冷鐓鋼的生產(chǎn)及發(fā)展
冷鐓鋼盤條一般為低、中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，用來冷鐓成型制造各種機械標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件。因冷鐓工藝要求該鋼具有高的潔凈度，控制鋼中的Si、Al的含量，采用控制軋制和控制冷卻工藝，避免出現(xiàn)馬氏體、貝氏體和魏氏體組織，使鋼材具有細(xì)晶和碳化物球化組織，以提高鋼材的塑性和冷頂鍛性能。介紹了國內(nèi)外冷鐓鋼的開發(fā)和生產(chǎn)情況，化學(xué)成分對冷鐓性能的影響，冷鐓鋼的生產(chǎn)工藝特長。
冷鐓鋼盤條的鋼種一般為低、中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。冷鐓鋼產(chǎn)品主要用于汽車、造船、設(shè)備制造、電子、家電、自行車、工具、輕鋼結(jié)構(gòu)、建筑等行業(yè)。
冷鐓鋼因冷成型性能良好，在機械加工行業(yè)用冷拔代替熱軋材冷切削機加工，這種工藝的優(yōu)點是在節(jié)約大量工時的同時，金屬消耗可以降低10%~30%，而且產(chǎn)品尺寸精度高，表面光潔度好，生產(chǎn)率高，是近年來興起的較先進(jìn)的機加工工藝。
我國馬鋼和湘鋼從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)冷鐓鋼。據(jù)中國冶金報刊有關(guān)冷鐓鋼數(shù)據(jù)資料表明，冷鐓鋼市場2003年全國緊固件需求量達(dá)到300萬噸，2005年需求量預(yù)測將增至500萬噸，其中汽車用螺栓等中高檔冷鐓鋼絲緊固件超過100萬噸。目前，華南一帶的冷鐓鋼市場已經(jīng)飽和，華東地區(qū)尚有10~20萬噸的市場空間。一汽全年用鋼材約100萬噸，其中冷鐓鋼占7.7%。我國汽車工業(yè)用鋼材品種構(gòu)成中冷鐓鋼占7%~12%。
1 冷鐓鋼的生產(chǎn)發(fā)展概況
1.1國內(nèi)冷鐓鋼的開發(fā)和生產(chǎn)
近幾年來，我國開發(fā)的冷鐓鋼品牌在增加，產(chǎn)量在增長，質(zhì)量在改進(jìn)。如馬鋼：SWRCH18A、1018、ZL10A、ZL15A、ZL18A；湘鋼：XSWRCH10K 、SWRCH35K、SWRCH6A、22A、ML40Cr、ML35CrMo；寶鋼：SWRCH35K；天鋼：SWRCH18A、SWRCH22A；萊鋼：ML35；石鋼；ML35、ML40、ML45、 45#；杭鋼：ML35、ML40、CH35ACR；包鋼：ML35、ML42CrMo、SWRM12；太鋼：ML07A、ML20MnTiB、CH1T；首鋼：ML35、ML15；江陰興澄：ML35；江蘇沙鋼：SWRCH35K、15MnCrNiCu；大連金牛股份：ML35、ML15MnVB、ML20MnVB、ML20MnTiB、ML35CrMo、ML40Cr、ML35Mn、ML20Cr等品種。顯然，冷鐓鋼的開發(fā)生產(chǎn)已經(jīng)形成了一定的批量和規(guī)模。
1.2國外冷鐓鋼的生產(chǎn)
日本愛知制鋼公司近年開發(fā)了AUS系冷鍛用不銹鋼。公司開發(fā)的AUS系列產(chǎn)品，按產(chǎn)品使用的方法不同而分別將其分為奧氏體（A）、鐵素體（F）、馬氏體（M）及沉淀硬化系列。
冷鍛用線材的典型用途是制作螺栓，其強度范圍大，從抗拉強度400MPa到1200MPa以上，且形狀多。俄羅斯生產(chǎn)的緊固件品種和種類接近世界水平。制造了約10%強度級別8.8以上高強度緊固件。
進(jìn)口鋼絲與國內(nèi)35#中碳鋼相近，但它的金相組織非常細(xì)小均勻，白色小粒狀的先共析鐵素體非常均勻地彌散分布在基體上，沒有網(wǎng)狀組織存在。晶粒大小僅為1~2μm，為國產(chǎn)中碳鋼絲的1/10左右。并且具有良好的強塑性，在拉拔過程中顯示出優(yōu)良的拉拔性能，斷絲率較低。研究認(rèn)為，進(jìn)口鋼絲可能在熱處理時并沒有完全奧氏體化，而僅僅加熱到奧氏體和鐵素體的兩相區(qū)進(jìn)行保溫后再冷卻至室溫，進(jìn)口鋼絲的奧氏體化溫度低，保溫時間短，從而熱處理后的組織細(xì)小，滲碳體與正常奧氏體化處理的滲碳體相比，尺寸更小，厚度更薄，分布更加均勻，呈現(xiàn)出進(jìn)口鋼絲特殊的“兩相組織”�；旧蠟橥耆楣怏w組織，僅有少量小塊狀（尺寸約5μm）先共析鐵素體。
2 冷鐓鋼的生產(chǎn)工藝
2.1冷鐓鋼的主要成分
鋼中碳含量一般按中下限控制為宜。鋼中硅含量超過0.10%，隨硅含量增加，鋼的抗拉強度、硬度有所提高，但延伸率低，斷面收縮率下降更顯著，不利于冷變形。鋼中錳含量適中，可改善鋼中硫的存在形態(tài)和分布，有利于提高鋼的冷成型性。
主要冷鐓鋼的牌號和成分見表1。
表1 各種冷鐓鋼的化學(xué)成分/%
|
生產(chǎn)廠 |
牌號 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Als |
|
馬鋼 |
SWRCH18A |
0.15~1.20 |
≤0.10 |
0.09~0.60 |
≤0.030 |
≤0.035 |
≥0.02 |
|
1018 |
0.15~1.20 |
≤0.10 |
0.09~0.60 |
≤0.040 |
≤0.050 |
- | |
|
ZL10A |
0.70~0.12 |
≤0.10 |
0.30~0.60 |
≤0.035 |
≤0.035 |
≥0.02 | |
|
ZL18A |
0.15~0.20 |
≤0.10 |
0.09~0.60 |
≤0.035 |
≤0.035 |
0.015~0.060 | |
|
湘鋼 |
XSWRCH10K |
0.06~0.12 |
0.05~0.20 |
0.25~0.05 |
≤0.030 |
≤0.030 |
- |
|
SWRCH35KC |
0.32~0.37 |
0.12~0.20 |
0.45~0.60 |
≤0.030 |
≤0.035 |
- | |
|
寶鋼 |
SWRCH35K |
0.32~0.38 |
0.10`0.35 |
0.60~0.90 |
≤0.030 |
≤0.035 |
- |
|
天鋼 |
SWRCH18A、SWRCH22A |
0.15~0.20 0.18~0.23 |
≤0.10 ≤0.10 |
0.60~0.90 0.70~0.10 |
≤0.030 ≤0.030 |
≤0.035 ≤0.035 |
≥0.02 ≥0.02 |
|
包鋼 |
ML35 ML42CrMo |
0.32~0.40 0.38~0.45 |
≤0.20 ≤0.30 |
0.30~0.60 0.50~0.80 |
≤0.035 ≤0.035 Cr0.90~1.20 |
≤0.035 ≤0.035 Mo0.15~0.25 |
- 0.02~0.05 Ni≤0.20 |
|
萊鋼 |
ML35 |
0.32~0.40 |
≤0.20 |
0.30~0.60 |
≤0.035 |
≤0.035 |
Cr、Ni、Cu≤0.20 |
|
石鋼 |
ML35、 ML40、 ML45 |
0.32~0.40 0.37~0.45 0.42~0.50 |
≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 |
0.30~0.60 0.30~0.60 0.30~0.60 |
≤0.035 ≤0.035 ≤0.035 |
≤0.035 ≤0.035 ≤0.035 |
Cr、Ni、Cu≤0.25 Cr、Ni、Cu≤0.25 Cr、Ni、Cu≤0.25 |
|
杭鋼 |
CH35ACR |
0.35~0.39 |
≤0.10 |
0.09~0.60 |
≤0.030 |
≤0.030 |
Cr0.20~0 |
|
太鋼 |
ML07A |
≤0.0.9 |
≤0.10 |
0.30~0.60 |
≤0.035 |
≤0.035 |
- |
|
ML20MnTiB |
0.17~0.24 |
≤0.30 |
1.30~1.60 |
≤0.035 |
≤0.035 |
B0.0005~0.003 Ti0.04~0.10 |
2.2冷鐓鋼的生產(chǎn)
冷鐓鋼生產(chǎn)的工藝流程：鐵水→轉(zhuǎn)爐→精煉爐→連鑄（模鑄）→鑄坯檢查→初軋開坯、連軋→鋼坯修磨→高線熱軋盤條→成品檢驗→入庫。
冶煉冷鐓鋼的關(guān)鍵是要提高鋼水的純凈度，降低鋼水的非金屬夾雜物的污染度。鋼水終點碳含量穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)是降低鋼水氧化程度和減少鋼水非金屬夾雜污染的主要措施。
2.2.1冷鐓鋼的冶煉工藝
在金屬制品生產(chǎn)中廣泛使用ML35和ML45冷鐓鋼，結(jié)合各鋼廠的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品開發(fā)，具體介紹ML35鋼的有關(guān)情況（表2）。
表2 ML35鋼的力學(xué)性能
|
項目 |
屈服強度σs/MPa |
抗拉強度σb/MPa |
延伸率δ5/% |
斷面收縮率ψ/% |
|
標(biāo)準(zhǔn) |
≥315 |
≥530 |
≥20 |
≥45 |
|
首鋼優(yōu)化目標(biāo) |
380 |
575 |
31 |
60 |
首鋼和包鋼用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)ML35鋼，萊鋼和江陰興澄用電弧爐生產(chǎn)ML35鋼。ML35鋼的生產(chǎn)按照GB6478-86標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，主要用于制造8.8級高強度標(biāo)準(zhǔn)件。
首鋼提出：ML35冷鐓鋼屈服強度平均值為380MPa，合格的屈服強度≥380MPa；ML35冷鐓鋼抗拉強度的平均值為576MPa，合格的抗拉強度≥576MPa；ML35冷鐓鋼斷面收縮率的平均值為56%，合格的面縮率≥56%。
首鋼和包鋼生產(chǎn)ML35冷鐓鋼采用80噸轉(zhuǎn)爐冶煉。包鋼造渣制度是用單渣法，供氧制度定氧壓、變槍位，終點控制是拉碳補吹，爐后增碳。裝入制度是造渣分批、多次加入，嚴(yán)格控制好過程溫度，防止鋼水過氧化。鋼包內(nèi)的鋼水在全程吹氬狀態(tài)下進(jìn)行精煉。用低級速到高級速逐漸提高升溫速度的方式加熱并適時加入造渣料，配加CaC215~30kg，Al粒25~50kg。在還原性氣氛下深脫硫，脫硫率平均為59.2%。
江陰興澄鋼鐵有限公司開發(fā)了ML35鋼并形成批量生產(chǎn)。30t電弧爐冶煉→40t鋼包爐精煉→R8m連鑄140方坯→坯料精整合格后軋制成材。該鋼廠為提供純凈度高、溫度、成分均勻合適的鋼水采取的措施：1）加強電弧爐出鋼過程及精煉前期預(yù)脫氧工作。電弧爐出鋼時順流加噸鋼1kg硅鋇，LF前期噸鋼喂0.3kg鋁絲，同時保證1600℃左右的精煉溫度，使脫氧產(chǎn)物有時間充分上浮。2）精煉后期補喂鋁絲，由于此時鋼水含氧量較低，補喂的鋁大部分以溶解鋁的形式存在于鋼中。3）加鋁完畢后再喂入噸鋼1kg硅鈣，能防止連鑄過程中的結(jié)瘤并改善夾雜物的形態(tài)和分布。
2.2.2連鑄保護(hù)澆注
鋼水連鑄用氬氣保護(hù)澆注，耐火材料建議使用鎂質(zhì)的耐火材料。最好采用中間包擋板過濾元件和管道陶瓷送氣管，去除連鑄鋼水的非金屬夾雜物。一般鋼水出精煉站后采用覆蓋劑保護(hù)，大包水口采用長水口氬封保護(hù)澆注，中包施行覆蓋劑保護(hù)，下水口采用浸入式水口加密墊片保護(hù)澆注，結(jié)晶器采用液面自動控制系統(tǒng)。優(yōu)化拉速、配水。采用電磁攪拌，優(yōu)點是穩(wěn)定地攪拌結(jié)晶器的鋼液有利于提高鑄坯的表面質(zhì)量，減少內(nèi)部裂紋和中心缺陷。
包鋼將溫度和成分合格的ML35鋼水用鑄機澆鑄成規(guī)格為280mm*325mm和280mm*380mm兩種鑄坯，中包鋼水達(dá)13噸時，壓塞棒開澆，結(jié)晶器采用同位素自動液面監(jiān)控裝置準(zhǔn)確控制鋼液面高度，防止溢鋼與漏鋼。澆鑄前期用進(jìn)口保護(hù)渣，后期改用自產(chǎn)保護(hù)渣。
江陰興澄開發(fā)生產(chǎn)高質(zhì)量連鑄坯，值得一提的關(guān)鍵技術(shù)措施是盡量減輕連鑄過程中鋼水的二次氧化并確保連鑄坯低倍表面質(zhì)量：
1）保護(hù)澆鑄：大包、中包、結(jié)晶器采用長水口、浸入式水口、覆蓋劑、保護(hù)渣。
2）采用設(shè)置擋渣堰的中包并使鋼水深度超過650mm，保護(hù)渣w(Al2O3)≤4%，使?jié)茶T過程中產(chǎn)生的Al2O3夾雜物被保護(hù)渣吸收并控制較低的拉速。
3）采用小振幅、高振頻的參數(shù)，并控制結(jié)晶器液面波動不超過+20mm（無液面控制系統(tǒng)）；保護(hù)渣采用預(yù)溶型顆粒，少加勤加。
4）中包鋼水過熱度在20~35℃以內(nèi)，為防止中包鋼水濕度波動過大，大包、中包加蓋澆鑄；優(yōu)化連鑄二冷制度，采取氣霧冷卻技術(shù)弱冷；拉速≤1.6m/min，矯直溫度≥950℃。
2.2.3軋制
首鋼第一型材廠使用130mm連鑄方坯試軋盤圓。該廠設(shè)備：加熱爐為三段式推鋼加熱爐；軋機為16架，其中粗軋8架，精軋8架；冷床為齒條步進(jìn)式。130mm連鑄方坯在加熱過程中嚴(yán)格控制加熱爐各段溫度，開軋溫度范圍在1038~1073℃，平均為1054℃。晶粒度為8.5級。為細(xì)化晶粒水冷，冷卻段長度12m，總流量234m3/h，穿水冷卻后鋼材平均溫度由終軋時的1130℃降為960℃。ML35的Φ18mm冷鐓鋼力學(xué)性能屈服強度σs364MPa、抗拉強度σb559MPa、延伸率δ528%，斷面收縮率ψ853%，基本上能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
萊鋼用下注法鑄錠（678kg）,鋼錠修磨后軋制成60mm*60mm方坯，再軋成盤圓。
3 冷鐓鋼的質(zhì)量熱點問題
高檔次標(biāo)準(zhǔn)件對原料的質(zhì)量要求如下：盤條具有較高的塑性指標(biāo)，斷面收縮率及延伸率較高；在冷塑性變形中，材料的變形抗力小，加工硬化率低，材料的σs/σb值��；盤條硬度HB適當(dāng)，不要過高；盤條具有良好的表面質(zhì)量，一定的表面光潔度,不允許有折疊、裂縫等表面缺陷；鋼的組織致密，無內(nèi)部缺陷。
湘鋼冷鐓鋼質(zhì)量有兩個主要工藝影響因素，即連鑄結(jié)晶器卷渣與線材料軋制過程中不均勻冷卻。結(jié)晶器卷渣形成大型夾雜，破壞了鋼的連續(xù)性；線材軋制過程中不均勻冷卻造成線材內(nèi)部晶粒尺寸相差懸殊。細(xì)晶粒只有3~4μm；而粗晶精粒可達(dá)50~60μm以上。粗晶粒與細(xì)晶粒區(qū)的顯微硬度相差50%。
太鋼對超低碳冷鐓鋼CH1T在冷鐓成型時出現(xiàn)缺陷的防范措施：1）控制1150~1200℃的較低鋼坯加熱溫度是控制鐵素體晶粒度的關(guān)鍵參數(shù)。同時，需嚴(yán)格控制盤條吐絲溫度在910~930℃之間，使盤條成品具有適中的晶粒度大小，以&, lt;, SPAN lang=EN-US twffan="done">6~6.5級為宜。2）提高盤條表面質(zhì)量。使用時通過調(diào)整拉拔變形量和在適當(dāng)?shù)墓ば虿捎孟鄳?yīng)的退火工藝，可改善冷鐓成型性能。
江蘇沙鋼冷鐓鋼熱軋線材控軋控冷結(jié)果表明，冷鐓鋼生產(chǎn)加熱溫度與低、中碳鋼相同，但加熱上嚴(yán)格控制爐壓，使?fàn)t膛氣壓保持微正壓3~10Pa，并適當(dāng)調(diào)整溫度，減少表面氧化而脫碳。實現(xiàn)開軋溫度930~950℃低溫軋制，防止奧氏體晶粒的粗大。選擇適當(dāng)?shù)耐陆z溫度820~840℃。減少氧化鐵的生成量，配上較低的冷卻速度0.8~2℃/s，使奧氏體分解轉(zhuǎn)變時間較長，以此獲得細(xì)小的鐵素體加少量均勻的珠光體。
最合適的冷鐓變形組織是碳化物球化組織，其強度和硬度降低，塑性較好有利于冷鐓變形。馬鋼以ZL18A自攻螺絲用冷鐓鋼絲，球化退火溫度為（680±10℃）保溫4h，鋼絲的滲碳體球化效果最好。ZL18A自攻螺釘用盤條冷鐓開裂，其原因是用戶省略了球化退火的工序，拉拔后直接冷鐓造成的。為滿足用戶的這種要求而提出的措施：C、Mn含量按中下限控制；負(fù)偏差軋制，減小拉拔的總變形量；改進(jìn)軋制工藝，降低盤條的強度，減少或避免魏氏組織。ML35、ML45為典型中碳冷鐓鋼絲，當(dāng)冷鐓變形量>60%時，在冷鐓前應(yīng)進(jìn)行720℃、保溫4h的球化退火，使珠光體球化組織達(dá)到4~6級，保證鋼絲的加工塑性。
4 結(jié)束語
我國冷鐓鋼的開發(fā)生產(chǎn)已取得了初步成果，但質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。了解和掌握國內(nèi)外冷鐓鋼的生產(chǎn)技術(shù)水平，在重鋼公司現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備條件下，借鑒其它鋼廠的成功經(jīng)驗，在生產(chǎn)過程中堅持優(yōu)化冷鐓鋼全部工序的工藝技術(shù)規(guī)程，進(jìn)行鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、鋼包精煉、連鑄機連鑄、加強坯料加熱、中間軋制、吐絲溫度控制，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，可以生產(chǎn)出市場要求性能的冷鐓鋼
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