高強(qiáng)度冷鐓鋼SWRCH45K開(kāi)發(fā)與工藝研究

陸繼歡

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司,安徽 蕪湖 241000)

SWRCH45K鋼是我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的高附加值產(chǎn)品之一,是作為生產(chǎn)8.8～10.9級(jí)高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)件的的重要冷鐓原料,化學(xué)成分穩(wěn)定,夾雜物及氣體含量低,組織均勻性好,裂紋等表面質(zhì)量控制較好[1]。高強(qiáng)度冷鐓鋼SWRCH45K主要應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)度螺栓、螺帽等緊固件,其次也用于生產(chǎn)軸類、盤類等零件,還有一部分材料用于生產(chǎn)銀亮材。一般冷鐓加工的生產(chǎn)工藝為一球兩拉和兩球兩拉工藝,其成品經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有高的強(qiáng)度、良好的塑性及韌性相結(jié)合的特點(diǎn),產(chǎn)品市場(chǎng)主要集中在江浙、西南等地區(qū),被廣泛應(yīng)用于汽車制造、鐵路運(yùn)輸、機(jī)械制造、電子、家電、建筑等領(lǐng)域[2]。某公司技術(shù)人員依據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程,進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研,了解下游客戶需求,結(jié)合公司多年冷鐓鋼生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn),制定開(kāi)發(fā)方案,工藝制定,逐步開(kāi)發(fā)了Φ6.5mm～Φ24 mm熱軋盤條。

1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

1.1 碳含量

C是僅次于鐵的主要元素,它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性能等。當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時(shí),隨著含碳量的增加,鋼材的強(qiáng)度和硬度提高,而塑性和韌性降低,因此,C含量按照J(rèn)IS3507—2015中的中下限控制。

1.2 Mn含量

Mn提高鋼的淬透性,改善鋼的熱加工性能。Mn在鋼鐵冶煉中可與S形成高熔點(diǎn)的MnS,進(jìn)而消弱和消除S的不良影響。但是,Mn的含量也是一把雙刃劍。Mn含量并不是越高越好。錳含量的增高,會(huì)降低鋼的塑性以及焊接性能。因此,C含量按照J(rèn)IS3507—2015中的中下限控制。

1.3 Si含量

Si能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度,其作用僅次于磷,較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強(qiáng)。硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長(zhǎng),降低塑性,提高鋼的加工硬化率,降低鋼的變形抗力。因此,Si含量按照J(rèn)IS3507—2015中的中下限控制。

1.4 Cr含量

鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要作用是提高淬透性,使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能,在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物,從而提高材料表面的耐磨性,鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強(qiáng)度。因此,Cr含量按照0.1%～0.15%控制。

1.5 Al含量

鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中,鋁脫氧能力比硅、錳強(qiáng)得多。鋁在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒、固定鋼中的氮,從而顯著提高鋼的沖擊韌性,降低冷脆傾向和時(shí)效傾向性。鋁含量偏高,將惡化鋼水潔凈度,影響正常澆鑄,鑄坯角部開(kāi)裂概率增加,因此成品Als應(yīng)嚴(yán)格控制在0.015%～0.03%。

1.6 有害元素

S、P、As、Sb、Sn、O、N等對(duì)于冷墩鋼屬于有害元素,惡化鋼的冷墩性能和塑性,應(yīng)盡量降低其含量。

根據(jù)以上化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路及冷鐓鋼性能特性要求,冷墩鋼應(yīng)具有較好的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性,因此,在實(shí)際冶煉過(guò)程中,碳含量按中限控制,硅含量按中下限控制。鋼中硫、磷、氫、氧等雜質(zhì)元素會(huì)影響冷墩鋼的力學(xué)性能,因而在冶煉過(guò)程中還應(yīng)盡可能去除雜質(zhì),SWRCH45K化學(xué)成分控制見(jiàn)表1。

表1 SWRCH45K盤條化學(xué)成分 %

2 生產(chǎn)工藝流程

轉(zhuǎn)爐—LF爐精煉—180 mm×180 mm斷面連鑄機(jī)—步進(jìn)梁式加熱爐加熱—高壓水除鱗—粗中軋機(jī)組—PFM機(jī)組軋制—水箱水冷—NTM機(jī)組軋制—水箱水冷—RSM機(jī)組—水箱水冷—光學(xué)測(cè)徑儀測(cè)徑—夾送輥夾送—吐絲機(jī)吐絲— STELMOR冷卻線控冷—集卷—PF線—取樣檢驗(yàn)、頭尾修剪—打捆—稱重、掛牌—卸卷-入庫(kù)。根據(jù)高端客戶需求可增加鑄坯表面全修磨或者角部修磨后軋制盤圓。

3 生產(chǎn)工藝控制

3.1 冶煉控制

(1)鐵水成分:w(Si)≤0.70%、w(P)≤0.11%、帶渣量<150 mm。

(2)終點(diǎn)成分:w(C)≥0.08%、w(P)≤0.018%。出鋼時(shí)向鋼包中加入合金,確保出鋼到LF的成分在以下范圍內(nèi):w(C)=0.35%～0.40%、w(Si)=0.08%～0.15%、w(Mn)=0.53%～0.63%、w(P)≤0.020%、w(Cr)=0.08%～0.15%,w(Al)=0.020%～0.040%。

(3)脫氧、造渣:鋁錠80 kg/爐,爐后喂鋁線:100～200 m/爐,石灰500 kg/爐+化渣劑100 kg/爐。出鋼時(shí)借助滑板擋渣和在線下渣檢測(cè)設(shè)備,避免鋼包下渣。

3.2 精煉控制

精煉采用LF精煉,白渣時(shí)間≥20 min,精煉周期≥40 min,爐外軟吹時(shí)間≥15 min。調(diào)渣操作加石灰300～500 kg、適量化渣劑,碳化硅強(qiáng)化渣面脫氧及時(shí)調(diào)整渣況,并保證精煉渣良好的流動(dòng)性。保證終渣w(FeO)+w(MnO)<1.2%。在送電、精煉過(guò)程中,加入適量鋁粒、SiC強(qiáng)化渣面脫氧,全程進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。根據(jù)到LF初樣Al含量,控制第二樣鋼中w(Al)=0.020%～0.040%。強(qiáng)化精煉前、中期成分調(diào)整操作,控制氮含量。軟吹前喂純鈣線:中包第一包100～200 m,連澆爐50～80 m,確保w(Ca)/w(Al)=0.06～0.11。

3.3 連鑄控制

為保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量,連鑄嚴(yán)格按照目標(biāo)過(guò)熱度控制;中包烘烤時(shí)間>3.5 h。因過(guò)熱度低于15 ℃或高于45 ℃時(shí),機(jī)長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)增加拉速;調(diào)整拉速時(shí)幅度及頻率不宜過(guò)大(每次調(diào)整不大于0.02 m/min)。連鑄做好保護(hù)澆注,開(kāi)澆前做好中間包氣體置換、中包及包蓋密封加巖棉、模泥防護(hù),過(guò)程做好大包套管密封、浸入式水口密封等。水口要求垂直、對(duì)中,插入液面深度確保滿足要求,插入深度參考值:130±5/100±5 mm。連鑄采用整體式水口、全程保護(hù)澆注、恒溫恒拉速澆注,降低冷鐓鋼氣體含量,提高鋼水質(zhì)量和鑄坯表面質(zhì)量。

3.4 鑄坯質(zhì)量

鑄坯酸洗檢驗(yàn)其橫截面低倍及鑄坯表面,酸洗溶液為濃鹽酸和水按1∶1混合溶液,酸液溫度65～70 ℃,酸洗時(shí)間20 min。鑄坯低倍如圖1所示,中心疏松為0.5級(jí),無(wú)殘余縮孔、角部裂紋和中心裂紋,鑄坯低倍組織控制良好;表面酸洗如圖2所示,鑄坯表面酸洗無(wú)劃痕、無(wú)裂紋缺陷,鑄坯表面質(zhì)量控制良好。

圖1 鑄坯低倍組織

圖2 鑄坯表面酸洗

3.5 軋制控制

軋制溫度按表2所示要求控制。冷卻方式采用延遲緩冷進(jìn)行控制。成品尺寸按GB/T14981中B級(jí)精度及以上控制。頭部不冷段剪切干凈。軋制過(guò)程全程無(wú)冒火花現(xiàn)象。成品表面要求光滑,無(wú)耳子、折疊、裂紋、結(jié)疤等缺陷,重點(diǎn)關(guān)注劃傷、裂紋。生產(chǎn)過(guò)程取第1支1#剪試樣進(jìn)行熱頂鍛;2#、3#剪切試樣需取樣酸洗,酸洗試樣長(zhǎng)度500～600 mm,過(guò)程軋件及成品酸洗、尺寸等要求滿足要求。

表2 軋制溫度控制

4 產(chǎn)品質(zhì)量

4.1 力學(xué)性能

SWRCH45K冷鐓鋼屈服強(qiáng)度360～376 MPa,抗拉強(qiáng)度662～670 MPa,延伸率20%～23%,斷面收縮率35%～38%,冷鐓1/2均合格,半徑1/2處硬度86～89HRB。盤條力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 SWRCH45K盤條力學(xué)性能

4.2 盤圓表面質(zhì)量

盤圓表面無(wú)裂紋、麻面、劃傷等缺陷,盤圓宏觀形貌如圖3所示;氧化鐵皮結(jié)構(gòu)完整,無(wú)氧化皮破碎、氣泡等異常。成品尺寸滿足GB/T14981中B級(jí)精度要求。抽檢4支盤條進(jìn)行酸洗檢驗(yàn),盤條酸洗表面無(wú)裂紋、劃傷、結(jié)疤、翹皮等缺陷,盤條表面質(zhì)量良好,盤圓酸洗檢驗(yàn)如圖4所示。

圖3 盤圓表面質(zhì)量

圖4 盤圓酸洗檢驗(yàn)

4.3 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物混入材料中,會(huì)使摻雜點(diǎn)的四周應(yīng)力聚集在一點(diǎn),從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。其熱力學(xué)機(jī)理是,非金屬夾雜物會(huì)使整個(gè)材料產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)和彈性常數(shù)差,因而基體與夾雜物在加熱或冷卻過(guò)程中表現(xiàn)出不同的熱應(yīng)力,最后致使裂紋產(chǎn)生[3]。非金屬夾雜物的存在,在冷墩成形時(shí)極易形成裂紋源,熱處理時(shí)易造成應(yīng)力集中,產(chǎn)生淬火裂紋。對(duì)于冷墩鋼,一般要求距表面2 mm的B類夾雜物≤20 μm,且w(N)≤60×10-6,T.O≤30×10-6[4]。由于SWRCH45K鋼用于汽車用高強(qiáng)度螺栓,因此對(duì)其非金屬夾雜物和氣體含量進(jìn)行了檢驗(yàn)。通過(guò)檢驗(yàn),盤條非金屬夾雜物級(jí)別均≤0.5級(jí),w(N)≤60×10-6,T.O≤20×10-6,非金屬夾雜物和氣體控制較好。依據(jù)GB /T10561對(duì)其夾雜物進(jìn)行了觀察和評(píng)級(jí),見(jiàn)表4。

表4 非金屬夾雜物和氣體含量檢測(cè)

4.4 顯微組織

SWRCH45K 冷鐓鋼盤條中容易出現(xiàn)的魏氏組織,魏氏組織將導(dǎo)致其在球化退火處理過(guò)程中球化時(shí)間延長(zhǎng)且球化效果變差。這些球化不良的顯微組織破壞了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,增加了變形的不均勻性,造成局部區(qū)域應(yīng)力集中,使得盤條在進(jìn)行冷鐓變形時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象[5]。生產(chǎn)前對(duì)可能產(chǎn)生異常組織的工藝控制點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分解,本次生產(chǎn)盤條的心部金相組織看,金相組織為均勻的F+P,晶粒度達(dá)到8級(jí)(如圖5所示)。通過(guò)對(duì)盤條脫碳層的檢驗(yàn),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)全脫碳(如圖6所示),單邊總脫碳層深度(鐵素體+過(guò)渡層) 均控制在0.8%D以內(nèi),可以滿足客戶需求。

圖5 盤條顯微組織

圖6 盤條脫碳層

5 客戶使用情況

產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn),力學(xué)性能、冷頂鍛、盤條酸洗、顯微組織、氣體等各項(xiàng)指標(biāo)滿足開(kāi)發(fā)方案要求。合格盤圓發(fā)客戶使用,客戶A經(jīng)原材料盤圓—表面酸洗—皂化—拉拔—退火處理—酸洗—皂化—精拉后的精線1發(fā)其下游客戶,下游客戶B再次將精線1—球化退火—拉拔—精線2—加工毛料件—高頻淬火—精加工—成品齒輪軸,最終成品主要用于汽車行業(yè)。經(jīng)檢驗(yàn)材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、脫碳層、金相組織等均合格,完全滿足客戶使用標(biāo)準(zhǔn)要求,為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)推廣提供有力支撐。

6 結(jié) 論

(1)SWRCH45K化學(xué)成分C、Si、Mn含量按中下限控制,可降低盤圓的強(qiáng)度、硬度,適量加入Cr,有效改善緊固件的淬透性。

(2)冶煉過(guò)程采用高拉碳技術(shù)出鋼、精煉喂Ca線進(jìn)行夾雜物變性處理,連鑄采用整體式水口、全程保護(hù)澆注、恒溫恒拉速澆注,降低冷鐓鋼氣體含量,提高鋼水質(zhì)量和鑄坯表面質(zhì)量。

(3)高線軋制采用過(guò)程裝備的優(yōu)化和控軋控冷技術(shù),保證盤條尺寸精度力學(xué)性能、表面質(zhì)量及顯微組織。

(4)經(jīng)客戶使用及成品檢驗(yàn):材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、脫碳層、金相組織等均合格,完全滿足客戶使用標(biāo)準(zhǔn)要求。