優(yōu)化中碳合金冷鐓鋼線材球化退火工藝

1、優(yōu)化中碳合金冷鐓鋼線材球化退火工藝作者簡介:陳振芳(1961,高工,現(xiàn)從事產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計及新產(chǎn)品開發(fā)工作,上海市金屬學會熱處理專業(yè)委員會委員,聯(lián)系電話:26032425,189*,E-mail:陳振芳(寶山鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部,上海 200940摘要:介紹中碳合金冷鐓鋼線材對原材料的要求及其球化退火的重要性,中碳合金冷鐓鋼采用球化退火工藝實現(xiàn)軟化,其具有生產(chǎn)周期長、能量消耗多等特點。為了提高生產(chǎn)效率和線材質(zhì)量、保護環(huán)境、節(jié)省能源等,中碳冷鐓鋼軟化越來越受到鋼廠的重視。對此,我們開展了的研究工作,開發(fā)出大幅度縮短退火軟化時間的優(yōu)質(zhì)線材。對原球化退火工藝存在抗拉強度超標,合格率僅70%,通過3

2、種球化退火工藝試驗,探討中碳合金線材球化退火機制,并利用金相組織、抗拉強度和硬度指標說明球化退火的最佳工藝。關(guān)鍵詞:中碳合金冷鐓鋼線材;球化退火;抗拉強度Medium-Carbon Alloy Cold-Heading Steel Wire Rod withShort-Time AnnealingCHEN Zhenfang(Baoshan iron & steel Co Ltd, Special Steel Business Unit, Shanghai 200940, ChinaAbstract: To introduce the requirements of Medium-car

3、bon alloy cold heading steel wire rod and importance of spheroidizing annealing, Medium-carbon alloy cold-heading steel wire rod is softened by the spheroidizing annealing technology which has long cycle and excessive energy consumption. The softening gets more and more attention from steel companie

4、s in order to increase production efficiency and wire rod quality, protect environment, and save energy. Therefore, considerable efforts have been made to develop the high-quality wire rod which can shorten the annealing and softening time greatly. Through three spheroidizing annealing technology ex

5、periments. The mechanism of Medium-carbon alloy cold-heading steel wire rod spheroidizing annealing was discussed. And the optimum technology of spheroidizing annealing was illustrated by using metallographic structure, tensile strength and hardness index.Keywords: medium-carbon alloy cold-heading s

6、teel wire rod, spheroidizing annealing, tensile strength對于采用中碳鋼或中碳合金鋼來制造8.8級及以上的高強度緊固件,標準件的生產(chǎn)工藝:線材一球化退火一酸洗一磷化一皂化一拉拔一冷鐓一滾絲一表面檢查一熱處理(調(diào)質(zhì)處理一檢驗人庫。退火軟化的目的是獲得后續(xù)加工(拉拔和冷鐓等所需要的組織和力學性能,同時軟化造成的硬度下降可提高冷鐓用模具的使用壽命,故球化效果對冷鐓合格率影響很大。但這種離線球化退火軟化處理是緊固件制造過程中最為耗時、耗能的工序,周期約為30 h。鑒于此,我們開展了研究工作,以期可較大幅度縮短球化退火軟化時間工序,達到縮短生產(chǎn)周期、

7、降低能耗,同時提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、保護環(huán)境等目的。l 中碳冷鐓合金鋼線材對原材料的要求緊固件太多采用冷鐓工藝生產(chǎn),其中螺栓用量最大,它主要起著連接、緊固、定位以及密封機械構(gòu)件的作用。中碳合金冷鐓鋼線材主要用于制作10.912.9級高強、超高強度標準件。因為螺栓,尤其生產(chǎn)內(nèi)六角螺栓采用冷鐓工藝生產(chǎn),在冷鐓成型過程中,鋼材的原始組織會直接影響著冷鐓加工時的成形能力。冷鐓過程中局部區(qū)域的塑性變形可達60%80%,因此要求原材料的塑性好,硬度盡可能低。當鋼材的化學成分一定時,金相組織就是決定塑性優(yōu)劣的關(guān)鍵成形,而細小的球化體可顯著地提高鋼材塑性變形的能力。對珠光體含量較多的中碳合金鋼而言,在

8、冷鐓前必須進行球化退火,以便獲得均勻細致的球化體。2 中碳冷鐓合金鋼線材的球化退火工藝球化退火主要適用于含碳量大于0.6%的各種高碳工模具鋼、軸承鋼等。為改變冷變形工藝性有時也用于低、中碳鋼和合金鋼。球化退火后的硬度取決于鋼中碳及合金元素的含量.隨著鋼中含碳量升高,碳化物數(shù)量增加,退火后的硬度也相應(yīng)升高。細小均勻、圓形的碳化物分布在鐵素體基體上將使耐磨性、接觸疲勞強度、斷裂韌性得到改善與提高。球化碳化物的形狀及分布對于斷裂韌性有很大的影響。在相同的應(yīng)力條件下,球狀珠光體的裂紋擴展速率遠低于片狀珠光體組織。為提高球化退火效率,縮短球化時間,應(yīng)想辦法提高鐵碳原子的擴散速率。由圖1可知,中碳合金冷鐓

9、鋼熱軋線材的組織為細片狀珠光體、塊狀鐵素體及少量貝氏體,這種原料如果不進行球化退火,獲得塑性較好的粒狀珠光體組織,冷鐓時會出現(xiàn)大量裂紋,使殘次品增加,因而球化退火是標準件生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 圖1中碳合金冷鐓鋼熱軋線材的金相組織盤條經(jīng)過球化退火后,可獲得在鐵素體基體上分布球狀滲碳體的組織。球化退火工藝的依據(jù)是片狀滲碳體有向球狀滲碳體自發(fā)變化的趨勢,而小顆粒的球狀滲碳體又自發(fā)地向大顆粒球狀滲碳體聚焦,以減少碳化物總的表面積,從而使表面能降低,球化體易于形成。盤條材料在凝固過程中難免會形成樹枝偏析,即雜質(zhì)元素和合金元素的濃度在相鄰的條帶內(nèi)分布不均勻,形成帶狀組織。它將惡化鋼的冷鐓加工性能,也造成盤條

10、縱、橫向上性能的差異。如果是中碳鋼用普通球化退火即可糾正;對中碳合金鋼出現(xiàn)樹枝偏析,最好用等溫球化退火。對中碳鋼盤條而言,其加熱溫度多選擇在該鋼材臨界點上下保溫,加熱溫度一般不能太高,否則會產(chǎn)生二次滲碳體沿晶界析出,造成冷鐓開裂。而對于中碳合金鋼盤條采用等溫球化退火,在Ac1+(2030加熱后,爐冷到略低于Ar1溫度(約700等溫,然后爐冷至500左右出爐空冷。2.1 試驗材料和工藝設(shè)計了3種球化退火熱處理工藝,如圖2、圖3和圖4所示。因為不同規(guī)格的線材熱處理工藝相差不大,故選用SCM435,化學成分(質(zhì)量分數(shù),%為C:0.35,Si:0.27,Mn:0.68,P:0.010,S:0.002,

11、 Cr:1.03,Mo:0.21,Ni:0.05,Al:0.021,Cu:0.08,12 mm熱軋線材進行熱處理試驗研究。性能見表1。T/780710爐冷至500出爐t/h圖2工藝1T/770715爐冷至500出爐t/h圖3工藝2T /t /h圖4 工藝3表1 性能項目抗拉強度/Mpa 硬度/HRB 工藝11 610 852 620 85 工藝21 590 932 600 94 工藝3 1 50583 2530 832.2 快速球化退火軟化工藝制度的研究快速球化退火原理:在較短時間保溫使奧氏體中殘存大量未溶完的Fe 3C 顆粒,這些Fe 3C 顆粒在溶解過程中已趨于球化,同時使奧氏體中碳濃度不

12、均勻.存在許多高碳區(qū)和低碳區(qū),這樣過冷到A 1點以下,在較小的過冷度向珠光體轉(zhuǎn)變時,未溶解的殘余滲碳體便是現(xiàn)成的核,每個晶核獨自向四周長大,長成粒狀滲碳體,而在粒狀滲碳體周圍出現(xiàn)低碳的奧氏體,通過形核長大轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。這樣就形成了粒狀珠光體1。對中碳合金鋼在球化等溫退火中,等溫階段除了要保證盤條組織轉(zhuǎn)變完全外,調(diào)整等溫溫度是控制盤條硬度范圍的主要手段,為獲得良好的冷鐓性能,在組織均勻的前提下,中碳合金鋼硬度控制在8085 HRB 之間,且硬度散差越小越好。在等溫球化轉(zhuǎn)變過程中,如果轉(zhuǎn)變溫度過低.碳原予擴散比較困難,易于發(fā)生片狀珠光體的組織轉(zhuǎn)變,不利于球化。但轉(zhuǎn)變溫度在A r1以下非常接近A r

13、1時,會導致過冷度太小,轉(zhuǎn)變驅(qū)動力太小,轉(zhuǎn)變速度減慢,同時,滲碳體顆粒將會粗大使球化效果不佳.因此取715、710、700作為等溫溫度對球化效果的影響。保溫時間的適當延長會使球化更加充分,且使球化物長大。但時間過長780 700 爐冷至500出爐就會使?jié)B碳體顆粒長大,有形成片狀珠光體的趨勢。反而不利于冷鐓變形,且能源消耗過多,成本較高。2.3 結(jié)果和討論經(jīng)過三種球化退火工藝熱處理后,分別利用AXIOPLAN2顯微鏡、HBRVU-187.5布洛維三用硬度計, HR-150DT洛氏硬度試驗計和WAW-Y500萬能機進行組織觀察,強度及硬度測試。在780保溫22.5 h之后,爐冷至A r1以下某一溫

14、度T h等溫,T h不同,球化效果也不同。觀察幾組試樣分別在T h=700、710和715等溫的硬度,分析可知T h=700為最佳的等溫溫度,因為此時對應(yīng)的硬度最小,球化效果也最好。對于加熱溫度T m=780,等溫溫度T h=700都相同時,不同的等溫對間球化效果也不同。通過對T m=780、T h=700時,保溫時問不同對應(yīng)的硬度分析,確定最佳保溫時間為5 h。經(jīng)工藝三處理后的試樣組織如圖5所示。 圖5中碳合金冷鐓鋼線材球化退火的金相組織球狀珠光體比片狀珠光體的強度、硬度低,塑性好。亞共析鋼為了改善冷鐓、冷擠壓性能采用球化退火,使組織中的珠光體球化。通常細珠光體組織的球化速率要明顯高于粗珠光體組織。保溫時間必須合適,若時間過長,得到的球化組織不均勻;若保溫時間過短,原始組織中的片狀滲碳體難以破碎,達不到良好的球化效果。隨著保溫時間的延長,滲碳體球化率逐漸升高,均勻度也更好。時間過長,滲碳體容易長大,反而不利于冷鐓變形,且能源消耗過多,成本較高,故選定在工藝2高溫保溫22.5 h,亞溫保溫2.53 h為宜。3 結(jié)論(1通過