細(xì)化晶粒,提高盤(pán)條通條性;通過(guò)調(diào)節(jié)輥道速度來(lái)控制冷卻速率,使鐵素體和滲碳體組織趨于球粒狀,同時(shí)獲得更多的鐵素體組織,提高盤(pán)條的冷鐓性能,利于后續(xù)的冷成型生產(chǎn)[5]。根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算出ML40Cr的 AC3溫度約782 ℃,結(jié)合本企業(yè)生產(chǎn)其它牌號(hào)冷鐓鋼的經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)了兩種工藝,分別為工藝A和工藝B,每種工藝試軋了10支,軋制和冷卻工藝見(jiàn)表3。

表3 軋制和冷卻工藝

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)工藝A吐絲溫度853 ℃～875 ℃,工藝B吐絲溫度838 ℃～855 ℃,工藝B比工藝A吐絲溫度低20 ℃左右。實(shí)測(cè)從吐絲到進(jìn)保溫罩溫降約40 ℃～50 ℃,工藝A進(jìn)保溫罩溫度約805 ℃～815 ℃,工藝B進(jìn)保溫罩溫度約780 ℃～790 ℃,ML40Cr的 AC3溫度約782 ℃,所以,工藝B進(jìn)保溫罩溫度與該鋼種AC3溫度更接近,更合理。工藝B比工藝A風(fēng)冷輥道速度更慢,工藝A盤(pán)條在散冷輥道的冷卻時(shí)間為310 s,冷卻速度約為0.4 ℃/s,工藝B盤(pán)條在散冷輥道的冷卻時(shí)間為465 s,冷卻速度約為0.25 ℃/s,輥道速度慢,在線球化退火時(shí)間延長(zhǎng),在較小的過(guò)冷度下冷卻速度越慢,越有利于過(guò)冷奧氏體分解為粒狀珠光體,鐵素體和滲碳體趨于球粒狀效果越好。

3.4 盤(pán)條性能

工藝A和工藝B各試軋了10支,取熱軋盤(pán)條進(jìn)行力學(xué)性能、金相組織、晶粒度、硬度、夾雜物、脫碳層、冷頂鍛等檢測(cè),力學(xué)性能、晶粒度、硬度結(jié)果取平均值,夾雜物、脫碳層取最小值和最大值的范圍。

3.4.1 力學(xué)性能

兩種工藝的盤(pán)條熱軋后(不時(shí)效)、人工時(shí)效后(250 ℃下保溫2 h)、自然時(shí)效20天后的平均抗拉強(qiáng)度Rm、斷面收縮率Z見(jiàn)表4。從表中可以看出,工藝B比工藝A平均抗拉強(qiáng)度低,斷面收縮率高。降低吐絲溫度抗拉強(qiáng)度會(huì)提高。人工時(shí)效與熱軋后(不時(shí)效)力學(xué)性能比,抗拉強(qiáng)度提高3～6 MPa,斷面收縮率提高8%以上。自然時(shí)效20天與熱軋后(不時(shí)效)力學(xué)性能比,抗拉強(qiáng)度降低6 MPa左右,斷面收縮率提高9%以上。人工時(shí)效與自然時(shí)效20天的斷面收縮率接近,但抗拉強(qiáng)度稍高。人工時(shí)效后可以去除軋制后的殘余應(yīng)力,故斷面收縮率提高。

3.4.2 金相組織

兩種工藝的金相組織見(jiàn)圖2。從圖中可以看出,兩種工藝生產(chǎn)的盤(pán)條組織都為珠光體和鐵素體,珠光體比例為80%左右,鐵素體比例為20%左右,總體比例差別不大。測(cè)量?jī)煞N工藝生產(chǎn)的盤(pán)條珠光體片層間距,工藝A平均為0.36 μm,工藝B平均為0.29 μm,工藝B片層間距較小。工藝B的鐵素體和滲碳體球化效果更好,分布更均勻細(xì)小,珠光體片層間距也更小,因?yàn)楣に嘊比工藝A進(jìn)精軋和吐絲溫度低20 ℃左右,引導(dǎo)輥道速度低0.10 m/s,盤(pán)條在散冷輥道上冷卻時(shí)間延長(zhǎng)了155 s,滲碳體片溶斷、球化時(shí)間增加,形成的鐵素體和滲碳體更接近球粒狀。

圖2 工藝A(圖a、b、c)和工藝B(圖d、e、f)生產(chǎn)的盤(pán)條金相組織圖片

3.4.3 冷頂鍛

取工藝A和工藝B熱軋盤(pán)條進(jìn)行 1/3 冷鐓試驗(yàn),取冷鐓試樣高度為試樣直徑的2倍,冷鐓后試樣表面質(zhì)量見(jiàn)圖3所示,冷鐓后表面都沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,冷鐓性能合格。

圖3

3.4.4 其它性能

兩種工藝生產(chǎn)的熱軋盤(pán)條夾雜物、邊裂、晶粒度、脫碳層、硬度等檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。兩種工藝生產(chǎn)的盤(pán)條都無(wú)邊裂,表面質(zhì)量良好。無(wú)全脫碳,工藝A生產(chǎn)的盤(pán)條總脫碳層深度為0.09～0.12 mm,工藝B生產(chǎn)的盤(pán)條總脫碳層深度為0.08～0.10 mm,加熱工藝合理,若表面脫碳超標(biāo),會(huì)造成產(chǎn)品表面強(qiáng)度降低,疲勞壽命大幅下降。兩種工藝生產(chǎn)的熱軋盤(pán)條無(wú)明顯混晶,避免了冷鐓過(guò)程中變形不均,在粗細(xì)晶粒分界處形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。晶粒度均為12.0級(jí),晶粒細(xì)小均勻,在冷鐓過(guò)程中,晶界附近與晶粒內(nèi)部的應(yīng)變度相差不大,材料變形較均勻。工藝A生產(chǎn)的盤(pán)條硬度HRB為90,有一個(gè)B類(lèi)夾雜物2.0級(jí),其它都為0.5級(jí)。工藝B生產(chǎn)的盤(pán)條硬度HRB為91,夾雜物都為0.5級(jí)。兩種工藝生產(chǎn)的盤(pán)條硬度適中,硬度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致盤(pán)條冷鐓時(shí)開(kāi)裂,硬度不夠在切屑過(guò)程中容易黏刀。B類(lèi)夾雜物2.0級(jí)對(duì)于φ12.0 mm盤(pán)條能滿足用戶要求,但有改進(jìn)空間。

表5 其它性能檢測(cè)結(jié)果

4 用戶使用情況

工藝B生產(chǎn)的盤(pán)條發(fā)給客戶使用,客戶經(jīng)過(guò)酸洗后,拉拔到φ11.4 mm后冷擠壓為圖1所示毛坯,再進(jìn)行切屑、熱處理、焊接十字鉆頭后,成品見(jiàn)圖2所示,盤(pán)條拉拔冷擠壓過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生斷裂或產(chǎn)生裂紋,切屑時(shí)硬度適中,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黏刀或者刀具損耗增加的現(xiàn)象。該鉆頭進(jìn)行鉆水泥孔試驗(yàn),鉆孔100個(gè)不斷裂,遠(yuǎn)高于客戶要求的70個(gè)。

圖2 電鉆頭成品

5 結(jié)論

(1)工藝B吐絲溫度840～860 ℃,散冷輥道速度0.2 ℃/s,風(fēng)機(jī)和保溫罩全關(guān)時(shí)生產(chǎn)的盤(pán)條綜合性能更優(yōu)。盤(pán)條抗拉強(qiáng)度800 MPa左右,斷面收縮率大于66%,1/3冷頂鍛、金相組織、硬度、夾雜物和脫碳層等各項(xiàng)指標(biāo)都符合用戶要求。

(2)工藝B比工藝A生產(chǎn)的盤(pán)條吐絲溫度更低,在散冷輥道上冷卻時(shí)間延長(zhǎng),盤(pán)條斷面收縮率更高,珠光體片層間距更小,生產(chǎn)的盤(pán)條力學(xué)性能、金相組織等綜合性能更好。

(3)有個(gè)別盤(pán)條B類(lèi)夾雜物達(dá)到2.0級(jí),雖然對(duì)于φ12.0 mm的盤(pán)條來(lái)說(shuō)符合用戶要求,但還是存在風(fēng)險(xiǎn),由于鑄坯含鋁量較高,鋁在連鑄過(guò)程中容易氧化,造成水口結(jié)瘤,要做好保護(hù)澆注,防止生成大型夾雜物而影響冷鐓性能。