曹二轉 宋素格 陳占杰 楊曉奇 李偉 石杰

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 引言

高強度緊固件制造一般在拉拔、冷鐓前需要進行退火處理，以降低材料的強度和硬度，提高塑性，避免材料加工開裂。然而，對材料進行退火處理在增加生產(chǎn)成本的同時還會帶來環(huán)境污染，因此，緊固件制造行業(yè)迫切希望鋼鐵企業(yè)能夠生產(chǎn)可直接拉拔、冷鐓的免退火冷鐓鋼線材。從文獻資料可知，鋼中添加提高淬透性的硼，降低鋼中的Mn、Cr、Si 等提高淬透性合金元素和降低碳含量，使得線材軋態(tài)的硬度降低，從而間接地改善鋼的冷加工性能[1]，軋制時采用TMCP 工藝，利用形變誘導鐵素體相變軋制和低溫軋制相結合的加工方法，得到鐵素體加珠光體和少量顆粒狀碳化物組織，使其具有良好的綜合力學性能。熱軋態(tài)低碳硼鋼的強度和冷成形性與經(jīng)退火后的中碳鋼或中碳合金鋼相當[2]，因此，熱軋態(tài)低碳硼鋼可省去球化退火處理工序，用來制造 6.8 ～10.9 級結構用緊固件。

為了適應市場需求，滿足用戶要求，安鋼在SWRCH35K 和ML40Cr 冷鐓用鋼基礎上，研制開發(fā)的高強度緊固件用低碳含硼鋼10B21，通過調整材料的成分、在摩根六代高速線材軋機上采用TMCP 軋制工藝，控制鋼材所需的組織及性能，達到鋼材直接拉拔、冷鐓的免退火要求。

1 化學成分設計

1.1 C、Si 含量

C 元素作為決定機械性能的主要元素，強度隨著C 含量的增加而提高，冷鐓性能下降。Si 能提高鋼的強度和硬度，降低其塑性和韌性。冷鐓鋼的冷鐓性能隨著硅含量的增加而下降。因此，在化學成分體系設計上，在SWRCH35K 和ML40Cr的基礎上降低了C 含量和Si 含量，將C 含量控制在0.18%～0.23%，Si 含量控制在0.10%以下。

1.2 Mn 含量

Mn 在鋼中起到固溶強化的作用。對于冷鐓鋼，過高的Mn 含量將大幅提高鋼材的強度，不利于鋼材的冷成形；Mn 含量合適，則可以改善鋼中S 的存在形態(tài)和分布，提高鋼材的冷成形性。結合實際情況，將Mn 含量控制在1.00%以下。

1.3 B 及其他合金元素

B 對鋼的淬透性的影響，主要是指“有效硼”的影響，即除去結合成氧化物或氮化物以外的溶解在奧氏體中的（或化學上自由的） B。而B 和鋼中的O、N 均有較強的親和力，結合生成B2O3、BN 等夾雜物，降低鋼中“有效硼”的含量，從而影響B(tài) 元素對鋼的淬透性作用。研究認為[3]：鋼中微量的有效硼（0.001%～0.003%）能大大提高鋼的淬透性,有效硼含量在0.002 5%時效果最大。

不僅如此，BN 在晶界析出沉淀，這種析出物很細小，連續(xù)釘扎在奧氏體和基體變形處，降低了晶界的流動性，使再結晶溫度提高。由于再結晶受阻，晶界不能遷移，應力在晶界處集中而不能消除，從而引起晶界脆化，使鋼的裂紋敏感性增加。有研究表明，在含硼鋼鑄坯表面較易產(chǎn)生邊角裂紋[4]。故在關鍵技術上，改變傳統(tǒng)單一Mn合金元素固溶強化機理，通過在鋼中加入微量合金元素Ti，充分利用Ti 的固氮作用（因TiN 比BN更穩(wěn)定），既保證了B 的有效淬透性，又改善了B對鑄坯質量的影響。另外，可以通過TiC 的固溶強化來提高鋼的強度。

Al 是作為一種脫氧劑和晶粒細化劑被加入到鋼中的，可以提高鋼在低溫下的韌性等。它在高溫時易與鋼液中的自由 N 結合，形成AlN 顆粒，優(yōu)先在奧氏體晶界處析出。而細小的AlN 顆粒會釘扎晶界，降低奧氏體的遷移率，從而降低材料的高溫塑性。有資料表明[5]，當鋼中的Al 含量為0.020%～0.040%時，低碳鋼的塑性最好。同時，鋼中Al 含量過高，在鋼中形成高熔點的夾雜物不易上浮，將使鋼水的流動性變差，同時水口容易結瘤而影響澆注的順利進行，故鋼中的Al 含量應盡量控制在0.020%～0.040%之間。

綜上考慮，設計了低碳含硼冷鐓鋼的化學成分體系，具體見表1。

表1 高強度緊固件用低碳含硼鋼10B21 成分體系 %

2 生產(chǎn)工藝

采用的工藝路線為：100 t 轉爐－LF 精煉－150 mm×150 mm 方坯－高線軋機。生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格為Φ6.5 mm －Φ20 mm。

高強度緊固件用低碳含硼鋼10B21 盤條主要制作強度為10.9 級螺栓、螺母和內六角螺釘?shù)葮藴始Ｉa(chǎn)工藝關鍵點：（1）轉爐采取高拉碳工藝。控制爐前出鋼[C]含量不低于0.08%。依據(jù)[C][O]平衡積可知，在[C]含量低時，則意味著鋼水中[O]含量的上升，隨著鋼中[O]含量升高，會對Ti、B、Al 成分的穩(wěn)定性造成嚴重影響，造成合金消耗增多，鋼液中的脫氧產(chǎn)物增多；同時后期補加增碳劑會進一步增加鋼液中的N 含量，為保證Ti、B、Al 成分的穩(wěn)定控制，就必需保證出鋼[C]含量，出鋼過程中加入硅鋁鐵和鋁塊進行脫氧，為精煉爐冶煉創(chuàng)造有利條件。（2）精煉合金的加入。由于Ti 元素容易與O 結合生成Ti2O3，其熔點高，若在鋼液中析出，通常會上浮到鋼液表面，被鋼渣吸附；若留在鋼液中，則是夾雜物。不僅如此，Ti 與O的結合也會降低Fe-Ti 合金吸收率，導致生產(chǎn)成本增加。因此，應在鋼水脫氧良好的狀態(tài)下加入鈦鐵，即通常在Al 脫氧后采用Ti 固氮，最后加入B。（3）連鑄采取保護澆鑄，通過長水口氬封保護澆鑄，防止鋼水二次氧化，避免水口結瘤；防止B 與N2結合生成BN，降低鋼中“有效硼”含量。（4）軋制工藝控制。在TMCP 工藝基礎上，采用形變誘導鐵素體相變軋制和低溫軋制相結合的加工方法，將開軋溫度控制在960 ℃以下，精軋溫度控制在780 ～840 ℃，在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)進行大變形量軋制，形變誘導奧氏體發(fā)生動態(tài)相變，奧氏體在變形過程中析出鐵素體，即形變誘導鐵素體相變，增加組織中鐵素體的量，同時，隨著變形量的增大，奧氏體中的位錯和亞結構密度增加，C 易于在鐵素體-奧氏體界面以及奧氏體晶界、位錯處富集，在隨后的冷卻過程中，晶粒細小含C 量高的過冷奧氏體轉變成珠光體和少量顆粒狀碳化物，最終得到鐵素體+珠光體和少量顆粒狀碳化物組織，實現(xiàn)冷鐓鋼線材在線軟化。（5）軋制裝備。在軋制裝置上，為避免工藝裝備對低碳冷鐓鋼造成的劃傷，設計了一種新型滾動下彎塊，將原有下彎塊更換成導輪，改變了盤條與滑塊之間的摩擦方式，解決了由于劃傷而造成盤條在冷鐓過程中的開裂。

3 實際控制結果

3.1 鑄坯表面

通過低倍組織觀察發(fā)現(xiàn)，除有約1 級的中心縮孔之外，無氣泡、分層、裂縫、夾雜、白點等缺陷，低倍檢驗結果如圖1 和圖2 所示（圖1 和圖2 為鑄坯低倍橫剖圖及角部熱酸浸）。

圖1 鑄坯低倍

圖2 鑄坯低倍熱酸浸

3.2 熱軋盤條力學性能控制情況

安鋼生產(chǎn)的高強度緊固件用低碳含硼鋼10B21盤條的極限規(guī)格過程控制能力分析如圖3 所示。

從圖3 可以看出，低碳含硼鋼10B21 熱軋盤條的極限規(guī)格力學性能過程控制能力穩(wěn)定、充足。

3.3 盤條金相組織

對盤條的金相組織進行分析，未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物，鐵素體晶粒度和洛氏硬度（HRB）符合用戶需求，金相組織檢驗結果見表2，金相組織如圖4 所示。

圖3 極限規(guī)格力學性能過程能力分析

表2 金相組織檢驗情況

圖4 典型金相組織

3.4 盤條冷頂鍛情況

對安鋼生產(chǎn)的高強度緊固件用低碳含硼鋼10B21 盤條的冷頂鍛進行檢驗，分別從1/2、2/5、1/3 冷頂鍛取樣檢驗，結果如圖5 所示。

從圖5 可以看出，冷鐓合格，無裂紋出現(xiàn)。

綜上分析可見，產(chǎn)品的過程控制能力穩(wěn)定、充足，產(chǎn)品各項指標滿足技術要求。經(jīng)用戶使用，盤條在不經(jīng)退火的情況下拉撥、冷鐓時金屬流動性好、冷作硬化率低，滿足用戶免去退火直接打制螺帽、內六角螺栓等標準件的需求。

圖5 冷頂鍛

4 結論

（1）鋼中加入適量的B，能夠彌補因C 和Si降低而造成的強度和淬透性的損失。

（2）改變傳統(tǒng)單一Mn 合金元素固溶強化機理，通過在鋼中加入微量合金元素Ti，充分利用Ti 的固氮作用（因TiN 比BN 更穩(wěn)定），既保證了B 的有效淬透性，又改善了B 對鑄坯質量的影響，另外通過TiC 的固溶強化提高鋼的強度。

（3）TMCP 工藝上，形變誘導鐵素體相變軋制和低溫軋制相結合的加工方法，使碳化物在變形過程中改性，最終得到鐵素體加珠光體和少量顆粒狀碳化物組織，實現(xiàn)冷鐓鋼線材在線軟化。

（4）低碳含硼鋼10B21 熱軋盤條生產(chǎn)過程的控制能力穩(wěn)定，滿足用戶免退火加工的需求。