提高低碳鋼頂鍛性能的工藝探討

韓倫杰， 王　玲， 王忠英， 陳子坤

(1.鋼鐵研究總院華東分院，江蘇 淮安　223005； 2. 蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖　241002)

引言

冷鐓鋼是應(yīng)用冷鐓成型工藝生產(chǎn)緊固件用鋼，因冷成型性能良好，在機(jī)械加工行業(yè)用冷拔代替熱軋材冷切削機(jī)加工，這種工藝節(jié)約大量工時(shí)、金屬消耗，而且產(chǎn)品尺寸精度高，表面光潔度好，生產(chǎn)率高，是近年來(lái)興起的較先進(jìn)的機(jī)加工工藝。隨著鋼鐵行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量穩(wěn)步提高；越來(lái)越多的機(jī)械加工企業(yè)在利益的驅(qū)使下，采用廉價(jià)的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，取代部分鉚螺鋼，生產(chǎn)一些對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求不高的緊固件。

許多鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，雖用戶要求冷鐓性能，但由于成本壓力的增加，仍采用不經(jīng)過(guò)LF爐精煉處理的冶煉工藝，致使鋼材冷墩開裂的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。而隨著產(chǎn)品用途的變化，材料的冶煉、澆注工藝必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)用戶的需求。

1　材料性能要求的變化

隨著材料用途的改變，鋼材的使用性能主要有以下變化：

(1)屈服強(qiáng)度σs及變形抗力盡可能降低，這樣可使單位變形力相應(yīng)減小，以延長(zhǎng)模具壽命。

(2)鋼材的冷變形性能要好，即材料應(yīng)有較好的塑性，較低的硬度，能在較大的變形程度下不致引起產(chǎn)品開裂。*收稿日期：2017-10-11作者簡(jiǎn)介：韓倫杰(1971—)，男，工程師。電話：13155321039；E-mail：han2672@126.com

(3)鋼材的加工硬化敏感性盡可能的低，這樣不致使冷鐓變形過(guò)程中的變形力太大。

2　生產(chǎn)工藝路線

此類鋼材的生產(chǎn)流程是：轉(zhuǎn)爐—吹氬站—連鑄—軋制—檢驗(yàn)—包裝，入庫(kù)。

3　試驗(yàn)與分析

3.1　鋼水中不同氧含量對(duì)頂鍛的影響

通過(guò)在轉(zhuǎn)爐吹氬后進(jìn)行定氧，跟蹤鋼材軋制后的頂鍛性能，如表1所示。

表1　低碳鋼不同氧含量鋼材的頂鍛性能

從表1可以看出：氧含量較高的爐次冷頂鍛易于出現(xiàn)開裂。

3.2　連鑄坯皮下針孔對(duì)頂鍛的影響

連鑄坯的皮下針孔，是在連鑄坯皮下1～3 mm以下的缺陷，冷卻后的連鑄坯表面基本找不到這種缺陷；在連鑄坯加熱、氧化鐵皮剝落后，方可發(fā)現(xiàn)這種缺陷。同一支連鑄坯在加熱前、后的外觀質(zhì)量如圖1,2所示。

圖1　連鑄坯加熱前表面形貌

圖2　連鑄坯加熱后表面形貌

這種連鑄坯經(jīng)過(guò)軋制后，鋼材的表面與沒(méi)有皮下針孔的連鑄坯軋制的鋼材外觀沒(méi)有明顯的區(qū)別，但頂鍛后，有皮下針孔的鋼材易出現(xiàn)發(fā)紋，這種缺陷不會(huì)造成大裂口型的開裂。

3.2.1連續(xù)性皮下針孔

1)原因分析

整爐出現(xiàn)連續(xù)性皮下針孔時(shí)，這種針孔小，且彌散，基本均勻分布在連鑄坯四周，內(nèi)弧面多于其他弧面；主要是由于鋼水中氣體含量高(尤其是氧含量較高)，在鋼水凝固時(shí)，析出CO氣泡沒(méi)能夠及時(shí)上浮，被連鑄坯剛凝固內(nèi)表面所吸附造成的。造成這一問(wèn)題機(jī)理為：

在低碳鋼的固、液相線溫度下，鋼水中的C-O平衡，由公式 △Go=RT·lnK,得

lnK=(-22365-39.63T)/(RT)

鋼水中的脫碳反應(yīng)

由于平衡時(shí)，鋼液中的碳、氧濃度都很低，可以認(rèn)為fcfo=1，由

并且T=1873 K,m=0.0025，則

PCO=1 atm，w(C)w(O)=m=0.0025。

經(jīng)過(guò)計(jì)算不同成分Q235, Q195的氧含量如表2所示。

表2　不同成分下對(duì)應(yīng)的氧含量

從表2可以看出：冶煉此類鋼如Q195,Q235，只有將鋼水中的氧含量分別降到113×10-6和64×10-6以下時(shí)，且鋼水充分均勻，才能夠避免這一缺陷的產(chǎn)生。同一鋼種碳含量較低時(shí)，氧含量的允許含量較高，這一缺陷的產(chǎn)生幾率低。

(2) 降低氧含量的措施

1)終點(diǎn)碳、終點(diǎn)溫度對(duì)鋼水中氧含量的影響

由于生產(chǎn)低碳鋼，鋼水的終點(diǎn)碳含量較低，轉(zhuǎn)爐一次倒?fàn)t雙命中顯得尤為重要。在不同溫度下，終點(diǎn)定氧與碳含量、溫度的檢測(cè)如表3所示。

表3　不同溫度鋼水中下終點(diǎn)碳與鋼水中自由氧含量

從表3可以看出：適當(dāng)提高鋼水中終點(diǎn)碳含量，降低終點(diǎn)溫度，能夠降低鋼水中的自由氧含量，降低脫氧難度。生產(chǎn)低碳鋼種主要是通過(guò)降低系統(tǒng)溫度來(lái)降低鋼水中的氧含量。

2)終點(diǎn)底吹對(duì)鋼水中氧含量的影響

對(duì)有頂?shù)讖?fù)吹的轉(zhuǎn)爐，終點(diǎn)提槍后，通過(guò)底吹不同時(shí)間，鋼水氧含量與終點(diǎn)碳均有一定的變化，如表4所示。

表4　不同底吹時(shí)間時(shí)終點(diǎn)碳與鋼水中的自由氧含量

從表4可以看出：轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)提槍后，隨著底吹時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼中的自由氧含量隨著降低，但終點(diǎn)碳達(dá)到一定程度，降低的幅度不大。這是由于在底吹過(guò)程中，氣泡的真空效果使鋼水中的CO能夠降低一定的氧含量。這種方式降低氧含量，由于影響生產(chǎn)節(jié)奏與加劇爐襯侵蝕，不提倡采用。

3)出鋼后補(bǔ)脫氧降低鋼水中的氧含量

由于轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)碳含量的變化，脫氧也有一定的變化，特別是轉(zhuǎn)爐出鋼后氧含量高時(shí)，可以采取補(bǔ)脫氧的方式，將鋼水中的氧含量降低到理想值，通過(guò)延長(zhǎng)軟吹時(shí)間，促使氧化產(chǎn)物上浮，達(dá)到凈化鋼液的目的。

4)強(qiáng)化連鑄保護(hù)澆注，降低鋼水中的氧含量

主要是通過(guò)嚴(yán)格控制鋼水與空氣接觸，選擇優(yōu)質(zhì)的耐火材料、保溫劑、保護(hù)渣、三大件材料，減少鋼水的二次氧化。

3.2.2間斷性皮下針孔

出現(xiàn)間斷性皮下針孔，主要是由于鋼水在中包澆注過(guò)程中吸入空氣，鋼水來(lái)不及上浮，或在鋼水與保護(hù)渣界面，部分被剛凝固的鋼水吸附形成的缺陷；這種針孔較大，深度為2mm左右，一般在連鑄坯上

呈簇狀缺陷，主要是中包保護(hù)澆注密封不合適造成的。

兩種中包密封墊如圖3所示。圖3中左側(cè)為中包原用密封墊，右側(cè)為采取專用密封墊后的狀況；通過(guò)改進(jìn)中包密封墊，避免因保護(hù)澆注不良而吸氣造成連鑄坯的間斷性皮下針孔，質(zhì)量缺陷得以解決。

圖3　中包水口的密封墊圖

3.3　夾雜物對(duì)頂鍛性能的影響

3.3.1微觀夾雜對(duì)性能的影響

微觀雜質(zhì)對(duì)性能的影響如表5所示。

表5　微觀雜質(zhì)對(duì)性能的影響

經(jīng)過(guò)多次檢驗(yàn)，微觀夾雜物的級(jí)別高低與否，并沒(méi)有直接導(dǎo)致鋼材的頂鍛開裂。

3.3.2宏觀夾雜對(duì)性能的影響

圖4　嚴(yán)重頂鍛開裂情況

造成頂鍛產(chǎn)生較大裂口(如圖4所示)，部分原因是由于鋼材組織應(yīng)力與嚴(yán)重表面缺陷造成，另有部分原因是由于外來(lái)夾雜物造成的，這種夾雜物一般達(dá)到100μm以上，主要是在澆注過(guò)程中造成的。特別是結(jié)晶器卷渣形成大型夾雜，破壞了鋼的連續(xù)性，進(jìn)而影響鋼材的頂鍛性能。

連鑄使用鎂質(zhì)的耐火材料，采用中間包擋渣墻、擋渣壩，保持中包滿液面澆注，結(jié)晶器采用液面自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)采取小振幅、高振頻的參數(shù)，避免結(jié)晶器內(nèi)液面的波動(dòng)裹渣，切除更換中包水口階段生產(chǎn)的連鑄坯等措施，可以大幅度減少宏觀夾雜物的帶入及影響。

3.4　連鑄坯及棒材表面質(zhì)量對(duì)頂鍛性能的影響

頂鍛小裂紋(如圖5所示)與連鑄坯的表面質(zhì)量有一定的關(guān)系，較深的表面缺陷(如圖6所示)在軋鋼生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)加熱與軋制后在鋼材表面形成缺陷，對(duì)頂鍛的性能有一定的影響，這主要靠強(qiáng)化設(shè)備維護(hù)，提高設(shè)備可靠性上予以解決。

圖5　頂鍛小裂紋

3.5　化學(xué)成分的優(yōu)化

鋼中含碳量越高，鋼的強(qiáng)度越高，而塑性越低，碳含量一般按中、下限控制為宜。鋼中硅含量超過(guò)

圖6　連鑄坯的表面劃傷

0.15%，隨硅含量增加，鋼的抗拉強(qiáng)度、硬度有所提高，但延伸率低，斷面收縮率下降更顯著，不利于冷變形，且非金屬夾雜物急劇增加，冷鐓鋼盡量要求減少硅的含量。鋼中錳含量適中，可改善鋼中硫的存在形態(tài)和分布，有利于提高鋼的冷成型性。鋼中的硫在冷鐓時(shí)會(huì)使金屬的結(jié)晶顆粒彼此分離引起裂紋；磷會(huì)惡化冷塑性變形能力，在拉拔時(shí)會(huì)使線材斷裂，冷鐓時(shí)使產(chǎn)品開裂，鋼中的硫、磷含量應(yīng)控制在0.025%以下。

4　結(jié)束語(yǔ)

(1)降低鋼水的氧含量，能夠提高鋼材的頂鍛性能。

(2)連鑄坯皮下針孔主要是由于脫氧與保護(hù)澆注不良造成的，對(duì)低碳鋼的頂鍛性能有影響。

(3)微觀夾雜對(duì)鋼材的頂鍛性能影響較小，宏觀夾雜影響較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡開科，陳士富. 連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.