高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼的研發(fā)及應(yīng)用

于同仁， 沈德山， 姜 婷， 張曉瑞

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽馬鞍山 243000； 2.中國機(jī)械通用零部件協(xié)會(huì)緊固件分會(huì)， 上海 200000）

0 引言

開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼的初衷是為了省去淬火和回火等調(diào)質(zhì)過程，從而達(dá)到節(jié)約能源，降低制造成本的目的。 非調(diào)質(zhì)鋼按照加工工藝可分為熱鍛用非調(diào)鋼、 直接切削用非調(diào)鋼和冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼三類[1]。冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼是非調(diào)質(zhì)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，適用于制造緊固件等產(chǎn)品，目前其主要用來制造8.8 級(jí)～10.9 級(jí)的外螺紋緊固件，尤其適用于制造細(xì)長桿螺栓、螺柱、U 型螺栓和螺桿。 因?yàn)椴恍枵{(diào)質(zhì)熱處理，同時(shí)還避免了彎曲變形和淬硬尺寸效應(yīng)，在使用中更顯優(yōu)勢(shì)[2]。

隨著線棒材生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 可以實(shí)現(xiàn)在二相區(qū)溫度軋制， 冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼線棒材正在由以微合金化為主轉(zhuǎn)向以形變誘導(dǎo)超細(xì)化組織為主的方向發(fā)展，用不添加或少添加微合金元素的鋼生產(chǎn)能用于冷鐓加工高強(qiáng)度緊固件的線棒材，節(jié)約資源、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。因此，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型高強(qiáng)度緊固件用線棒材生產(chǎn)技術(shù)，使其達(dá)到工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用， 是近期乃至未來線棒材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。

近年來馬鋼利用高速線材低溫?zé)釞C(jī)械軋制及組織控制技術(shù)，開發(fā)出具有原始創(chuàng)新性的8.8 級(jí)MFT8 冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼， 為冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼在緊固件行業(yè)的成熟推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 但由于存在韌性差異，產(chǎn)品的面縮率僅在52%左右，只能制作六角頭螺栓和牙條。

本研究僅從材料成分優(yōu)化設(shè)計(jì)、冶煉、連鑄、控軋控冷對(duì)8.8 級(jí)、9.8 級(jí)高韌性非調(diào)質(zhì)鋼線材進(jìn)行制造技術(shù)研究， 獲得細(xì)晶鐵素體+珠光體的8.8 級(jí)、9.8 級(jí)高韌性非調(diào)鋼線材；抗拉強(qiáng)度在（650～750）MPa，面縮率大于60%；冷變形能力達(dá)到法蘭面螺栓的變形要求， 通過非調(diào)鋼穩(wěn)定化處理技術(shù)研究， 冷加工后的緊固件力學(xué)性能滿足8.8級(jí)、9.8 級(jí)高強(qiáng)度螺栓的要求。

1 高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品研究開發(fā)

1.1 冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分、性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼熱軋線材的性能主要取決于鋼的化學(xué)成分、軋制加熱溫度、控軋和控冷工藝。 通過合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)， 保證在軋制加熱時(shí)既能夠獲得細(xì)小的原奧氏體晶粒， 同時(shí)又控制V、Ti、Nb 等析出強(qiáng)化元素的溶解程度； 軋制工藝決定軋后的晶粒尺寸和晶內(nèi)的組織狀態(tài)；控制冷卻決定相變組織即析出相、析出相比例、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及鐵素體晶粒大小等[3]。

國內(nèi)外研究開發(fā)的8.8 級(jí)、9.8 級(jí)冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分，其成分特點(diǎn)基本上為低C、高M(jìn)n 以及添加微合金化元素V、Ti、Nb 等。 為了彌補(bǔ)低C 所造成的強(qiáng)度損失，往往需要添加微合金化元素并進(jìn)行控軋控冷，即在線材軋制前的加熱時(shí)應(yīng)保證微合金化元素充分固溶，隨后在比較低的溫度下進(jìn)行線材軋制， 從而形成彌散分布的合金碳氮化物，控制奧氏體的再結(jié)晶行為，從而獲得超細(xì)晶粒尺寸。而后控制軋后的冷卻速度，在冷卻過程中彌散碳氮化物的進(jìn)一步析出實(shí)現(xiàn)鐵素體強(qiáng)化作用， 從而獲得良好的強(qiáng)度和韌性的配合。微合金元素可以單獨(dú)使用，也可以二種或三種復(fù)合使用，以獲得最佳性能。

對(duì)于8.8、9.8 級(jí)螺栓，要求冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼熱軋材的抗拉強(qiáng)度為（650～730）MPa，經(jīng)冷拔冷鐓，產(chǎn)生冷作強(qiáng)化，再經(jīng)時(shí)效處理可使其抗拉強(qiáng)度達(dá)到（800～1000）MPa。采用冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼所制螺栓的強(qiáng)度是由三部分疊加組成，可用下式表達(dá)[1]：

式中：Rm—為冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼所制螺栓的強(qiáng)度；R0m—為冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼熱軋線材的強(qiáng)度；ΔRcdm—為熱軋線材冷作強(qiáng)化所引起的強(qiáng)度增量；ΔRagm—為冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼所制螺栓時(shí)效處理后所引起的強(qiáng)度增量。

用冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼制螺栓要進(jìn)行冷拔和冷鐓，要求材料具有良好的冷變形性能。 在保證足夠的冷作強(qiáng)化強(qiáng)度增量基礎(chǔ)上，出于減小冷鐓模具損耗的考慮，希望材料的加工硬化率不宜過高。

設(shè)計(jì)的高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分、 力學(xué)性能、冷頂鍛性能如下：

（1）化學(xué)成分：設(shè)計(jì)的高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分見表1。

（2）力學(xué)性能：高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能要求見表2。

表2 高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能

（3）冷頂鍛性能：1/3 冷頂鍛合格。

1.2 熱模擬實(shí)驗(yàn)研究

為了探索相關(guān)工藝參數(shù)（變形溫度、變形量、冷卻速度等） 對(duì)冷作硬化非調(diào)質(zhì)鋼微觀組織形態(tài)及晶粒細(xì)化的影響，為生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，對(duì)冷作硬化非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn)研究。試樣規(guī)格為Φ8.0×15.0mm。熱模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果如下：

通過對(duì)不同的變形溫度和不同的變形量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)變形溫度、變形量和冷卻速度對(duì)鈮、釩微合金化的冷作硬化非調(diào)質(zhì)鋼的組織性能都有較大影響。 變形溫度越低、變形量越大，冷卻速度增大[（1～10）℃/s]，其組織越細(xì)；變形溫度在750℃，變形量大于50%時(shí)，冷卻速度（1～5）℃/s，其組織晶粒度一般為12 級(jí)～14 級(jí)。

1.3 工藝路線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室熱模擬試驗(yàn)結(jié)果， 制定了高韌性冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)工藝流程：電弧爐冶煉→LF 爐精煉→RH真空脫氣→圓坯連鑄→150mm 方坯軋制→修磨→高線熱機(jī)械軋制。

熱機(jī)軋制工藝如下：鋼坯加熱到（950～1180）℃進(jìn)行粗、中軋及預(yù)精軋；精軋采用TMCP 連續(xù)軋制工藝，即預(yù)精軋后，軋件采用水箱冷卻，溫度降低到（750～800）℃進(jìn)行精軋，軋件累計(jì)減面率為50%以上，控制冷卻后集卷。

1.4 冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼熱軋盤條組織性能

（1）非調(diào)鋼熱軋盤條盤條晶粒度、金相組織。 試制的Φ9mm、Φ11mm 規(guī)格非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼熱軋盤條， 晶粒度為12級(jí)、金相組織為鐵素體+珠光體，為超細(xì)晶粒組織，見圖1。

圖1 非調(diào)鋼盤條金相組織

（2）力學(xué)性能。 Φ9mm、Φ11mm 規(guī)格非調(diào)質(zhì)鋼熱軋盤條進(jìn)行了同圈力學(xué)性能檢驗(yàn)， 強(qiáng)度波動(dòng)范圍小， 面縮率高，在70%左右，詳見表3、表4。

表3 Φ9mm 非調(diào)質(zhì)鋼熱軋盤條同圈力學(xué)性能

表4 Φ11mm 非調(diào)質(zhì)鋼熱軋盤條同圈力學(xué)性能

（3）冷頂鍛：1/3 冷頂鍛合格。

2 冷作硬化非調(diào)鋼深加工工藝研究

冷變形包括冷拔和冷鐓，是采用冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼制造高強(qiáng)度螺栓等緊固件的生產(chǎn)過程中不可缺少的工序。并且冷形變的工藝參數(shù)將直接影響最終產(chǎn)品的使用性能，即一方面要通過冷拔工序來得到所需要的線材尺寸，改善其表面狀態(tài)； 另一方面要借助于冷拔工序產(chǎn)生加工硬化，提高鋼的強(qiáng)度，使其達(dá)到高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度要求。 由于在冷拔后還需進(jìn)行螺栓的冷鐓成型，因此冷拔工藝的合適與否還直接影響線材的冷鐓性能和螺栓的最終性能。

在螺栓生產(chǎn)中的冷變形過程會(huì)在鋼中產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，加載后位錯(cuò)攀移引起微小屈服， 會(huì)產(chǎn)生永久延伸， 不利于螺栓的保證載荷性能。 由于高強(qiáng)度螺栓在服役過程中不允許發(fā)生過量的變形，所以在冷鐓后還需進(jìn)行時(shí)效處理。

2.1 冷拔后的壓縮變形抗力

試驗(yàn)鋼熱軋材經(jīng)不同減面率γ 冷拔變形后再進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮屈服真應(yīng)力σCY及壓下量為66%的冷鐓變形的壓縮真應(yīng)力σCH隨γ 的變化規(guī)律見圖2、圖3。由圖2 可以看出，屈服真應(yīng)力σCY在γ≤25%之前增加平緩，在γ=30%時(shí)屈服點(diǎn)的真應(yīng)力有所下降，隨后進(jìn)一步增加γ，σCY則繼續(xù)增加。 圖3 顯示了壓下量為66%的冷鐓變形時(shí)的壓縮真應(yīng)力σCH隨γ 的變化規(guī)律。 顯然，由于鮑辛格效應(yīng)的作用，材料經(jīng)冷拔后再反向受力，盡管隨著γ 增大，材料的強(qiáng)度升高，但σCH基本不變，在γ 值約30%時(shí)，存在σCH下降的一個(gè)谷值。 且σCY及σCH出現(xiàn)谷值對(duì)應(yīng)的γ 值均為30%左右。

圖2 壓縮變形時(shí)的屈服點(diǎn)真應(yīng)力σCY 及隨冷拔減面率γ 的變化

圖3 壓下量66%冷鐓變形的真應(yīng)力σCH 隨冷拔減面率γ 的變化

2.2 時(shí)效處理對(duì)冷變形材性能的影響

試驗(yàn)鋼熱軋材經(jīng)冷拔變形后，抗拉強(qiáng)度在減面率5%～35%范圍內(nèi)呈線性增加趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度增量ΔRm與減面率γ 關(guān)系為：

如前所述， 試驗(yàn)鋼冷拔材壓縮屈服真應(yīng)力σCY在減面率25%之前增加平緩，γ=30%時(shí)σCY有所下降， 隨后進(jìn)一步增加γ，σCY則繼續(xù)增加。 上述現(xiàn)象是鮑辛格效應(yīng)和加工硬化共同作用的結(jié)果。隨著γ 的增加，材料一方面經(jīng)受加工硬化，使材料的強(qiáng)度提高；但另一方面由于鮑辛格效應(yīng)的影響，材料經(jīng)冷拔后再反向受力，σCY雖有所升高，但比較平緩；當(dāng)達(dá)到一定的γ 值，鮑辛格效應(yīng)達(dá)到最大值，這時(shí)甚至出現(xiàn)σCY的下降；如果γ 進(jìn)一步增大，加工硬化的作用明顯顯現(xiàn)，材料的σCY又明顯增加。 由于鮑辛格效應(yīng)的作用，試驗(yàn)鋼經(jīng)冷拔后再反向冷鐓變形時(shí)，盡管隨著γ 增大，材料的強(qiáng)度升高，但壓下量為66%冷鐓時(shí)變形的壓縮真應(yīng)力σCH基本不變，甚至在超過一定γ 之后σCH出現(xiàn)下降。 這與σCY變化的機(jī)理一致， 只是由于壓下量為66%的冷鐓變形量大， 壓縮過程中的加工硬化掩蓋了材料冷拔過程中加工硬化的作用， 所以壓下量66%冷鐓變形時(shí)σCH隨γ 變化不大，但仍然在30%γ 附近呈現(xiàn)出鮑辛格效應(yīng)的作用。

為了定量化的描述鮑辛格效應(yīng)， 定義冷拔后材料反向流變時(shí)的屈服強(qiáng)度σr0除以正向應(yīng)變時(shí)的流變應(yīng)力σF為冷拔因子BE：

式中，σF為正向變形時(shí)的流變應(yīng)力；σr0為反向變形時(shí)的屈服強(qiáng)度。

冷拔因子BE 越小，說明鮑辛格效應(yīng)越明顯。 冷拔因子BE 隨γ 的關(guān)系見圖4。 可見，隨著γ 的增加，實(shí)驗(yàn)料的冷拔因子BE 減小，在γ=30%時(shí)達(dá)到最小值，這與圖2、圖3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。 但是在γ 大于30%時(shí)冷拔因子BE又增大，這是材料應(yīng)變硬化指數(shù)n 變化的作用。

圖4 冷拔因子BE 與冷拔減面率的關(guān)系

圖5 為應(yīng)變硬化指數(shù)n 值隨γ 的變化。 可見，超過一定γ 后，n 值有所上升。 n 值上升意味著在冷鐓過程中真應(yīng)力的增加加快。圖5 中n 值上升的點(diǎn)與圖2 中真應(yīng)力升高的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)， 這說明壓縮屈服真應(yīng)力的上升一方面是由于鮑辛格效應(yīng)不可能無限制地增大， 另一方面則是由于n 的增加。因此，最佳的γ 值應(yīng)該在保證強(qiáng)度的條件下選取鮑辛格效應(yīng)較大，而n 值又沒有明顯增大的階段。

圖5 加工硬化率隨冷拔減面率的變化

3 非調(diào)質(zhì)鋼MFT8、MFT9 制造8.8、9.8 級(jí)螺栓性能評(píng)估

通過上述研究開發(fā)， 目前8.8、9.8 級(jí)非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，制造法蘭面螺栓、U 型螺栓，節(jié)能降耗、效果顯著。

3.1 8.8 級(jí)外六角螺栓

用戶選用Φ13mm 非調(diào)鋼盤條制作M10 的8.8 級(jí)法蘭面螺栓性能見表5。 穩(wěn)定化處理后螺栓抗拉強(qiáng)度較高，σb平均為921MPa，散差較小為15MPa；穩(wěn)定化處理前后的延伸率和截面收縮率都合格，并且散差小；穩(wěn)定化處理后保證載荷試驗(yàn)合格；穩(wěn)定化處理后硬度合格。

表5 冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼制造8.8 級(jí)螺栓穩(wěn)定化處理前后性能

3.2 9.8 級(jí)U 型螺栓

用戶采用Φ11mm 非調(diào)鋼熱軋盤條制成了M10 的U 型螺栓。U 型螺栓具體數(shù)據(jù)見表6。 不但省略了熱處理調(diào)質(zhì)費(fèi)用（電費(fèi)、保護(hù)氣體和淬火介質(zhì)費(fèi)用）降低成本，產(chǎn)品質(zhì)量還有很大提升； 不用調(diào)質(zhì)處理形變小， 不需再較直整形；因?yàn)槲磸?50℃淬火前加熱，半成品表面質(zhì)量較好，鍍鋅后，外觀非常光潔。

表6 9.8 級(jí)U 型螺栓檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 超長桿8.8 級(jí)六角頭法蘭面螺栓

某主機(jī)廠提出需要8.8 級(jí)非調(diào)鋼用于生產(chǎn)M8×260長桿六角頭法蘭面螺栓，該產(chǎn)品變形量較大，最大法蘭面處減面率達(dá)到50%以上。 根據(jù)用戶要求提供非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼熱軋盤條進(jìn)行試驗(yàn)，以25%～35%的減面率直接進(jìn)行冷拔，而后在多工位冷鐓機(jī)上進(jìn)行冷鐓，鐓制長桿六角頭法蘭面螺栓，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。 為對(duì)比模具損耗情況，同時(shí)選用1 卷ML40Cr 進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示非調(diào)鋼切邊模約1 萬件更換一次，ML40Cr 切邊模約1.2 萬件更換一次， 模具損耗相差不大。最后對(duì)螺栓進(jìn)行穩(wěn)定化處理（脫氫處理工藝）螺栓芯部硬度達(dá)到（26～29）HRC，抗拉強(qiáng)度達(dá)到（865～890）MPa，達(dá)到GB/T 3098.22 性能要求。

用戶選用Φ9mm 非調(diào)鋼盤條制作M8 的8.8 級(jí)法蘭面螺栓性能見表7。

表7 8.8 級(jí)法蘭面螺栓性能

3.4 冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼螺栓低溫性能

冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼螺栓-50°C 低溫性能優(yōu)異， 在強(qiáng)度增加的情況下，面縮率仍在55%以上，詳見表8。

表8 非調(diào)鋼制作的螺栓低溫性能檢測(cè)結(jié)果

3.5 冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼螺栓疲勞性能

采用晶粒度為12 級(jí)、 金相組織為鐵素體+珠光體的冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼MFT8E 盤條和SWRCH35K 盤條制作8.8 級(jí)M6 法蘭面螺栓，SWRCH35K 制作的螺栓進(jìn)行淬火回火處理，金相組織為回火索氏體。

疲勞性能結(jié)果為冷作強(qiáng)化非調(diào)鋼制作螺栓疲勞性能優(yōu)異，優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的螺栓，在加大載荷情況下，非調(diào)鋼的疲勞次數(shù)要高于調(diào)質(zhì)鋼的10 倍左右，詳見表9。

表9 8.8 級(jí)M6 法蘭面螺栓疲勞性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）研究開發(fā)的高韌性非調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)品，具有良好的冷拔和冷鐓工藝性能，能夠滿足高強(qiáng)度法蘭面螺栓等緊固件生產(chǎn)的要求。 抗拉強(qiáng)度：（650～750）MPa，Z≥60%，1/3 冷頂鍛合格，金相組織為鐵素體+珠光體，實(shí)際晶粒度大于11 級(jí)。

（2） 冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼在制作緊固件拉拔減面率在30%左右時(shí)，冷鐓、搓絲時(shí)抗力最低，模具損耗較小。

（3）國內(nèi)汽車緊固件制造公司已批量應(yīng)用冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼熱軋盤條，生產(chǎn)法蘭面螺栓，產(chǎn)品性能、模具損耗滿足要求。

（4）制作的緊固件通過穩(wěn)定化處理，不僅強(qiáng)度有所提高，保載性能也可完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼螺栓低溫性能優(yōu)異，在強(qiáng)度增加的情況下，面縮率仍達(dá)到55%左右。

（6）冷作強(qiáng)化非調(diào)質(zhì)鋼螺栓疲勞性能優(yōu)異，優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)的螺栓，在加大載荷情況下，非調(diào)鋼的疲勞次數(shù)要高于調(diào)質(zhì)鋼的10 倍左右。