高强紧固件用10B21 冷镦钢的生产

2020-10-21曹二转宋素格陈占杰杨晓奇李伟石杰

河南冶金 2020年4期

曹二转宋素格陈占杰杨晓奇李伟石杰

（安阳钢铁股份有限公司）

0 引言

高强度紧固件制造一般在拉拔、冷镦前需要进行退火处理，以降低材料的强度和硬度，提高塑性，避免材料加工开裂。然而，对材料进行退火处理在增加生产成本的同时还会带来环境污染，因此，紧固件制造行业迫切希望钢铁企业能够生产可直接拉拔、冷镦的免退火冷镦钢线材。从文献资料可知，钢中添加提高淬透性的硼，降低钢中的Mn、Cr、Si 等提高淬透性合金元素和降低碳含量，使得线材轧态的硬度降低，从而间接地改善钢的冷加工性能[1]，轧制时采用TMCP 工艺，利用形变诱导铁素体相变轧制和低温轧制相结合的加工方法，得到铁素体加珠光体和少量颗粒状碳化物组织，使其具有良好的综合力学性能。热轧态低碳硼钢的强度和冷成形性与经退火后的中碳钢或中碳合金钢相当[2]，因此，热轧态低碳硼钢可省去球化退火处理工序，用来制造 6.8 ～10.9 级结构用紧固件。

为了适应市场需求，满足用户要求，安钢在SWRCH35K 和ML40Cr 冷镦用钢基础上，研制开发的高强度紧固件用低碳含硼钢10B21，通过调整材料的成分、在摩根六代高速线材轧机上采用TMCP 轧制工艺，控制钢材所需的组织及性能，达到钢材直接拉拔、冷镦的免退火要求。

1 化学成分设计

1.1 C、Si 含量

C 元素作为决定机械性能的主要元素，强度随着C 含量的增加而提高，冷镦性能下降。Si 能提高钢的强度和硬度，降低其塑性和韧性。冷镦钢的冷镦性能随着硅含量的增加而下降。因此，在化学成分体系设计上，在SWRCH35K 和ML40Cr的基础上降低了C 含量和Si 含量，将C 含量控制在0.18%～0.23%，Si 含量控制在0.10%以下。

1.2 Mn 含量

Mn 在钢中起到固溶强化的作用。对于冷镦钢，过高的Mn 含量将大幅提高钢材的强度，不利于钢材的冷成形；Mn 含量合适，则可以改善钢中S 的存在形态和分布，提高钢材的冷成形性。结合实际情况，将Mn 含量控制在1.00%以下。

1.3 B 及其他合金元素

B 对钢的淬透性的影响，主要是指“有效硼”的影响，即除去结合成氧化物或氮化物以外的溶解在奥氏体中的（或化学上自由的） B。而B 和钢中的O、N 均有较强的亲和力，结合生成B2O3、BN 等夹杂物，降低钢中“有效硼”的含量，从而影响B 元素对钢的淬透性作用。研究认为[3]：钢中微量的有效硼（0.001%～0.003%）能大大提高钢的淬透性,有效硼含量在0.002 5%时效果最大。

不仅如此，BN 在晶界析出沉淀，这种析出物很细小，连续钉扎在奥氏体和基体变形处，降低了晶界的流动性，使再结晶温度提高。由于再结晶受阻，晶界不能迁移，应力在晶界处集中而不能消除，从而引起晶界脆化，使钢的裂纹敏感性增加。有研究表明，在含硼钢铸坯表面较易产生边角裂纹[4]。故在关键技术上，改变传统单一Mn合金元素固溶强化机理，通过在钢中加入微量合金元素Ti，充分利用Ti 的固氮作用（因TiN 比BN更稳定），既保证了B 的有效淬透性，又改善了B对铸坯质量的影响。另外，可以通过TiC 的固溶强化来提高钢的强度。

Al 是作为一种脱氧剂和晶粒细化剂被加入到钢中的，可以提高钢在低温下的韧性等。它在高温时易与钢液中的自由 N 结合，形成AlN 颗粒，优先在奥氏体晶界处析出。而细小的AlN 颗粒会钉扎晶界，降低奥氏体的迁移率，从而降低材料的高温塑性。有资料表明[5]，当钢中的Al 含量为0.020%～0.040%时，低碳钢的塑性最好。同时，钢中Al 含量过高，在钢中形成高熔点的夹杂物不易上浮，将使钢水的流动性变差，同时水口容易结瘤而影响浇注的顺利进行，故钢中的Al 含量应尽量控制在0.020%～0.040%之间。

综上考虑，设计了低碳含硼冷镦钢的化学成分体系，具体见表1。

表1 高强度紧固件用低碳含硼钢10B21 成分体系 %

2 生产工艺

采用的工艺路线为：100 t 转炉－LF 精炼－150 mm×150 mm 方坯－高线轧机。生产的产品规格为Φ6.5 mm －Φ20 mm。

高强度紧固件用低碳含硼钢10B21 盘条主要制作强度为10.9 级螺栓、螺母和内六角螺钉等标准件。生产工艺关键点：（1）转炉采取高拉碳工艺。控制炉前出钢[C]含量不低于0.08%。依据[C][O]平衡积可知，在[C]含量低时，则意味着钢水中[O]含量的上升，随着钢中[O]含量升高，会对Ti、B、Al 成分的稳定性造成严重影响，造成合金消耗增多，钢液中的脱氧产物增多；同时后期补加增碳剂会进一步增加钢液中的N 含量，为保证Ti、B、Al 成分的稳定控制，就必需保证出钢[C]含量，出钢过程中加入硅铝铁和铝块进行脱氧，为精炼炉冶炼创造有利条件。（2）精炼合金的加入。由于Ti 元素容易与O 结合生成Ti2O3，其熔点高，若在钢液中析出，通常会上浮到钢液表面，被钢渣吸附；若留在钢液中，则是夹杂物。不仅如此，Ti 与O的结合也会降低Fe-Ti 合金吸收率，导致生产成本增加。因此，应在钢水脱氧良好的状态下加入钛铁，即通常在Al 脱氧后采用Ti 固氮，最后加入B。（3）连铸采取保护浇铸，通过长水口氩封保护浇铸，防止钢水二次氧化，避免水口结瘤；防止B 与N2结合生成BN，降低钢中“有效硼”含量。（4）轧制工艺控制。在TMCP 工艺基础上，采用形变诱导铁素体相变轧制和低温轧制相结合的加工方法，将开轧温度控制在960 ℃以下，精轧温度控制在780 ～840 ℃，在奥氏体和铁素体两相区进行大变形量轧制，形变诱导奥氏体发生动态相变，奥氏体在变形过程中析出铁素体，即形变诱导铁素体相变，增加组织中铁素体的量，同时，随着变形量的增大，奥氏体中的位错和亚结构密度增加，C 易于在铁素体-奥氏体界面以及奥氏体晶界、位错处富集，在随后的冷却过程中，晶粒细小含C 量高的过冷奥氏体转变成珠光体和少量颗粒状碳化物，最终得到铁素体+珠光体和少量颗粒状碳化物组织，实现冷镦钢线材在线软化。（5）轧制装备。在轧制装置上，为避免工艺装备对低碳冷镦钢造成的划伤，设计了一种新型滚动下弯块，将原有下弯块更换成导轮，改变了盘条与滑块之间的摩擦方式，解决了由于划伤而造成盘条在冷镦过程中的开裂。