低溫高強度螺栓用42CrMoA鋼的開發(fā)生產實踐

孫后金，孫少楠，李寶霈

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

隨著各類機械、設備、建筑工程的不斷大型化，以及功率、轉速的不斷提高，螺栓類零件的工作條件更加惡劣，工作應力明顯提高，各方面要求也日趨嚴格。其中，低溫高強風電螺栓用鋼有更高的綜合機械性能要求，在低溫下具有足夠的強度和充分的韌性，具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等。其中低溫韌性，即低溫下防止脆性破壞發(fā)生和擴展的能力是最重要的條件。目前我國高強度螺栓的研究水平與國外先進水平還存在較大差距，特別是低溫高強度螺栓不能滿足國內使用需求，仍需大量從國外進口；因此山東壽光巨能特鋼公司研究開發(fā)低溫高強度螺栓用鋼42CrMoA，滿足國內對低溫高強度用鋼的使用需求。

2 產品設計及工藝流程

2.1 化學成分設計

低溫高強度螺栓42CrMoA 用鋼是在國標42CrMo 鋼化學成分允許的范圍內，按中上限控制鋼中的Mn 元素含量，增強鋼的淬透性和珠光體含量，增加抗拉強度；通過添加 Ni 元素，Ni 與 Fe 以互溶的形式存在于α 相和γ 相中，使之強化，并通過細化α 相的晶粒，改善鋼的低溫沖擊韌性；通過控制鋼中Al 的含量，形成AlN 釘扎晶界，阻止奧氏體晶粒長大，起到細化晶粒作用［1-2］；冶煉過程中控制有害元素P、S 含量使鋼達到較高的純凈度。低溫高強度螺栓用42CrMoA 鋼協(xié)議及內控要求成分如表1 所示。

表1 42CrMoA鋼協(xié)議及內控要求成分 %

2.2 工藝路線

50%高爐鐵水熱裝→70 t 超高功率電爐熔煉→70 t LF 爐外精煉→VD 真空脫氣→R8 m 四機四流連鑄機連鑄→冷裝→雙蓄熱步進梁式加熱爐→高壓水除鱗→Φ950+Φ750+Φ500 連軋機→穿水冷卻→減定徑機組→冷床→無齒鋸鋸切→入坑緩冷→矯直→倒棱→拋丸→表面+內部聯(lián)合探傷→包裝→計量、標識、入庫。

2.3 關鍵工藝

1）熔煉過程成分的精確控制。減少碳含量、增加錳或鎳含量，能顯著降低鋼材的韌脆轉變溫度，錳碳比越高，韌脆轉變溫度越低，Ni元素可以延緩鋼材脆化的趨勢，消除突發(fā)的韌脆轉變現(xiàn)象；為此熔煉過程要加強各成分的精確控制保證進入內控，減少各爐次之間的成分波動，保證產品質量的穩(wěn)定性。

2）有害元素P、S 去除及夾雜物的控制。鋼材在調質過程中，有害元素P、S 易偏聚于晶界，形成網(wǎng)狀或者片狀化合物，降低晶界處強度，使鋼材在低溫使用時強度和韌性變差，產生失效；為此，在工藝設計時要求嚴控鐵水P、S含量，減輕精煉脫硫壓力，轉爐出鋼時高拉碳，減輕精煉脫氧壓力。鋼中的氧化物、硫化物等夾雜物對鋼材的連續(xù)性具有破壞作用，夾雜物數(shù)量越多，尺寸越大，鋼材的各項力學性能指標越低；特別是在低溫下，夾雜物與基體之間容易形成裂紋，對力學性能的影響更加明顯；并且夾雜物對于帶狀組織的形成有一定的促進作用，使縱向和橫向的力學性能差值增大。精煉時要做好“白渣”控制及氬氣的攪拌，保證夾雜物的吸附效率；加強真空脫氣，保證真空度＜100 Pa 保持時間＞15 min。

3）連鑄過程中鋼水過熱度的控制，減輕成分偏析，使用電磁攪拌破壞柱狀晶。低過熱度澆鑄可以提高鑄坯內部質量，消除中心縮孔，減輕成分偏析，為此連鑄過熱度應保證在（20±5）℃。根據(jù)許偉陽［3］等人的研究，結晶器電磁攪拌強度對白亮帶（偏析）的位置具有重要的影響，電磁攪拌強度越大，白亮帶外移，導致錠形偏析區(qū)域越大；但是一味的降低結晶器內電磁攪拌強度，會使鑄坯中間碳偏析增大［4］，因此結晶器電磁攪拌參數(shù)設置為150 A/2 Hz。

4）大壓下量改善鋼材低倍質量。大壓縮比、大壓下量改善鋼材低倍質量，加強內部孔隙性缺陷的焊合，同時低速、大壓下軋制利于破碎坯料中的樹枝晶，連軋單道次最大壓下量達到70 mm以上。

圖1 鋼材室溫組織

5）通過控軋控冷，使鋼中均勻析出細小的第二相質點，細晶強化并提高低溫沖擊韌性。合適的控軋控冷工藝，保證鋼材在奧氏體未再結晶區(qū)軋制，使奧氏體晶粒被壓扁拉長，晶內形成大量變形帶和位錯。AlN等應變誘發(fā)沉淀，于變形帶和位錯處優(yōu)先形核析出，細化鐵素體晶粒，從而得到細的鐵素體和珠光體組織，使得鋼的強度和韌性都得到適當?shù)奶岣摺?/p>

3 產品實物質量檢測分析

3.1 鋼材低倍組織

鋼材經(jīng)熱酸浸蝕后的低倍組織良好，一般疏松0.5級，中心疏松1.0級，錠型偏析1.5級。

3.2 室溫組織

42CrMoA 鋼材的室溫組織如圖1 所示，為鐵素體+珠光體的混合組織，鐵素體沿原奧氏體晶界呈塊狀或片狀析出，且自邊緣至心部鐵素體塊狀逐漸增大。

3.3 實際晶粒度及奧氏體晶粒度

鋼材的晶粒度見圖2，鋼材組織細小均勻，實際晶粒度達到了8～9級，奧氏體晶粒度6～6.5級。

圖2 晶粒度

3.4 夾雜物

鋼材的各類夾雜物級別見表2，整體來看，鋼材的純凈度較好，尤其是B類、C類、Ds類夾雜物級別較低。

表2 夾雜物級別 級

3.5 42CrMoA協(xié)議要求及實際力學性能

鋼材各項力學性能見表3，所有力學性能指標均符合協(xié)議要求，且均存在一定富余量。

3.6 淬透性

鋼材經(jīng)870 ℃正火+850 ℃淬火處理后，鋼材的淬透性曲線見圖3。

4 結 語

該鋼種試制后共交付用戶500 t 左右，用戶進廠檢驗合格，加工成螺栓后各項性能均符合要求，得到了用戶的認可。該鋼種的成功開發(fā)，為公司低溫高強度螺栓用鋼的生產積累了經(jīng)驗，滿足了國內電力、石油等行業(yè)對于低溫高強度螺栓的使用要求。

表3 鋼材協(xié)議要求及實際力學性能

圖3 鋼材的淬透性曲線