合金冷鐓鋼ML40Cr脫碳層影響因素分析及優(yōu)化

趙滿堂

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司鋼鐵研究院,安徽 蕪湖 241002)

ML40Cr作為中碳合金冷鐓鋼的典型代表鋼種,主要用于制作10.9級(jí)及以上高強(qiáng)度的螺栓、螺母和異形件法蘭螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的冷鐓鋼盤條由于冷鐓性能不穩(wěn)定,均勻性差,部分冷鐓鋼盤條還要從國(guó)外進(jìn)口生產(chǎn)[1-3]。在盤條的生產(chǎn)加工過(guò)程中,每一道的生產(chǎn)工序都有造成盤條表面脫碳,為保障盤條在下游客戶深加工過(guò)程后最終產(chǎn)品綜合性能的穩(wěn)定,同時(shí)達(dá)到客戶產(chǎn)品硬度要求,冷鐓鋼盤條的脫碳程度顯得尤為重要。因此本文通過(guò)研究分析影響中碳合金冷鐓鋼ML40Cr盤條脫碳影響因素及改善措施,保證產(chǎn)品脫碳層指標(biāo)的合格率,對(duì)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,企業(yè)發(fā)展起到重要作用。

1 鋼的脫碳特性及理論研究

鋼在加熱爐內(nèi)加熱過(guò)程中,當(dāng)加熱到高溫段時(shí),鋼機(jī)體表層中的碳原子核爐內(nèi)的氧化性氣體O2、CO2等以及還原性氣體H2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成鋼表面含碳量減少,這種化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象為脫碳。脫碳是由于鋼表面的碳原子在加熱過(guò)程中發(fā)生熱擴(kuò)散效應(yīng),鋼表層內(nèi)部碳原子移動(dòng)至表面與爐內(nèi)氧化性氣體發(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致鋼坯表層碳原子丟失。鋼在加熱過(guò)程中氧化和脫碳現(xiàn)象同時(shí)存在,只有當(dāng)脫碳速度超過(guò)氧化速度后脫碳情況才會(huì)發(fā)生。

基本原理:

Fe3C+O2=3Fe+CO2

Fe3C+CO2=3Fe+2CO

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2

Fe3C+2H2=3Fe+CH4

O2、CO2、H2O和H2使鋼脫碳而CH4和CO則使鋼增碳。H2O>CO2>O2>H2。鋼的總脫碳層為部分脫碳層和全脫碳層之和,ML40Cr盤條產(chǎn)品來(lái)說(shuō)只有部分脫碳層,因此ML40Cr總脫碳層即為部分脫碳層。

盤條表面脫碳將會(huì)使盤條的表層析出鐵素體組織而形成脫碳層,將在鐵素體脫碳層晶界擴(kuò)散產(chǎn)生微裂紋,微裂紋在后期客戶加工冷鐓過(guò)程中開裂,造成次品,成本增加,資源浪費(fèi)。脫碳層會(huì)降低盤條表面硬度,由于內(nèi)外金屬膨脹系數(shù)不同,在熱處理淬火時(shí)更容易產(chǎn)生裂紋缺陷;對(duì)于拉拔工序,由于盤條內(nèi)外組織的差異,在拉拔過(guò)程變形抗力增大;而對(duì)一些表面要求很高的緊固件,盤條脫碳會(huì)導(dǎo)致其切削性和耐磨性降低。

2 影響脫碳層深度的主要因素

2.1 加熱溫度

鋼坯在加熱爐內(nèi)隨著加熱溫度的升高,一次氧化鐵皮生產(chǎn)的速度增加,隨之氧化鐵皮下碳元素的擴(kuò)散速度加快,再此環(huán)境下氧化鐵皮失去保護(hù)鋼機(jī)體的能力,爐內(nèi)溫度達(dá)到一定程度后脫碳速率大于氧化速率,隨著加熱溫度的不斷提高,脫碳層深度增加。鋼坯在低溫段加熱時(shí),當(dāng)溫度在570 ℃以下時(shí),表面生產(chǎn)的是Fe3O4組織,而Fe3O4組織比較致密,能夠阻止鋼坯內(nèi)部氧化脫碳速度;而在高溫的時(shí),Fe3O4組織開始發(fā)生相變,氧化鐵組織發(fā)生轉(zhuǎn)變,生成 FeO組織, FeO 是一種疏松組織,保護(hù)能力較弱,更大程度上加速氧化脫碳過(guò)程。鋼脫碳現(xiàn)象是一個(gè)復(fù)雜的物理冶金過(guò)程,與鋼坯的氧化相似,影響鋼坯脫碳的因素很多[4-8],如鋼坯的原始脫碳程度、鋼種特性、加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱爐內(nèi)氣氛、軋制速度及冷卻工藝制度等。因此制定合理的加熱溫度制度,能夠有效控制盤條表層脫碳傾向。

2.2 加熱時(shí)間和加熱次數(shù)

脫碳層深度與保溫時(shí)間有很大的關(guān)系,兩者近似拋物線變化規(guī)律[9]。鋼坯在爐內(nèi)的加熱次數(shù)越多,鑄坯表面脫碳越嚴(yán)重,當(dāng)在低溫段加熱時(shí),加熱時(shí)間長(zhǎng)的情況下脫碳現(xiàn)象并不明顯,但在高溫段加熱時(shí)間長(zhǎng)后,脫碳現(xiàn)象和脫碳深度明顯,因此在高溫情況下加熱時(shí)間越長(zhǎng),盤條脫碳層深度越深。ML40Cr屬于易脫碳鋼種,不允許長(zhǎng)時(shí)間在高溫下保溫待軋,在生產(chǎn)過(guò)程中如遇有故障,停機(jī)不能出鋼情況下,如過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)應(yīng)該把爐內(nèi)鋼坯退出爐外。

2.3 化學(xué)成分和爐內(nèi)氣氛

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐,鋼坯在爐內(nèi)氧化氣氛下加熱過(guò)程燒損比較大,而爐內(nèi)成分中的氧化性氣體O2、CO2都能引起鋼坯脫碳,因此輕微脫碳或脫碳不明顯時(shí),表明爐內(nèi)氧化性氣氛較弱。鋼中含碳量越高脫碳傾向就越大,含碳量大于0.35%～0.40%的鋼,脫碳傾向更加明顯。合金元素對(duì)脫碳的影響不一、而合金元素Cr、Mn、V、Nb等元素降低脫碳傾向與碳形成碳化物,提高鋼中碳擴(kuò)散的激活能,使碳擴(kuò)散系數(shù)減小,從而減輕脫碳傾向。理論研究顯示:加熱溫度、時(shí)間、爐內(nèi)氣氛是影響產(chǎn)品脫碳層的主要因素,通過(guò)工藝優(yōu)化可以有效的控制脫碳層深度。

3 開發(fā)過(guò)程情況

ML40Cr軋制工藝路線為:鋼坯→加熱爐→粗中軋機(jī)組→PFM 機(jī)組→NTM 機(jī)組→RSM 徑機(jī)組→吐絲→斯太爾摩冷卻線控冷→集卷→打包→稱重→掛牌→卸卷→入庫(kù)。

公司在軋鋼B高線車間進(jìn)行生產(chǎn)Ф6.5 mm、Ф8.0 mm ML40Cr冷鐓盤條的試驗(yàn),盤條化學(xué)成分控制及鋼坯軋制過(guò)程中的溫度要求分別見表1、表2。B高線采用脈沖式單蓄熱加熱工藝,采用空氣金屬換熱器預(yù)熱、煤氣蓄熱燃燒技術(shù)、汽化冷卻的步進(jìn)梁式加熱爐,加熱爐沿爐長(zhǎng)方向分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段,爐型采用平直爐頂,整體箱型結(jié)構(gòu),加熱爐使用主要燃料是高爐煤氣,加熱過(guò)程自動(dòng)控制工藝,加熱溫度均勻、燃耗低、工藝先進(jìn)、運(yùn)行可靠,可滿足優(yōu)特鋼的加熱要求及配套的具有世界先進(jìn)水平的全套摩六代軋機(jī),以及相配的閉環(huán)冷卻控溫系統(tǒng)。

表1 ML40C化學(xué)成分要求 %

表2 軋制過(guò)程溫度控制要求 ℃

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)軋制盤條尺寸精度達(dá)到GB/T 14981中規(guī)定C級(jí)要求,冷鐓頂鍛合格率100%,盤條表面檢測(cè)無(wú)裂紋、結(jié)疤、耳子等影響使用的缺陷;經(jīng)檢測(cè)盤條脫碳層深度 120～140 um,經(jīng)過(guò)下游客戶試驗(yàn)后不能滿足高端客戶要求,造成客戶的抱怨。盤條脫碳金相見圖1。

圖1 熱軋態(tài)金相組織(×200)

4 脫碳層控制工藝優(yōu)化實(shí)踐

4.1 降低加熱溫度及加熱時(shí)間工藝試驗(yàn)

為進(jìn)一步優(yōu)化Ф6.5 mm、Ф8.0 mm 規(guī)格脫碳層深度,開展降低均熱段加熱溫度的試驗(yàn),而降低均熱段加熱溫度的試驗(yàn)通過(guò)降低開軋溫度來(lái)試驗(yàn)。根據(jù)ML40Cr熱塑性曲線情況,分別將原工藝加熱溫度均熱段、開軋溫度及加熱時(shí)間進(jìn)行降低優(yōu)化,以驗(yàn)證降低加熱溫度和降低加熱時(shí)間對(duì)ML40Cr脫碳層的影響,殘氧控制在2%以內(nèi),爐內(nèi)氛圍空煤比例控制在0.55～0.65。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)優(yōu)化溫度控制要求

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)生產(chǎn),試驗(yàn)各段溫度均符合設(shè)計(jì)要求,其中方案一均熱段溫度較原工藝下降30 ℃,方案二均熱段溫度較原工藝下降約60 ℃,經(jīng)脫碳層檢驗(yàn),試驗(yàn)工藝脫碳層深度方案一深度0.07 mm～0.10 mm方案二深度0.06 mm～0.08 mm、,較原工藝有較大改善檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示,實(shí)踐證明先后兩次降低加熱溫度及加熱時(shí)間工藝改善產(chǎn)品脫碳層比較明顯,試驗(yàn)工藝效果可行,其中方案二優(yōu)于方案一,試驗(yàn)方案一脫碳檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,試驗(yàn)方案二脫碳檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表4 試驗(yàn)脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 方案一熱軋態(tài)金相組織(×200)

圖3 方案二熱軋態(tài)脫碳層(×200)

4.2 試驗(yàn)小結(jié)及客戶使用

通過(guò)降低加熱爐均熱段溫度及加熱時(shí)間的實(shí)踐試驗(yàn),6.5～10 mm規(guī)格ML40Cr盤條脫碳層深度控制在0.08 mm水平,試驗(yàn)效果取得顯著效果。按照試驗(yàn)方案二的工藝,ML40Cr脫碳層深度小于1.0%D合格率由原來(lái)的62.3%提升到98%以上,滿足了高端客戶要求,試制產(chǎn)品發(fā)往溫州、寧波等客戶使用,客戶制作高強(qiáng)度內(nèi)外六角螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件,客戶經(jīng)酸洗、磷化、皂化、拉絲、冷鐓、熱處理等工序,檢測(cè)產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)合格,滿足客戶要求。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)工藝優(yōu)化實(shí)踐,加熱爐殘氧控制在2%以內(nèi),加熱爐均熱段溫度控制1 030～1 070 ℃,開軋溫度控制1 000±10 ℃,精軋入口溫度950±20 ℃,減定徑入口910±10 ℃,吐絲溫度900±10 ℃,加熱時(shí)間控制在120～140 min工藝,6.5～10 mm規(guī)格ML40Cr盤條脫碳層深度控制小于1.0%D要求,質(zhì)量了滿足高端用戶需求。

(2)通過(guò)降低加熱爐均熱段溫度及加熱時(shí)間的實(shí)踐,小規(guī)格6.5～10 mm規(guī)格ML40Cr盤條脫碳層深度控制在0.08 mm水平,試驗(yàn)效果取得顯著效果