仇東麗 羅德信 蔣躍東 帥習(xí)元

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 湖北 武漢：430080）

ML40Cr合金冷鐓鋼線材是國標(biāo)調(diào)質(zhì)型冷鐓用線材，作為國內(nèi)10.9級標(biāo)準(zhǔn)件的原材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電氣、汽車、交通運(yùn)輸、航空航天的發(fā)動機(jī)及各種傳動鏈條等關(guān)鍵部位［1］。產(chǎn)品具有成分穩(wěn)定、有害元素低、鋼質(zhì)純凈度高、脫碳層小、表面缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，使用時易進(jìn)行球化退火、冷鐓開裂率低、熱處理質(zhì)量穩(wěn)定、硬度均勻、正火、退火和調(diào)質(zhì)后可切削性好等特點(diǎn)。

經(jīng)過幾年的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)合用戶的需求摸索出了該鋼的質(zhì)量控制要點(diǎn)和產(chǎn)品性能指標(biāo)。產(chǎn)品以其優(yōu)異的實(shí)物性能及冶金質(zhì)量獲得金屬制品行業(yè)的好評，用戶對產(chǎn)品的冷加工性能評價(jià)好，對鋼的化學(xué)成分控制和鋼的純凈度給予了很高的認(rèn)可。

1 ML40Cr合金冷鐓鋼線材質(zhì)量控制

影響ML40Cr合金冷鐓鋼線材產(chǎn)品質(zhì)量的因素主要包括化學(xué)成分、非金屬夾雜物、表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面。

冶煉過程應(yīng)保證生產(chǎn)時間，使得夾雜物能充分上浮；精煉過程應(yīng)準(zhǔn)確控制合金的加入量和時間，將不同爐鋼水的成分波動控制到很小的范圍，有利于用戶加工后的標(biāo)準(zhǔn)件和其他制品的性能穩(wěn)定；連鑄時保護(hù)渣澆注，優(yōu)化拉速、配水的關(guān)系，同時使結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌的工況正常，減少各種合金元素的微區(qū)偏析，最終得到較好的鑄坯組織。

1.1 成分及非金屬夾雜物控制

合金控制作為線材生產(chǎn)主要指標(biāo)之一，需要對主要成分控制準(zhǔn)確，保證線材能夠適應(yīng)不同行業(yè)的需要。Cr對熱處理后的產(chǎn)品性能有明顯的影響，Cr的添加不但提高了鋼的強(qiáng)度和淬透性，而且提高了標(biāo)準(zhǔn)件等制品的耐高溫性能，保證了在高溫下能夠保持常溫時所具有的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。但Cr長時間服役在較高溫度環(huán)境下，會促使鋼中的雜質(zhì)元素如P、Sb、Sn等向晶界處偏聚，并引起晶界內(nèi)微量化學(xué)成分變化而產(chǎn)生回火脆性，因此在生產(chǎn)中采用爐外精煉和具有電磁攪拌的連鑄工藝。該工藝能保證鋼中的C、Si、Mn、Cr等主要元素可控制在較通常更窄的范圍內(nèi)，鋼材均勻性好和產(chǎn)品性能波動范圍減小，能減少P、S、O、N等雜質(zhì)含量以及對其冷加工性能的影響。

鋼中非金屬夾雜物數(shù)量多、尺寸大、不易變形是直接影響標(biāo)準(zhǔn)件冷鐓開裂的一個重要原因，尤其是非金屬夾雜中的B類和D類脆性夾雜，對產(chǎn)品質(zhì)量影響更為關(guān)鍵［2］。冶煉合金冷鐓鋼的關(guān)鍵是要提高鋼水的純凈度，降低鋼水非金屬夾雜物的污染度。鋼水終點(diǎn)碳含量穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)是降低鋼水氧化程度和減少鋼水非金屬夾雜污染的主要措施；爐外精煉期間向鋼液加入鋁丸，來降低鋼中氧含量，鋁與氧化合生成Al2O3類夾雜，起到脫氧作用，其余部分溶入固態(tài)鐵中，形成彌散分布的AlN，起到細(xì)化晶粒作用。同時，在精煉過程中采用了鈣處理工藝，通過加入SiCa線對脆性夾雜物進(jìn)行變性處理，使得鋼中高熔點(diǎn)的Al2O3夾雜物與CaO結(jié)合生成低熔點(diǎn)12CaO·7Al2O3。

1.2 表面質(zhì)量控制

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，80%～85%的冷鐓開裂是由于冷鐓鋼表面存在折疊、劃傷、微裂紋、結(jié)疤等缺陷造成的［3］。冷鐓鋼線材的表面質(zhì)量一直是控制的難題，尤其是對冷鐓性能影響較大的結(jié)疤和表面線狀缺陷。這些缺陷的存在，會直接導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)件出現(xiàn)開裂、裂紋、成型不均勻等缺陷。產(chǎn)生表面裂紋的主要原因有兩個：1）鋼坯質(zhì)量不合格。生產(chǎn)高質(zhì)量連鑄坯關(guān)鍵技術(shù)措施是盡量減輕連鑄過程中鋼水的二次氧化并確保連鑄坯低倍表面質(zhì)量，采用保護(hù)澆鑄，中包鋼水過熱度在20～35℃以內(nèi)，防止中包鋼水溫度波動過大；2）軋制過程控制不當(dāng)［4］。生產(chǎn)過程控制很關(guān)鍵，要嚴(yán)格執(zhí)行工藝監(jiān)督，各工序應(yīng)及時檢查，按要求對線材進(jìn)行壓縮比為1／2和1／3的冷鐓試驗(yàn)，及時反饋信息，確保為下一個工序生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。

1.3 組織結(jié)構(gòu)控制

由于ML40Cr合金冷鐓鋼中含有C、Mn、Cr等合金元素，其中Cr能有效推遲相變，使C曲線發(fā)生變化并右移，顯著地提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，防止奧氏體晶粒粗大［5］。但這些元素極易在鑄坯凝固過程中產(chǎn)生偏析，這些偏析又會在軋制冷卻過程中由于冷卻不均造成心部貝氏體或馬氏體等異常組織的產(chǎn)生。因此該鋼的軋制工藝制定原則是：在生產(chǎn)時采用控制軋制和控制冷卻工藝，避免生產(chǎn)中出現(xiàn)馬氏體、貝氏體和魏氏體組織，使鋼材具有細(xì)晶和碳化物球化組織，以提高鋼材的塑性和冷頂鍛性能。通過選用合理的加熱溫度、軋制溫度、吐絲溫度及軋后緩慢冷卻工藝，確保了產(chǎn)品具有良好的組織結(jié)構(gòu)。

軋制過程中開軋溫度控制在950℃～1100℃，保證Cr能夠充分固溶到奧氏體中；軋制中利用控軋技術(shù)，充分保證晶粒在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的變形量，細(xì)化原奧氏體晶粒；吐絲溫度控制在720℃～760℃，使其在相變前有一定的過冷度；斯太爾摩輥道采用延遲冷卻方式，保證相變的結(jié)束和組織的球化。

2 ML40Cr合金冷鐓鋼線材的實(shí)物質(zhì)量

2.1 成分及夾雜物控制情況

從冷鐓鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來看，沒有對鋼中鋁含量有要求，該廠開發(fā)的ML40Cr線材，通過在鋼中加入鋁來細(xì)化晶粒，提高冷加工性能，從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)情況來看，各項(xiàng)成分的控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB／T6478－2001的要求，Als基本上以0.02%含量為基準(zhǔn)上、下波動，總體情況控制較好。具體控制水平見表1。

表1 ML40Cr合金冷鐓鋼線材元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt%）

從表2中夾雜物的檢驗(yàn)情況來看，線材中夾雜物平均直徑＜3.81μm，單位面積上的夾雜物顆粒數(shù)≤62個，數(shù)據(jù)表明ML40Cr鋼夾雜物控制水平是好的，鋼質(zhì)純凈。

表2 ML40Cr合金冷鐓鋼線材夾雜物定量分析

2.2 熱檢性能分析

對ML40Cr合金冷鐓鋼線材的強(qiáng)度要求并非越高越好，相反強(qiáng)度低些有利于減少標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)企業(yè)的退火時間，減少用戶的模具損耗，降低標(biāo)準(zhǔn)件的開裂率。表3是批量生產(chǎn)ML40Cr合金冷鐓鋼線材的檢驗(yàn)結(jié)果。從表3可見，實(shí)際生產(chǎn)線材的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度725MPa～965MPa、延伸率12%～25%、面縮率27%～60%，滿足用戶的使用要求，表明ML40Cr鋼的軋制工藝是有效果的。

表3 ML40Cr合金冷鐓鋼線材力學(xué)性能

ML40Cr線材出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目之一——冷頂鍛試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)線材的內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量，由于合金鋼強(qiáng)度高，通常要求是以1／2變形量來判別，根據(jù)GB6478規(guī)定，樣品冷鐓開裂是不合格品。產(chǎn)品經(jīng)過冷頂鍛1／2變形，均沒有出現(xiàn)開裂的情況，1／3變形少量有細(xì)小缺陷。表明線材質(zhì)量符合檢驗(yàn)要求。

2.3 表面質(zhì)量與金相組織

由于線材在生產(chǎn)高強(qiáng)緊固件過程中要經(jīng)過大變形量的鐓壓變形，線材微小缺陷會在加工中開裂，為此，對生產(chǎn)的線材進(jìn)行多批次隨機(jī)取樣，進(jìn)行表面酸洗檢驗(yàn)，觀察表面質(zhì)量，存在輕微劃傷的盤條進(jìn)行了深度檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。采用光學(xué)顯微鏡觀察了ML40Cr合金冷鐓鋼線材的組織。從金相組織來看，生產(chǎn)線材的組織為鐵素體＋珠光體，由于生產(chǎn)的直徑粗細(xì)不一，鋼中珠光體的形貌不完全相同，直徑越粗，鐵素體量越大，典型組織見圖2。

圖1 ML40Cr合金冷鐓鋼線材表面劃傷深度散點(diǎn)圖

圖2 ML40Cr合金冷鐓鋼線材典型組織

3 用戶使用情況

ML40Cr合金冷鐓鋼線材用于生產(chǎn)10.8級以上的高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)件，典型用戶生產(chǎn)工藝為：線材進(jìn)行酸洗磷化、干燥、拉拔、退火、酸洗磷化、干燥、冷鐓、熱處理、成品檢驗(yàn)、成品入庫。從用戶使用情況來看，入廠檢驗(yàn)化學(xué)成分穩(wěn)定、表面質(zhì)量、力學(xué)性能指標(biāo)均滿足條件，鋼中夾雜物含量低，產(chǎn)品拉拔、退火、熱處理生產(chǎn)正常，成品檢驗(yàn)合格。經(jīng)用戶生產(chǎn)10.9級高強(qiáng)度緊固件，產(chǎn)品達(dá)到高強(qiáng)緊固件的標(biāo)準(zhǔn)。圖3展示了國內(nèi)某標(biāo)準(zhǔn)件廠用該鋼制造的部分產(chǎn)品。

圖3 某標(biāo)準(zhǔn)件廠產(chǎn)品

4 結(jié)束語

ML40Cr合金冷鐓鋼線材的化學(xué)成分、非金屬夾雜、表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，對其質(zhì)量均有重要的影響，其各項(xiàng)指標(biāo)的好壞會直接影響標(biāo)準(zhǔn)件企業(yè)的冷鐓開裂率。通過合理的化學(xué)成份設(shè)計(jì)，有效的工藝和技術(shù)控制手段，確保了產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)的最佳化。ML40Cr合金冷鐓鋼線材S、P含量低，鋼質(zhì)純凈，提高了該鋼的的冷加工能力；生產(chǎn)工藝成熟，質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品得到了用戶的好評，達(dá)到了試制目標(biāo)。

［1］申 勇.ML40Cr合金冷鐓鋼線材的開發(fā)［J］.金屬制品，2008，（4）：20－21.

［2］龐 波，高秀華，邱春林，等.影響冷鐓鋼質(zhì)量因素的研究［J］.金屬制品，2006，（6）：31－34.

［3］張先鳴.我國冷鐓鋼的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.金屬制品，2009，（2）：44－45.

［4］吳瑞祥.影響冷鐓鋼質(zhì)量的主要因素及控制措施研究［J］.湖南冶金，2002，（2）：22－24.

［5］宋維錫.金屬學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1989：324－328.