連軋管機(jī)用30Cr3MoV限動(dòng)芯棒材料的研制

周　許　孟令賢　孫振環(huán)　宛　農(nóng)

(1.中原特鋼股份有限公司，河南459000；2.武漢輕工大學(xué)，湖北430023)

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連軋管機(jī)用30Cr3MoV限動(dòng)芯棒材料的研制

周許1孟令賢1孫振環(huán)1宛農(nóng)2

(1.中原特鋼股份有限公司，河南459000；2.武漢輕工大學(xué)，湖北430023)

以合金熱力學(xué)計(jì)算和鍛件溫度場(chǎng)模擬為指導(dǎo)，采用合適的冶煉、鍛造、熱處理工藝，研制的連軋管機(jī)用30Cr3MoV限動(dòng)芯棒材料的力學(xué)性能與H13相當(dāng)，滿足技術(shù)要求。

30Cr3MoV；限動(dòng)芯棒；力學(xué)性能

連軋管機(jī)用限動(dòng)芯棒是無縫鋼管連軋機(jī)組的重要變形工具，限動(dòng)芯棒材料在很大程度上決定著無縫鋼管的制造成本。目前限動(dòng)芯棒常用鋼種為H13，制造成本相對(duì)較高。為了在滿足材料力學(xué)性能要求的前提下降低制造成本，選用改進(jìn)型的30Cr3MoV材料進(jìn)行研制。通過生產(chǎn)試制，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)與H13鋼相當(dāng)。

1　研制技術(shù)要求

1.1化學(xué)成分

30Cr3MoV化學(xué)成分見表1。

表1　30Cr3MoV化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2非金屬夾雜物

30Cr3MoV按照GB/T 10561—2005檢測(cè)非金屬夾雜物，要求A、B、C、D各類夾雜物均不大于1.0級(jí)。

1.3晶粒度

調(diào)質(zhì)處理后晶粒度不粗于8.0級(jí)。

1.4力學(xué)性能

表2　30Cr3MoV力學(xué)性能要求

30Cr3MoV的力學(xué)性能應(yīng)滿足表2的要求。

1.5超聲檢測(cè)

檢測(cè)方法按照INNSE154(AVG法)規(guī)定執(zhí)行，芯棒材料的內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)符合下列要求：

1級(jí)，適用于芯棒外表面之下40 mm以內(nèi)。

2級(jí)，適用于芯棒外表面40 mm至芯棒心部。

2　工藝路線選擇

限動(dòng)芯棒使用過程中，表面溫度可達(dá)700℃，且用后急冷，工作過程中需承受多次冷熱交替循環(huán)和較強(qiáng)的熱磨損，同時(shí)還要承受較大且復(fù)雜的拉伸、壓縮接觸應(yīng)力和高速循環(huán)的高溫冷熱疲勞應(yīng)力，工作環(huán)境惡劣。對(duì)材料純凈度、強(qiáng)度、韌性和耐熱疲勞性等各項(xiàng)性能要求很高。所以我們選擇試制工藝路線：電爐冶煉+真空精煉+電渣重熔→電極坯退火→電渣錠加熱→十字鍛造→鍛后高溫正火+球化退火處理→超聲檢測(cè)、理化檢測(cè)→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→理化檢測(cè)→合格交貨。

3　生產(chǎn)試制

3.1冶煉

冶煉工序的重點(diǎn)是提高鋼水的純凈度，充分去除鋼中氣體和夾雜。為此要求冶煉原材料選用二級(jí)以上優(yōu)質(zhì)廢鋼、返回鋼料頭、生鐵和海綿鐵等。同時(shí)要求鐵合金及造渣材料充分烘烤和干燥。電爐起始氧化溫度不低于1 560℃，脫碳量不小于0.40%，最大限度去除鋼中的氣體和夾雜物。電爐出鋼前包中加入復(fù)合脫氧劑進(jìn)行沉淀脫氧，降低鋼中的氧含量，加入造渣材料和預(yù)熔渣，為鋼包爐脫硫創(chuàng)造有利條件。電爐出鋼時(shí)采用留鋼留渣操作，防止鋼液回[P]。精煉包到位，吹氬喂鋁絲進(jìn)一步脫氧，加入碳粉、硅鐵粉保持白渣使鋼中氧化鐵含量處于較低水平，以利于鋼水中的氧向渣中擴(kuò)散，起到良好的脫氧作用。

LF精煉前期以脫氧為主，后期以脫硫?yàn)橹鳌Ｔ恳_(dá)到鋼水重量2.5%以上，造高堿性白渣，然后分批加入鉻鐵、鉬鐵，間隔時(shí)間保持15 min以上，期間分別用碳粉、硅鐵粉保持還原氣氛。脫氣前把成分調(diào)整進(jìn)限，根據(jù)殘鋁含量決定喂鋁絲量，脫氣后不再喂入鋁線。溫度1 600～1 610℃時(shí)進(jìn)入真空罐脫氣，在≤66.7 Pa下保持時(shí)間不少于12 min，最大限度去除鋼液中氣體及非金屬夾雜物。澆注電極坯采取氬氣保護(hù)，避免鋼液二次污染。

電極坯切頭切尾后進(jìn)行電渣重熔，選擇合適的電渣重熔參數(shù)，使金屬熔池形狀達(dá)到扁、平、淺，驅(qū)使金屬凝固沿軸向發(fā)展，保證氣體和夾雜物充分上浮，以減少鑄態(tài)組織缺陷。采用6∶2∶2三元渣系，保持充填比0.65，熔化率約750 kg/h，冷卻水溫控制在30～50℃，同時(shí)采用吹氬保護(hù)圈進(jìn)行氣體保護(hù)電渣，通過降低熔速和提高冷卻強(qiáng)度減輕此類鋼成分和組織偏析，提高鋼液純凈度和均勻性。電渣錠及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力處理。

3.2鍛造及鍛后熱處理

10.5 t重的?1 000 mm 電渣錠加熱到1 180℃后在50 MN油壓機(jī)上進(jìn)行十字鍛造。首先鐓粗，鐓粗比控制在2.0～2.1，后沿直徑方向拔為□550 mm的中間坯，中間坯返加熱爐在1 230℃進(jìn)行高溫均質(zhì)化處理。通過高溫均質(zhì)化處理，促進(jìn)合金元素的均勻擴(kuò)散，減輕枝晶偏析引起的鍛坯帶狀偏析，并能有效消除鋼在凝固過程中析出的大量液析碳化物VC[1]。高溫均質(zhì)化后中間坯進(jìn)行二次鐓粗，鐓粗的方向與初次鐓粗方向垂直(即一次拔長(zhǎng)的方向)，再按照二次鐓粗的方向拔為中間坯。通過這種十字變形方式改變材料原始纖維方向，提高等向性能。中間坯空冷至約1 000℃，利用RF70臥式精鍛機(jī)拔長(zhǎng)成型。拔長(zhǎng)時(shí)各道次拉打速度為(3～3.5)m/min，最后一道次拉打速度為(2～2.5)m/min。由于精鍛機(jī)鍛造過程中打擊速度比較快，鍛造過程中鍛坯溫度下降非常緩慢，因此通過空冷降低精鍛機(jī)的始鍛溫度，實(shí)現(xiàn)低溫鍛造，從而保證獲得細(xì)小、均勻的原始晶粒。

鍛后及時(shí)霧冷，避免高溫段停留時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致奧氏體晶粒長(zhǎng)大。并進(jìn)行高溫正火+球化退火處理。

30Cr3MoV相變點(diǎn)Ac1、Ac3按照Andrews經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

Ac1=723-10.7Mn-13.9Ni+29Si+16.9Cr+290As+6.38W

(1)

Ac3=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W

(2)

其中，式(1)、式(2)中元素符號(hào)代表其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，適用鋼的成分范圍為：C≤0.60%，Mn≤4.9%，Cr≤5.0%，Ni≤5.0%，Mo≤5.4%。

按式(1)、式(2)計(jì)算30Cr3MoV的Ac1約為785℃，Ac3約為862℃。利用合金熱力學(xué)軟件Jmapro7.0計(jì)算30Cr3MoV中各類碳、氮化物的溶解溫度，如圖1、圖2所示。其中M(C、N)最終溶解溫度為995℃。

圖1　化合物隨溫度變化

圖2　M(C、N)隨溫度變化

圖3　高溫正火+球化退火

根據(jù)相變點(diǎn)Ac3和各類碳化物溶解溫度，為使各類碳、氮化物充分溶入奧氏體中，同時(shí)保持微量的釩細(xì)化晶粒，正火溫度選擇950℃。根據(jù)相變點(diǎn)Ac1確定球化溫度為730℃。工藝曲線如圖3所示。退火后按照北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA 207—2006標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)退火組織為AS4，滿足優(yōu)質(zhì)級(jí)別。

3.3性能熱處理

試制的30Cr3MoV連軋管機(jī)限動(dòng)芯棒經(jīng)過粗加工后尺寸為?300 mm×12 680 mm的毛坯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為了防止工件彎曲，選擇18 m臥式鐘罩電阻爐作為淬火和回火加熱爐。淬火溫度選擇930℃，由于30Cr3MoV為中低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，淬透性相對(duì)H13較差，油淬存在心部淬不透的問題，但是也正因碳含量較低，化學(xué)成分設(shè)計(jì)為C<0.31%，為正偏析，且淬火碳當(dāng)量Ceq=C+0.05Mn+Ni/15+0.1(Cr+Mo+Vo)≈0.725<0.75，水淬毫無危險(xiǎn)。并應(yīng)用Jmapro7.0計(jì)算30Cr3MoV的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，如圖4所示。應(yīng)用Ansys10.0進(jìn)行淬火溫度場(chǎng)模擬，如圖5所示。采用水淬能夠保證工件心部淬透。水淬后及時(shí)進(jìn)行低溫回火并空冷至室溫，確保殘余奧氏體徹底轉(zhuǎn)變，通過兩次高溫回火，充分消除工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，最大限度減少后續(xù)精加工及使用過程中因內(nèi)部應(yīng)力過大導(dǎo)致的彎曲變形，同時(shí)獲得理想的力學(xué)性能指標(biāo)。

圖4　30Cr3MoV的CCT圖

圖5　不同部位溫度隨時(shí)間變化

4　產(chǎn)品檢驗(yàn)

4.1力學(xué)性能檢測(cè)

超聲和工件表面硬度檢測(cè)合格后，冒口端切取縱向和橫向力學(xué)性能試片，并在試片1/2半徑處制取試樣，按照GB/T 228—2002、GB/T 229—2007進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表3。力學(xué)性能指標(biāo)滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表3　30Cr3MoV力學(xué)性能結(jié)果

表4　非金屬夾雜物、晶粒度和顯微組織檢測(cè)結(jié)果

4.2金相檢測(cè)

利用沖擊樣坯，按照GB/T 10561—2005進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，按照GB/T 6394—2002進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，按照GB/T 13298—1999進(jìn)行顯微組織檢測(cè)，結(jié)果見表4。各類夾雜物含量極少，冶煉工序控制較好。晶粒度均勻細(xì)小，顯微組織為回火索氏體，達(dá)到理想的熱處理要求。

5　結(jié)論

通過采用電爐冶煉、真空精煉、電渣重熔提高材料純凈度。通過中間坯高溫均質(zhì)化處理、十字鍛造減輕材料偏析，消除液析碳化物，提高等向性能。通過高溫正火+球化處理獲得良好的預(yù)備熱處理退火組織。通過合金熱力學(xué)計(jì)算和淬火溫度場(chǎng)模擬，設(shè)計(jì)科學(xué)的調(diào)質(zhì)處理工藝，試制的連軋管機(jī)用30Cr3MoV限動(dòng)芯棒材料力學(xué)性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

[1]何西娟，李豐，左鵬鵬，等.高溫均質(zhì)工藝改善30Cr3MoV芯棒材料的沖擊韌性[J].上海金屬，2013，35(5)：27-30.

[2]謝珍勇.連軋管機(jī)用4Cr5MoSiV1限動(dòng)芯棒材料的研制[J].特鋼技術(shù)，2010，16(62)：11-17.

[3]樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]于程歆，劉林.淬火冷卻技術(shù)及淬火介質(zhì)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

編輯杜青泉

Research and Development of 30Cr3MoV Retained Mandrel for Mandrel Pipe Mill

Zhou Xu, Meng Lingxian, Sun Zhenhuan, Wan Nong

Taking the thermodynamic calculation of alloy and the temperature field simulation of forging as guide, by adopting the appropriate smelting, forging and heat treatment processes, the mechanical property of developed 30Cr3MoV retained mandrel for mandrel pipe mill is similar to that of H13, which satisfy the technical requirements.

30Cr3MoV; retained mandrel; mechanical property

2016—05—10

周許(1984—)，男，工程師，從事工模具鋼產(chǎn)品研發(fā)。

TG113.25

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