ML40Cr冷鐓電鉆用鋼盤條產品開發

黃小山,閆 博,張春斌,邱 冬,呂繼平,馬曉旭,周啟航

(1.新余鋼鐵股份有限公司,江西 新余 338001)

冷鐓鋼盤條一般為低、中碳優質碳素結構鋼和合金結構鋼,廣泛用于制造各種緊固件或冷鐓、冷擠壓成型的各種零部件。冷鐓方法具有生產效率高、表面質量好、尺寸精度高的優勢被廣泛采用[1]。ML40Cr屬于中碳合金冷鐓鋼,大部分情況下作為緊固件螺母或螺栓標準件原材料,其在成型過程中冷鐓處理時變形量較大,最終的成品形狀各種各樣,該冷鐓鋼產品對原材料有較高的要求[2-3]。

對于用戶生產一些拉拔量不大的冷鐓成型產品,目前部分鋼廠已開發出免退火冷鐓鋼ML40Cr熱軋盤條[4],為用戶省略了中間球化退火環節,采用簡單的拋丸(或酸洗)→拉拔→冷鐓成型→調質處理生產工藝,為用戶節約了能耗,降低了生產成本,縮短了交貨周期,提高了生產效率,同時更減輕了環保壓力。

本次開發的ML40Cr熱軋盤條用于制作電鉆頭,制作過程中通過冷擠壓成型。

1 產品要求

用于制作電鉆頭的原料以前是用ML45鋼,雖然ML40Cr比ML45鋼碳含量更低,價格略高,同等條件下開裂傾向更大,但ML40Cr鉻含量更高,具有更好的淬透性,經過加工處理后,ML40Cr的硬度、強度等機械性能明顯高于ML45。用于制作電鉆頭的ML40Cr工件較小,開裂傾向小,所以為提高電鉆頭的使用壽命,目前ML45鋼已逐步被ML40Cr取代。

用于生產電鉆頭時的工藝主要包括:盤條酸洗→φ12.0 mm直徑的盤條拉拔成φ11.4 mm→冷鐓成型→切削處理→調質處理。由于冷鐓成型后的零件要進行切削處理,如果材料強度太低,切屑會黏刀,如果強度太高,刀具損耗會增加,所以要求盤條抗拉強度在800 MPa左右。12 mm盤條拉拔、冷鐓后的電鉆頭最細處是6 mm,要求盤條1/3冷頂鍛后表面不能有裂紋。冷鐓成型后的電鉆頭毛坯見圖1所示。

圖1 電鉆頭毛坯

2 化學成分設計

GB/T 6478《冷鐓和冷擠壓用鋼》中ML40Cr屬于調質型冷鐓和冷擠壓用鋼。鋼中碳含量越高,盤條的硬度和抗拉強度越高,盤條的韌性越低;硅具有強烈的冷加工硬化作用,在拉絲類的盤條中,除非特殊情況,一般硅含量越低越好,硅在鋼中的作用主要是脫氧,結合用戶要求,碳元素和硅元素在標準規定范圍內中下限。錳、鉻均為提高淬透性的元素,鉻對熱處理后的產品性能有明顯的影響,鉻的添加不但提高了鋼的強度和淬透性,而且提高了產品的耐高溫性能,保證了在高溫下能夠保持常溫時所具有的強度、韌性等力學性能,錳、鉻元素含量適當控制在中限[5-6,7]。鋁[8-9]在冷鐓鋼ML40Cr中是一種非常重要的合金元素,添加適量鋁后,鋁與氮結合形成AlN,能細化奧氏體晶粒尺寸,提高ML40Cr的沖擊功和冷鐓變形性能,控制鋼中的鋁含量≥0.020%。磷、硫為鋼中殘余有害元素,越低越好。ML40Cr化學成分設計見表1。

表1 ML40Cr化學成分 單位:%

3 生產試驗

3.1 工藝流程

高爐鐵水→100 t頂底復吹轉爐冶煉→吹氬→LF爐精煉→六機六流方坯連鑄機連鑄→坯料精整→冷送或熱送→步進式加熱爐加熱→高壓水除鱗→初軋→中軋→預精軋→精軋→吐絲→散冷輥道冷卻→集卷→檢驗→出廠。

3.2 冶煉、連鑄工藝

ML40Cr冶煉、連鑄工藝難點在于鋼中加了一定含量的鋁[10],轉爐終點要做好含氧量控制,精煉過程中做好造渣和鈣處理,將鋼中的A12O3夾雜轉變成低熔點的鈣鋁酸鹽,連鑄時做好保護澆注,拉坯時恒拉速,防止死流和卷渣。

轉爐終點按照C≥0.08%,P≤0.015%,S≤0.025%進行控制。鋼水進站吹氬,冶煉加入硅鈣復合脫氧劑,然后根據渣料制度進行配加,造渣時石灰分成兩批加入,間隔時間2～3分鐘。精煉第一次通電時間為16 min,提電極測溫取樣,加入脫氧劑和鋁粒,然后根據渣況進行調渣操作。以后每次提電極加入脫氧劑根據試樣化驗成分,配加合金至目標成分。冶煉過程中避免大氬氣翻動,減少鋼水裸露增氮。升溫至目標溫度后根據工藝制度喂入無縫鈣線,然后開至軟吹位軟吹,軟吹保證渣面蠕動,軟吹時間控制≥15 min,過程中未加入任何物料。中包開澆前吹氬,在中包小車開到澆注位時,在大包開澆前往中包沖擊區加入硅鈣復合脫氧劑。中包開澆后全程保護澆注,中包噸位約15噸開始往沖擊區和澆注區加入保護渣,后投入堿性覆蓋劑?？刂浦邪^熱度小于30 ℃,采用專用保護渣,恒拉速澆注,鑄坯為160 mm×160 mm方坯,鑄坯熔煉成分見表2。

表2 鑄坯熔煉成分 單位:%

3.3 軋制和冷卻工藝

盤條從φ12.0 mm拉拔到φ11.4 mm,拉拔量較小,可以不需要中間球化退火,在盤條的冷卻過程中延遲保溫時間,模擬在線球化退火。ML40Cr軋后采用緩冷工藝進行冷卻,熱軋后的組織為珠光體+鐵素體,要避免形成片狀的珠光體和粗大的鐵素體,不能有混晶,表層脫碳層要符合國家標準。

防止加熱時間過長、加熱溫度過高引起坯料晶粒粗大或表面脫碳,防止加熱時間不足、加熱溫度過低造成坯料中芯溫度不足,避免坯料中芯溫度和表面溫度梯度過大造成坯料內部產生熱應力裂紋。加熱和保溫時間控制在2小時以內,保證鑄坯燒透的同時避免鑄坯脫碳。采用低溫軋制工藝細化晶粒,提高盤條通條性;通過調節輥道速度來控制冷卻速率,使鐵素體和滲碳體組織趨于球粒狀,同時獲得更多的鐵素體組織,提高盤條的冷鐓性能,利于后續的冷成型生產[5]。根據計算公式計算出ML40Cr的 AC3溫度約782 ℃,結合本企業生產其它牌號冷鐓鋼的經驗,試驗了兩種工藝,分別為工藝A和工藝B,每種工藝試軋了10支,軋制和冷卻工藝見表3。

表3 軋制和冷卻工藝

實際生產時工藝A吐絲溫度853 ℃～875 ℃,工藝B吐絲溫度838 ℃～855 ℃,工藝B比工藝A吐絲溫度低20 ℃左右。實測從吐絲到進保溫罩溫降約40 ℃～50 ℃,工藝A進保溫罩溫度約805 ℃～815 ℃,工藝B進保溫罩溫度約780 ℃～790 ℃,ML40Cr的 AC3溫度約782 ℃,所以,工藝B進保溫罩溫度與該鋼種AC3溫度更接近,更合理。工藝B比工藝A風冷輥道速度更慢,工藝A盤條在散冷輥道的冷卻時間為310 s,冷卻速度約為0.4 ℃/s,工藝B盤條在散冷輥道的冷卻時間為465 s,冷卻速度約為0.25 ℃/s,輥道速度慢,在線球化退火時間延長,在較小的過冷度下冷卻速度越慢,越有利于過冷奧氏體分解為粒狀珠光體,鐵素體和滲碳體趨于球粒狀效果越好。

3.4 盤條性能

工藝A和工藝B各試軋了10支,取熱軋盤條進行力學性能、金相組織、晶粒度、硬度、夾雜物、脫碳層、冷頂鍛等檢測,力學性能、晶粒度、硬度結果取平均值,夾雜物、脫碳層取最小值和最大值的范圍。

3.4.1 力學性能

兩種工藝的盤條熱軋后(不時效)、人工時效后(250 ℃下保溫2 h)、自然時效20天后的平均抗拉強度Rm、斷面收縮率Z見表4。從表中可以看出,工藝B比工藝A平均抗拉強度低,斷面收縮率高。降低吐絲溫度抗拉強度會提高。人工時效與熱軋后(不時效)力學性能比,抗拉強度提高3～6 MPa,斷面收縮率提高8%以上。自然時效20天與熱軋后(不時效)力學性能比,抗拉強度降低6 MPa左右,斷面收縮率提高9%以上。人工時效與自然時效20天的斷面收縮率接近,但抗拉強度稍高。人工時效后可以去除軋制后的殘余應力,故斷面收縮率提高。

3.4.2 金相組織

兩種工藝的金相組織見圖2。從圖中可以看出,兩種工藝生產的盤條組織都為珠光體和鐵素體,珠光體比例為80%左右,鐵素體比例為20%左右,總體比例差別不大。測量兩種工藝生產的盤條珠光體片層間距,工藝A平均為0.36 μm,工藝B平均為0.29 μm,工藝B片層間距較小。工藝B的鐵素體和滲碳體球化效果更好,分布更均勻細小,珠光體片層間距也更小,因為工藝B比工藝A進精軋和吐絲溫度低20 ℃左右,引導輥道速度低0.10 m/s,盤條在散冷輥道上冷卻時間延長了155 s,滲碳體片溶斷、球化時間增加,形成的鐵素體和滲碳體更接近球粒狀。

圖2 工藝A(圖a、b、c)和工藝B(圖d、e、f)生產的盤條金相組織圖片

3.4.3 冷頂鍛

取工藝A和工藝B熱軋盤條進行 1/3 冷鐓試驗,取冷鐓試樣高度為試樣直徑的2倍,冷鐓后試樣表面質量見圖3所示,冷鐓后表面都沒有出現裂紋,冷鐓性能合格。

圖3

3.4.4 其它性能

兩種工藝生產的熱軋盤條夾雜物、邊裂、晶粒度、脫碳層、硬度等檢測結果見表5。兩種工藝生產的盤條都無邊裂,表面質量良好。無全脫碳,工藝A生產的盤條總脫碳層深度為0.09～0.12 mm,工藝B生產的盤條總脫碳層深度為0.08～0.10 mm,加熱工藝合理,若表面脫碳超標,會造成產品表面強度降低,疲勞壽命大幅下降。兩種工藝生產的熱軋盤條無明顯混晶,避免了冷鐓過程中變形不均,在粗細晶粒分界處形成應力集中而產生開裂現象。晶粒度均為12.0級,晶粒細小均勻,在冷鐓過程中,晶界附近與晶粒內部的應變度相差不大,材料變形較均勻。工藝A生產的盤條硬度HRB為90,有一個B類夾雜物2.0級,其它都為0.5級。工藝B生產的盤條硬度HRB為91,夾雜物都為0.5級。兩種工藝生產的盤條硬度適中,硬度過高會導致盤條冷鐓時開裂,硬度不夠在切屑過程中容易黏刀。B類夾雜物2.0級對于φ12.0 mm盤條能滿足用戶要求,但有改進空間。

表5 其它性能檢測結果

4 用戶使用情況

工藝B生產的盤條發給客戶使用,客戶經過酸洗后,拉拔到φ11.4 mm后冷擠壓為圖1所示毛坯,再進行切屑、熱處理、焊接十字鉆頭后,成品見圖2所示,盤條拉拔冷擠壓過程中沒有發生斷裂或產生裂紋,切屑時硬度適中,沒有發現黏刀或者刀具損耗增加的現象。該鉆頭進行鉆水泥孔試驗,鉆孔100個不斷裂,遠高于客戶要求的70個。

圖2 電鉆頭成品

5 結論

(1)工藝B吐絲溫度840～860 ℃,散冷輥道速度0.2 ℃/s,風機和保溫罩全關時生產的盤條綜合性能更優。盤條抗拉強度800 MPa左右,斷面收縮率大于66%,1/3冷頂鍛、金相組織、硬度、夾雜物和脫碳層等各項指標都符合用戶要求。

(2)工藝B比工藝A生產的盤條吐絲溫度更低,在散冷輥道上冷卻時間延長,盤條斷面收縮率更高,珠光體片層間距更小,生產的盤條力學性能、金相組織等綜合性能更好。

(3)有個別盤條B類夾雜物達到2.0級,雖然對于φ12.0 mm的盤條來說符合用戶要求,但還是存在風險,由于鑄坯含鋁量較高,鋁在連鑄過程中容易氧化,造成水口結瘤,要做好保護澆注,防止生成大型夾雜物而影響冷鐓性能。