鉚螺鋼ML20 電爐冶煉、連鑄及熱處理工藝研究

供稿|李維華 / LI Weihua

內(nèi)容導(dǎo)讀

鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝為：廢鋼加入超高功率直流電爐中熔煉形成鋼液，在鋼液中加入鑭和鈰，對(duì)鋼液進(jìn)行球化處理，通過連鑄機(jī)將鋼液澆鑄成鋼坯，將成型的鋼坯經(jīng)過退火處理，退火鋼坯溫度降低過程中加入鋁粉，最終獲得產(chǎn)品。冶煉加入的鑭和鈰可中和鋼液中的反球化元素，避免反球化元素影響鋼液的球化效果，在球化劑中加入燒堿，去除鋼液中的硫，避免鋼坯形成之后內(nèi)部氣泡過多，影響鉚螺鋼的質(zhì)量，同時(shí)設(shè)置兩個(gè)退火爐，輪流冷卻鋼材，提高了鋼材的退火效率，節(jié)省了工藝處理時(shí)間。

鉚螺鋼，又稱冷頂鍛鋼、冷鐓鋼或冷鐓鉚螺鋼，主要用來(lái)制造互換性較高的標(biāo)準(zhǔn)件用鋼（比如螺栓、螺母、螺釘?shù)雀黝惥o固件），一般基于該鋼種的可塑性，采用冷鐓成型工藝來(lái)批量生產(chǎn)。冷鐓生產(chǎn)工藝具有產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、制造成本低、金屬損耗少優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是對(duì)所加工的原材料性能和質(zhì)量具有較高的要求，例如需要原材料具有良好的冷鐓性能（特別是較大的變形量）和表面質(zhì)量，才能具有盡可能小的阻力和高的變形能力以及更小的表面開裂幾率[1-6]。

鉚螺鋼按照熱處理工藝類型主要分為：非熱處理型、調(diào)質(zhì)型、表面硬化型和非調(diào)質(zhì)型，按照用途可以分為：軸承鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼、雙相鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼。鉚螺鋼ML20 為高強(qiáng)度緊固件常用鋼種之一，主要用于制造自攻螺釘和緊固螺釘，成品螺釘需經(jīng)滲碳、滲氮等表面硬化處理。而現(xiàn)今鉚螺鋼ML20 在冶煉的過程中，退火用時(shí)較長(zhǎng)，影響冶煉的效率；原料鋼液中含有很多反球化元素，導(dǎo)致鉚螺鋼球化不充分，破壞球化效果[7-9]。因此，開展鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝研究，針對(duì)鉚螺鋼ML20 球化技術(shù)問題進(jìn)行深入探析，具有一定的指導(dǎo)意義。

研究概述

鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝研究基于70 t 電爐冶煉工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，該電爐匹配四機(jī)四流方坯連鑄機(jī)，軋鋼工序采用三切分高剛度短應(yīng)力軋機(jī)軋制工藝。結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)和裝備情況，本文按照工藝路線（如圖1 所示）主要從電爐冶煉、球化處理、退火熱處理等幾個(gè)方面來(lái)研究影響鉚螺鋼ML20 性能的因素，確定合理的電爐冶煉、球化處理和退火熱處理工藝等參數(shù)，最終獲得合格的鉚螺鋼ML20。

圖1 鉚螺鋼ML20 生產(chǎn)工藝

主要工藝研究

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

根據(jù)各元素在鋼中的作用并參考鉚螺鋼ML20 設(shè)計(jì)規(guī)范，鉚螺鋼ML20 化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表1 所示，其中分別設(shè)計(jì)了試驗(yàn)樣1 和試驗(yàn)樣2 的化學(xué)成分，來(lái)研究化學(xué)成分對(duì)鉚螺鋼ML20 性能的影響。

表1 鉚螺鋼ML20 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

冶煉和球化工藝研究

將冷拉鋼材廢鋼作為主要原料在超高功率電爐中進(jìn)行初煉熔化，出鋼溫度控制在1550～1600 ℃，鋼液化學(xué)成分按照表1 控制，初煉鋼液在鋼包精煉爐（LF）中進(jìn)行成分微調(diào)和球化處理，之后將鋼液澆鑄成鋼坯。精煉完畢后軟吹一段時(shí)間，在鋼液溫度降到1510～1540 ℃的時(shí)候，對(duì)鋼液進(jìn)行球化處理，球化劑采用球化粉料合金包芯線的形式裝入喂絲機(jī)中，設(shè)置好喂絲機(jī)喂絲的速度、長(zhǎng)度、模式、時(shí)間等參數(shù)，通過包蓋上預(yù)留的喂絲孔持續(xù)將球化劑和鑭鈰包芯線喂入鋼液中，球化處理操作過程中相關(guān)工藝參數(shù)控制如表2～3 所示，1#試樣使用球化劑1，2#試樣使用球化劑2。

表2 球化工藝參數(shù)控制

表3 球化劑成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鋼坯退火工藝研究

將以上成型的連鑄鋼坯放入退火爐中，并緩慢加熱到750～800 ℃，在退火的過程中，當(dāng)鋼坯溫度降低到660～700 ℃的時(shí)候，往鋼坯上面加入鋁粉，控制鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.030%～0.050%。另外準(zhǔn)備一個(gè)退火爐，并將退火爐加熱到430～450 ℃，等到第1 個(gè)退火爐鋼坯溫度降到650 ℃以下的時(shí)候，將鋼坯放入準(zhǔn)備好的第2 個(gè)退火爐中，從鋼坯底部開始吹氮?dú)猓刂频獨(dú)鈮毫?.30～0.55 MPa，當(dāng)鋼坯冷卻至60～70 ℃，保持溫度40～50 min，試樣1#和試樣2#具體控制工藝參數(shù)如表4 所示。

表4 退火工藝參數(shù)控制

鉚螺鋼ML20 性能檢測(cè)

通過控制以上關(guān)鍵工藝參數(shù)制造出來(lái)的鉚螺鋼ML20 性能檢測(cè)如表5 所示，由表5 可以看出，1#試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率較2#試樣好，而屈服強(qiáng)度和硬度較2#試樣差，說明1#試樣所代表的鉚螺鋼ML20 塑性較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。2#試樣所代表的鉚螺鋼ML20 硬度較強(qiáng)具有較大的抵抗變形的能力，使用中抗變形能力較強(qiáng)。

表5 鉚螺鋼ML20 性能參數(shù)均值

分析與討論

（1）球化劑的作用是使鉚螺鋼中形成細(xì)小、圓整、均勻的球狀石墨形態(tài)。

（2）通過控制鑭和鈰的加入量，將反球化元素含量控制在不影響球化處理的范圍，適當(dāng)?shù)谋Ａ翩嚒f、鉻等金屬元素，可以減小厚斷面鑄件中心的石墨畸變，使鑄件中心石墨形狀改善，鎳、鉬、鉻等金屬元素也可以提升鉚螺鋼中碳化物的穩(wěn)定性，從而提升鉚螺鋼的強(qiáng)度，同時(shí)提升鉚螺鋼的抗氧化性和韌性。

（3）將鋼坯緩慢加熱，然后以適應(yīng)的速冷卻度冷卻至60～70 ℃，保持溫度40～50 min，在鋼坯內(nèi)部形成晶粒較細(xì)、片層較厚、組織均勻的珠光體，退火的過程中，使內(nèi)部形成的粒狀珠光體分布均勻，增強(qiáng)鋼坯的強(qiáng)度和韌性。

（4）利用退火爐之間的溫度差加速鋼坯的退火，避免降溫時(shí)間過長(zhǎng)影響退火的質(zhì)量，將鋼坯進(jìn)行熱處理，使鋼坯中的化學(xué)成分均勻化，經(jīng)過退火消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒，形成強(qiáng)化析出碳化物，提高鋼坯的塑性，便于機(jī)加工和冷變形加工。

結(jié)論

（1）通過主要控制冶煉、球化和退火熱處理工藝相關(guān)工藝參數(shù)，成功制備了1#和2#兩種不同性能的鉚螺鋼ML20 試樣，其中前者具有良好的綜合機(jī)械性能，后者具有較大的抵抗變形的能力，使用中抗變形能力較強(qiáng)。

（2）球化劑和鑭、鈰可提升鉚螺鋼中碳化物的穩(wěn)定性和鉚螺鋼的強(qiáng)度、抗氧化性和韌性。

（3）退火熱處理工藝可提高鋼坯中粒狀珠光體的比例，細(xì)化了晶粒，增強(qiáng)了鋼坯的強(qiáng)度和韌性，便于機(jī)加工和冷變形加工。