鞍鋼冷連軋機(jī)組65Mn工具鋼生產(chǎn)實(shí)踐

李富強(qiáng)，丁雁勇，辛立峰，張建軍，李志強(qiáng)（.鞍鋼股份有限公司冷軋廠(chǎng)，遼寧 鞍山40；.鞍鋼股份有限公司產(chǎn)品發(fā)展部，遼寧 鞍山40）

生產(chǎn)實(shí)踐

鞍鋼冷連軋機(jī)組65Mn工具鋼生產(chǎn)實(shí)踐

李富強(qiáng)1，丁雁勇2，辛立峰1，張建軍1，李志強(qiáng)1
（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠(chǎng)，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼股份有限公司產(chǎn)品發(fā)展部，遼寧 鞍山114021）

為了擴(kuò)大冷軋品種結(jié)構(gòu)，鞍鋼股份有限公司冷軋廠(chǎng)對(duì)冷連軋機(jī)組65Mn工具鋼生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，采用冷連軋機(jī)軋制與罩式爐退火相結(jié)合的生產(chǎn)模式，增加了預(yù)退火工藝，制訂焊接與軋制工藝優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了冷連軋機(jī)組65Mn工具鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。

冷連軋機(jī)組；工具鋼；軋制工藝；預(yù)退火

65Mn工具鋼主要用于彈簧、刀具、帶尺制造等，廣泛用于建筑、機(jī)械、汽車(chē)、五金等行業(yè)，特別是在國(guó)內(nèi)機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。冷軋65Mn工具鋼經(jīng)過(guò)變形、熱處理后，較普通冷軋產(chǎn)品具有更好的強(qiáng)度、硬度及耐疲勞性。隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，對(duì)冷軋65Mn工具鋼產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，但目前還未有國(guó)內(nèi)冷連軋機(jī)生產(chǎn)此類(lèi)品種的實(shí)例。為了拓寬冷軋品種結(jié)構(gòu)，鞍鋼股份冷軋廠(chǎng)開(kāi)展了冷軋65Mn工具鋼 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)65Mn）生產(chǎn)工藝的研究。

1　生產(chǎn)工藝路線(xiàn)確定

采用常規(guī)工藝生產(chǎn)冷軋65Mn，對(duì)焊接、軋制工藝要求較高，生產(chǎn)效率低、成本高，不能實(shí)現(xiàn)批量、穩(wěn)定生產(chǎn)，在鞍鋼還沒(méi)有生產(chǎn)實(shí)績(jī)。鞍鋼股份冷軋廠(chǎng)曾嘗試?yán)溥B軋機(jī)組小批量生產(chǎn)65Mn與Q235，但生產(chǎn)組織困難、成本高，合同無(wú)法保證。在此次研究過(guò)程中，增加了預(yù)退火工藝，同時(shí)進(jìn)行了退火與激光焊接相結(jié)合的焊接工藝試驗(yàn)，確定了如圖1所示的冷軋工藝路線(xiàn)。

2　生產(chǎn)工藝分析

熱軋卷直接開(kāi)卷生產(chǎn)，面臨焊縫工藝段開(kāi)裂、軋制負(fù)荷超限、架間斷帶等問(wèn)題，因此研究冷連軋工藝時(shí)需要重點(diǎn)解決上述問(wèn)題。進(jìn)行激光焊機(jī)焊接工藝試驗(yàn)，解決酸洗段及軋前焊縫斷帶問(wèn)題，減少停機(jī)及生產(chǎn)事故；開(kāi)展軋制工藝研究，提高厚度及板形控制精度，發(fā)揮軋機(jī)能力，提高65Mn壓下率，改善性能指標(biāo)。

圖1　65Mn冷軋生產(chǎn)工藝路線(xiàn)

2.1焊接工藝試驗(yàn)

65Mn的碳當(dāng)量為0.85%，屬于焊接性中等的鋼種，冷裂敏感系數(shù)為0.72，遠(yuǎn)大于常規(guī)鋼種St12的冷裂敏感系數(shù)。理論計(jì)算結(jié)果表明，65Mn存在較大的焊縫區(qū)硬化風(fēng)險(xiǎn)。在激光焊接焊縫區(qū)域及熔合區(qū)的最大硬度應(yīng)小于350 HV［1］，但實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為高點(diǎn)硬度值已達(dá)到365 HV，見(jiàn)圖2，所以焊縫非常容易開(kāi)裂。從工具鋼文獻(xiàn)查出，65Mn馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為 275℃，奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度為740℃左右［2］。焊接試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是激光焊接后材料發(fā)生脆化，經(jīng)杯突檢驗(yàn)后焊縫硬度下降與母材相當(dāng)，熱影響區(qū)質(zhì)量不好，強(qiáng)度明顯低于母材，杯突開(kāi)裂。其焊接組織見(jiàn)圖3。

圖2　焊縫區(qū)硬度分布曲線(xiàn)

圖3　65Mn焊接組織

從圖3中明顯可見(jiàn)針狀馬氏體組織，而造成斷帶的主要原因是熱影響區(qū)的馬氏體組織。

2.2.軋制力對(duì)比

通常純金屬的變形抗力比其合金的變形抗力要小，化學(xué)成分不同的金屬其變形抗力也不同，鋼中C含量增加，則變形抗力增大，一般鋼中的C含量增加0.1%，可使強(qiáng)度極限提高60～80 MPa；Mn含量增加0.1%，可使強(qiáng)度極限提高36 MPa。由于65Mn等高強(qiáng)鋼中C、Mn含量高，加之其它合金元素的添加，造成帶鋼在軋制變形時(shí)變形抗力加大，導(dǎo)致軋制力急劇增高。圖4為典型鋼種初始硬度和變形硬度對(duì)比。從圖中可以看出，65Mn的初始硬度值最大，所以特別難軋。材料變形抗力受初始硬度、形變率影響較大。

從與45#鋼的成分、碳當(dāng)量及材料強(qiáng)度的對(duì)比可以看出，65Mn是當(dāng)今材料中碳當(dāng)量最高的產(chǎn)品。根據(jù)45#鋼的軋制力模型與未退火65Mn模擬情況對(duì)比分析，軋制力負(fù)荷接近2 100 t，接近設(shè)備負(fù)荷上限，造成冷軋生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)法正常啟動(dòng)，只能改軋其它規(guī)格品種，造成訂單無(wú)法交付。因此要保證冷軋65Mn的正常軋制，需解決軋機(jī)負(fù)荷高、厚控及板控不穩(wěn)定等問(wèn)題。表1為45#鋼與65Mn（規(guī)格2.5/1.0 mm×1 180 mm）軋制力對(duì)比。

圖4　典型鋼種硬度值對(duì)比

表1　45#鋼與65Mn軋制力對(duì)比

2.3焊縫軋制工藝分析

冷連軋機(jī)組在軋制65Mn的過(guò)程中因其Mn含量高，屈服強(qiáng)度也高，焊接時(shí)不能進(jìn)行同鋼種對(duì)接，采用中強(qiáng)鋼（Q235或20#）做焊接過(guò)渡，但中強(qiáng)鋼的張力和軋制力比工具鋼低很多，導(dǎo)致在工具鋼和中強(qiáng)鋼的焊縫過(guò)軋機(jī)的過(guò)程中因張力和軋制力突然下降，焊縫處基本處于“臨界失張”狀態(tài)，張力偏差較大，導(dǎo)致勒輥斷帶。

3　工藝優(yōu)化方案

65Mn經(jīng)過(guò)預(yù)退火后強(qiáng)度降低，焊接前組織結(jié)構(gòu)改善，減少了片狀珠光體焊后冷卻產(chǎn)生的馬氏體組織，因此工藝優(yōu)化應(yīng)從改善65Mn冷軋及焊接前組織結(jié)構(gòu)入手，以降低焊接、軋制難度。

熱軋?jiān)系慕M織以鐵素體及片狀珠光體為主，經(jīng)過(guò)激光焊接后由于空冷速率較高，材料組織以針狀馬氏體為主，是焊縫斷裂的主要原因，因此增加后退火工藝可有效減少針狀馬氏體的形成，提高基材韌性。增加預(yù)退火可以進(jìn)一步球化65Mn基體組織，減少片狀珠光體，避免焊接后產(chǎn)生更多的馬氏體，還可提高材料的韌性。

綜上所述，確定預(yù)退火工藝及焊接后退火工藝優(yōu)化方案如下。

3.1焊接工藝優(yōu)化

經(jīng)過(guò)預(yù)退火后的65Mn珠光體球化率較高，很少的片狀珠光體可以有效降低焊接冷卻后帶來(lái)的馬氏體轉(zhuǎn)變，減少焊縫斷裂源。

激光焊機(jī)本身配備后加熱工藝，為65Mn焊接后的回火創(chuàng)造了條件。通過(guò)不同后退火功率下焊縫及熱影響區(qū)組織、強(qiáng)度的變化來(lái)確定后退火功率。通過(guò)選取低（40%）、中（60%）、高（80%）3個(gè)檔的退火功率，結(jié)合材料預(yù)退火及未預(yù)退火設(shè)計(jì)試驗(yàn)，經(jīng)激光焊接后中檔退火功率條件下焊縫及熱影響區(qū)杯突效果非常好，橫向多點(diǎn)焊縫及熱影響區(qū)均遲于母材開(kāi)裂，焊接工藝有效。

取4塊（1 500 mm×1 280 mm）65Mn樣板，編號(hào)為1#～4#，1#和2#樣為熱軋狀態(tài)，3#和4#樣為熱軋后預(yù)退火狀態(tài)。退火工藝為加熱溫度720℃、保溫15 h。分別對(duì)1#、3#樣采用一組焊接參數(shù)、2#和4#樣采用另一組焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　焊接試樣的力學(xué)性能

從表2可以看出，1#樣和2#樣在拉伸過(guò)程中均在焊縫處斷裂，3#樣和4#樣拉伸過(guò)程中均在母材處斷裂，試樣斷裂照片見(jiàn)圖5。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，最終確定符合要求的65Mn焊接參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3　65Mn焊接參數(shù)

3.2軋制負(fù)荷分配優(yōu)化

3.2.1軋制參數(shù)的優(yōu)化

圖5　試樣斷裂照片

在軋制65Mn過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，第3機(jī)架和第4機(jī)架電機(jī)已達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷甚至超負(fù)荷軋制，而第1機(jī)架和第2機(jī)架電機(jī)仍有提升空間，并且各機(jī)架間的張力沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)最大值，所以對(duì)壓下分配和張力分配進(jìn)行優(yōu)化，主要目的是將所需軋制力更加合理地均勻分配給各個(gè)機(jī)架，并且通過(guò)提高機(jī)架張力來(lái)減少機(jī)架軋制力，從而降低工作輥電機(jī)負(fù)荷，保證成品厚度精度。

以未退火相同規(guī)格65Mn（原料厚度3.5 mm、成品厚度2.0 mm、成品寬度1 278 mm）在軋制過(guò)程中進(jìn)行壓下分配與張力優(yōu)化為例，具體優(yōu)化方案見(jiàn)圖6。

圖6　壓下分配與張力分配優(yōu)化方案

3.2.2生產(chǎn)工藝路線(xiàn)的優(yōu)化

采用先退火再軋制的工藝路線(xiàn)，鋼卷經(jīng)過(guò)退火后屈服強(qiáng)度明顯下降，從而降低了軋制力和張力。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，65Mn原料先經(jīng)過(guò)罩式爐720℃、保溫15 h退火后再進(jìn)行酸洗軋制，其焊接效果得到明顯改善，能夠進(jìn)行同鋼種焊接，并且各機(jī)架的軋制力和機(jī)架間張力顯著降低，從而使生產(chǎn)壓縮比更大，可軋出厚度更薄的產(chǎn)品，目前已能夠軋制厚度0.8 mm的65Mn。

3.3焊縫軋制工藝優(yōu)化

針對(duì)65Mn與Q235鋼對(duì)接焊縫過(guò)軋機(jī)掉張力的情況，采用以下兩種優(yōu)化方案：

（1）在焊縫距軋機(jī)10 m左右，提前手動(dòng)采用“飛行厚帶頭”模式，采用這種模式后，軋機(jī)出口目標(biāo)自動(dòng)增加40%，因而在過(guò)焊縫時(shí)減小了軋制力和張力，在焊縫后待軋制力和張力穩(wěn)定后取消“飛行厚帶頭”模式。該方案雖然會(huì)造成0.5～1.0 t的廢品，但相比于帶鋼跑偏、勒輥造成的斷帶停機(jī)所產(chǎn)生的的后果，更加節(jié)省時(shí)間和成品，同時(shí)還能保證機(jī)組的穩(wěn)定軋制。

（2）提高對(duì)接鋼種的厚度和壓縮比，以降低過(guò)焊縫時(shí)兩種鋼的張力差，同時(shí)軋機(jī)主控手動(dòng)降低張力10%～20%，并動(dòng)態(tài)調(diào)整彎輥，將正彎輥提高10%，配合傾斜等，有效降低了焊縫斷帶率，提高了生產(chǎn)效率。

4　效果驗(yàn)證

4.1軋制負(fù)荷變化情況

65Mn（原料規(guī)格厚度3.5 mm、成品厚度2.0 mm、成品寬度1 278 mm）采用優(yōu)化方案退火前、后軋制力和張力對(duì)比見(jiàn)圖7。從圖中可見(jiàn)，原料退火及參數(shù)優(yōu)化后的實(shí)際軋制力和張力適合機(jī)組穩(wěn)定生產(chǎn)。

4.2焊縫軋斷情況

未退火的65Mn與Q235或20#焊接過(guò)渡，比正常的焊縫斷帶率高20%。而經(jīng)過(guò)罩式爐退火的同鋼種65Mn焊接，比未退火65Mn直接焊接的焊縫斷帶率降低75%。

圖7　65Mn優(yōu)化及退火前后軋制力與張力對(duì)比

5　結(jié)論

（1）冷連軋機(jī)組生產(chǎn)65Mn采用預(yù)退火模式，軋制負(fù)荷低，可進(jìn)一步提高材料壓縮比，有效解決了過(guò)渡規(guī)格匹配等問(wèn)題，改善了性能。為降低退火成本，可根據(jù)生產(chǎn)情況，采取經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)模式。

（2）激光焊機(jī)在生產(chǎn)中高碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼方面較閃光焊機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，配備后退火工藝對(duì)材料焊接后因冷卻過(guò)快產(chǎn)生的馬氏體組織有很好的改善作用。

（3）通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整彎輥、傾斜、張力等方法優(yōu)化65Mn的焊縫軋制工藝，可有效降低焊縫斷帶率，提高生產(chǎn)率。

［1］閻啟.熱軋高強(qiáng)雙相鋼焊接性研究［J］.焊接，2008（7）：50-52.

［2］李紅英.65Mn鋼奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn) （CCT圖）［J］.材料科學(xué)與工藝，2005（8）：302-304.

（編輯 袁曉青）

Production Practice of Making 65Mn Tool Steel by Tandem Cold Mill in Ansteel

Li Fuqiang1，Ding Yanyong2，Xin LiFeng1，Zhang Jianjun1，Li Zhiqiang1
（1.Cold Rolled Strip Steel Mill of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.Product Development Department of Angang Steel Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China）

:In order to broaden the cold rolled product mix，the process for making the 65Mn tool steel by tandem cold mill in Cold Rolled Strip Steel Mill of Angang Steel Co.，Ltd.was studied.Then it was proposed that the 65Mn tool steel was cold rolled by cold tandem mill and annealed by batch furnace annealing.For annealing the steel the pre-annealing process was added. What's more，the optimization scheme for steel-welding and steel-rolling processes was formulated and thus the 65Mn tool steel can be stably produced by cold tandem mill.

cold tandem mill；tool steel；rolling process；pre-annealing

TG335

A

1006-4613（2016）04-0053-05

李富強(qiáng)，工程師，2003年畢業(yè)于鞍山科技大學(xué)金屬材料工程專(zhuān)業(yè)。E-mail:Lzlfq9549@163.com

2016-07-04