耐候螺栓鋼盤條NHL10 軋制工藝研究

肖丙政， 張 瑞， 徐曉春， 陳興華， 王青峰， 張歡歡， 顧曉勇

（1.南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇南京 210000； 2.燕山大學(xué)， 河北秦皇島 06600； 3.中鐵山橋集團(tuán)， 河北秦皇島 06600）

0 引言

傳統(tǒng)的鋼橋需要采用涂裝避免鋼材受到腐蝕， 并且在設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)需要反復(fù)進(jìn)行涂裝， 然而這種維護(hù)方式成本高且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。 耐候鋼依靠自身產(chǎn)生的致密銹層防止基體被外界環(huán)境進(jìn)一步侵蝕， 從而達(dá)到免涂裝的目的，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)耐久的防腐方式[1]。該技術(shù)已經(jīng)在美國和日本等發(fā)達(dá)國家得到大量應(yīng)用， 而在我國尚處于起步階段。近幾年，隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)外交流的增多， 耐候鋼在橋梁的應(yīng)用方面取得了一定的成果， 并且國內(nèi)推廣耐候鋼橋梁的認(rèn)識(shí)逐漸提高[2]。近年來，耐候橋梁鋼發(fā)展迅速，但對(duì)耐候螺栓的研制相對(duì)滯后[3]，栓接作為橋梁建設(shè)過程中重要的連接方式，螺栓產(chǎn)品的質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。 本文重點(diǎn)研究了10.9級(jí)耐候螺栓用鋼的軋制工藝， 解決盤條冷加工塑性不足問題。

1 產(chǎn)品的化學(xué)成分

本產(chǎn)品化學(xué)成分執(zhí)行T/CSTM 00390.3—2020 《橋梁用耐候鋼第3 部分： 大六角頭螺栓連接副用鋼》7.1 規(guī)定的要求，其成分范圍見表1。產(chǎn)品除考慮力學(xué)性能外，還需要考慮耐腐蝕性能， 因此不同于市場上常見的10.9 級(jí)螺栓鋼成分，該產(chǎn)品采用Cr、Ni、Cu 的主成分體系，另外加入少量的Nb、V、Al 和B 進(jìn)行微合金化。

表1 鋼的牌號(hào)及化學(xué)成分Tab.1 Grade and chemical composition of steel

2 生產(chǎn)工藝流程

耐候螺栓用鋼盤條生產(chǎn)工藝流程：電爐冶煉→LF 精煉→VD 真空處理→150×150 斷面連鑄→鑄坯探傷修磨→加熱爐加熱→軋制→緩冷→集卷→打捆→入庫。

本文研究的內(nèi)容為軋制溫度和緩冷制度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 試驗(yàn)工藝設(shè)置

耐候螺栓鋼HNL10 由于合金含量高，組織控制難度大，試生產(chǎn)階段盤條中存在大量馬氏體和貝氏體組織，產(chǎn)品必須經(jīng)退火后才能進(jìn)行進(jìn)一步加工。 導(dǎo)致產(chǎn)品加工周期長且加工成本增加。為解決盤條的組織問題，我部門對(duì)產(chǎn)品軋制和緩冷工藝展開研究。

使用Gleeble3800 熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定NHL10 鋼的壓縮后的連續(xù)冷卻過程，測(cè)試在99.999%的高純氮的保護(hù)氣氛中進(jìn)行。 模擬試驗(yàn)工藝如圖1 所示， 以5℃/s 加熱至1130℃，保溫5min，以4℃/s 降至1060℃，保持5s，以1s-1變形速率壓縮30%，再以2℃/s 降至860℃，保持5s，以2s-1變形速率壓縮35%， 在0.1℃/s，0.2℃/s，0.5℃/s，1℃/s，1.5℃/s，2℃/s，5℃/s，10℃/s，20℃/s，40℃/s 的冷卻速度冷至室溫。 試驗(yàn)完成后，將模擬的試樣沿控溫點(diǎn)切割后， 封裝并使用蔡司顯微鏡觀察試驗(yàn)鋼的顯微組織，使用維氏硬度儀測(cè)定不同冷卻速度下的試驗(yàn)鋼的硬度， 繪制動(dòng)態(tài)CCT 曲線圖，見圖2。

圖1 模擬試驗(yàn)工藝方案Fig.1 Simulation test process

圖2 NHL10 鋼CCT 曲線Fig.2 Dynamic CCT curve of NHL0 steel

通 過 對(duì)CCT 曲線的研究， 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，見表2。

表2 軋制工藝試驗(yàn)方案Tab.2 Rolling process test scheme

現(xiàn)場對(duì)三種不同的工藝終軋溫度、吐絲溫度和入罩蓋、 出罩蓋溫度進(jìn)行測(cè)量，同一位置測(cè)量四次，測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 軋制工藝試驗(yàn)溫度測(cè)量Tab.3 Temperature measurement of rolling process test

通過測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可以看出， 試驗(yàn)工藝降低終軋溫度和吐絲溫度后， 入罩蓋溫度和出罩蓋溫度較原工藝大幅度降低，且出罩蓋溫度更加均勻。

對(duì)圖3 所示盤條的不同位置做拉伸和金相檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4 和圖4。

圖3 盤條不同位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of different positions of wire rod

圖4 盤條不同位置金相組織Fig.4 Metallographic structure of wire rod at different positions

表4 盤條不同位置力學(xué)性能檢測(cè)Tab.4 Mechanicalproperties test of different positions of rod

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

通過力學(xué)性能檢測(cè)，低溫終軋加低溫吐絲工藝，盤條的抗拉強(qiáng)度由714MPa 降低到588MPa， 斷面收縮率由47%提高到60.25%，力學(xué)性能改善明顯。進(jìn)行組織檢驗(yàn)也表明，采用低溫終軋加低溫吐絲工藝，盤條中貝氏體組織完全消失，鐵素體比例明顯增加。

試驗(yàn)工藝與原工藝相比， 采用了更低的終軋溫度和更低的吐絲溫度。 終軋溫度在兩相區(qū)，在39.7%大變形量的條件下，使得奧氏體變形誘導(dǎo)鐵素體相變，大幅度增加鐵素體含量。較低的吐絲溫度縮短了轉(zhuǎn)變?cè)杏?，增大了奧氏體晶界處的形核能， 有利于增加鐵素體晶粒的形核量， 從而增大相變后組織中鐵素體的比例， 較低的吐絲溫度和長時(shí)間保溫可大大降低相變期間的冷卻速率，能大幅度降低盤條的強(qiáng)度[4-5]。

試驗(yàn)工藝2 與試驗(yàn)工藝1 相比，終軋溫度進(jìn)一步降低， 產(chǎn)品的性能也有提升，抗拉強(qiáng)度降低14MPa，斷面收縮率提高4.75%，相比原工藝的性能提升， 試驗(yàn)工藝2 相對(duì)試驗(yàn)工藝1 性能提升幅度不大。

采用兩種試驗(yàn)工藝生產(chǎn)的盤條，中鐵山橋集團(tuán)在冷鐓加工前均無需退火處理，經(jīng)拉拔后直接冷鐓螺栓產(chǎn)品，盤條經(jīng)875℃淬火、475℃回火后，力學(xué)性能完全滿足T/CSTM 00390.3-2020《橋梁用耐候鋼 第3 部分：大六角頭螺栓連接副用鋼》要求。

5 結(jié)論

終軋溫度控制在760℃±10℃和820℃±10℃， 吐絲溫度控制在800℃±10℃，兩種工藝均可有效消除耐候螺栓用鋼NHL10 熱軋盤條中的貝氏體組織，提高盤條鐵素體比例，且終軋溫度越低， 改善效果越明顯， 抗拉強(qiáng)度更低，采用760℃±10℃終軋時(shí)，熱軋態(tài)抗拉強(qiáng)度降低到600MPa 以下。在兩種工藝均能夠滿足客戶不退火直接拉拔并冷鐓成形的情況下， 綜合考慮軋機(jī)負(fù)荷和軋輥消耗， 最終選擇820℃±10℃終軋、800℃±10℃吐絲的工藝生產(chǎn)。