CN102233364A - 一种马氏体气阀钢棒材的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对马氏体气阀钢盘园进行表面预处理，流程为：碱洗→冲水→硫酸酸洗→冲水→混合酸酸洗→冲水→石灰水中和→吹干→上皮膜剂和润滑剂进行润滑处理→吹干；(2)在联合拉拔机组上将步骤(1)所得盘园生产成棒材，流程为：开卷和预矫→轻拉→剪切→二辊矫直→棒材捆收集，其中所述轻拉工序中的冷变形量小于15％，拉拔速度≤35m/min。本发明解决了部分马氏体气阀钢品种盘矫开卷断裂的生产难题，按轻拉工艺生产+高精度磨光的马氏体气阀钢棒材，其表面质量和性能完全满足国内外用户的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及钢材领域，具体地说，本发明涉及一种马氏体气阀(银亮)钢棒材的生产方法。
背景技术
马氏体气阀钢属于马氏体型热强钢，是制造各类内燃机的进气阀与排气阀的主要材料之一，主要用于低负荷排气阀、中高负荷进气阀及排气阀杆，工作温度一般在750℃以下。马氏体气阀钢的特点是：碳含量在0.4％以上，同时添加了适量Cr、Si、Mo、V元素(其中，C元素用于提高钢的强度和耐磨性；Cr、Si、Mo、V元素用于提高抗氧化性和热强性)。
马氏体气阀钢，一般分成中碳和高碳两类，中碳马氏体气阀钢的碳质量百分比为0.4-0.5％，典型牌号如4Cr9Si2、5Cr8Si2、4Cr9Si3、4Cr10Si2Mo等；高碳马氏体气阀钢的碳质量百分比为0.8-0.9％，典型牌号如85Cr18Mo2V等。
钢铁制造商生产的马氏体气阀钢成品，交货状态一般为φ5-14mm的棒材(磨光)，马氏体气阀钢成品棒材的“表面质量和外形尺寸”必须达到：表面不得有裂纹、折迭、结疤等缺陷，公差精度h11以上，表面粗糙度Ra≤1.6μm，弯曲度≤1mm/m。说明：气阀的制造技术是热镦工艺，对钢材的表面质量和外形尺寸要求非常高。
目前，马氏体气阀钢棒材的常规生产工艺流程为：冶炼→钢锭开坯→盘园(热轧+退火热处理)生产→冷加工→检验→入库。详述如下：
1、冶炼工艺常规采用电弧炉冶炼+钢包精炼，生产出合格钢锭。
2、钢锭开坯：采用常规的初轧(或锻造)开坯，生产出合格钢坯(160方)。
3、盘园(热轧+退火热处理)生产：采用常规的热加工工艺(通过线材轧机轧制盘园)，轧制后的盘园进行及时退火处理。
4、冷加工：将热轧退火态盘园加工成直线条棒材，其中常采用盘园开卷矫直、磨光工序：
(a)盘园开卷矫直：钢材从转毂式矫直机转毂中交错分布的矫直模块中穿过，旋转的矫直模块对钢材进行螺旋形的反复压弯从而达到矫直目的(工作示意图见图1)。根据生产工艺要求，矫直后棒材的直度须达到≤0.5mm/m，为了保证达到工艺要求，矫直机组的转毂转速须达到1000r/min以上；同时，由于马氏体气阀钢的屈服强度很高(一般均在600Mpa左右)，因此矫直模块对钢材必须具有尽可能大的压下量。
(b)磨光：经矫直后直度≤0.5mm/m的棒材，通过无芯磨床进行外园磨光，单边磨削量一般为0.2～0.3mm，磨光后的棒材的成品规格和公差应符合交货要求(公差精度h11以上，表面粗糙度Ra≤1.6μm，弯曲度≤1mm/m)。
5、探伤检验：经过磨光后的棒材采用涡流探伤机进行表面探伤，将深度超过0.10mm的缺陷剔除。
经过冷加工后的磨光棒材，最后经外形尺寸的检验合格后入库。
以上述工艺生产马氏体气阀钢棒材成品时，主要存在以下问题：盘园开卷矫直时，经常会出现“矫断现象”，其原因在于：
1、由于马氏体气阀钢的特点(塑性差，表面缺陷敏感性强)，矫直过程中的高频次(转毂转速1000r/min以上)、大压下量的反复压弯，容易在材料表面的细小缺陷处诱发裂纹；
2、马氏体气阀钢生产过程中的一些质量不稳定因素(有些因素不可避免，如：成分中增加钢冷脆性的杂质元素P含量偏高、盘园表面局部的缺陷未完全清除、退火过程中冷却不及时，以及盘形不整、乱丝和弯折引起的放线不畅)，都会加速裂纹的扩展，从而导致开卷矫直时出现断裂。
频繁出现的“矫断”现象，不仅使计划产量无法完成，成材率也会大幅降低，表1统计了平均每卷的矫断次数与盘矫成材率的对应关系。
表1马氏体气阀钢盘园平均每卷的矫断次数与盘矫成材率的对应关系
| 矫断次数 | ≤1次 | 1.6次 | 6次 | ≥10次 |
| 盘矫成材率 | 98.31％ | 97.02％ | 95.86％ | ≤90％ |
生产统计显示，4Cr9Si3等中碳气阀钢的盘矫成材率一般为95-97％，平均每卷矫断2.5次；而85Cr18Mo2V等高碳气阀钢在开卷时断裂情况十分严重，无法正常生产。
为减缓4Cr9Si3等中碳气阀钢的“矫断”现象，曾采用转毂转速较低的盘园矫直机组，或减小矫直模块对钢材的压下量，虽然减少了矫直过程中的矫断次数，但是，矫直后的棒材直度无法达到工艺要求(直度≤0.5mm/m)，导致棒材成品不能达到标准要求(公差精度h11以上，表面粗糙度Ra≤1.6μm，弯曲度≤1mm/m)。
为满足85Cr18Mo2V等高碳气阀钢的生产要求，曾尝试改用热轧棒材(代替热轧退火态盘园)作为坯料，冷加工采用“传统的棒材冷拔方式”，可以制造出符合标准要求(公差精度h11以上，表面粗糙度Ra≤1.6μm，弯曲度≤1mm/m)的棒材成品；但是，其生产效率十分低下(生产工序多，一般需要15个工序；“盘园开卷矫直+磨光”的冷加工工艺，只需3个工序)，成材率也较低(除了正常的磨削损耗外，每支棒材一端须轧尖用于拉拔时引头，拉拔后端部需要切除120-150mm)
综上所述，本发明的目的在于，设计一种马氏体气阀钢棒材的冷加工生产方法，不仅保持了较高的生产效率(基本达到“盘园开卷矫直”冷加工工艺的生产效率)，同时，棒材的直度达到工艺要求(直度≤0.5mm/m)；而且，可有效避免马氏体气阀钢盘园生产棒材时的矫直断裂问题。满足马氏体气阀钢棒材的生产要求。
发明内容
本发明提供一种马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对马氏体气阀钢盘园进行表面预处理，流程为：碱洗→冲水→硫酸酸洗→冲水→混合酸酸洗→冲水→石灰水中和→吹干→上皮膜剂和润滑剂进行润滑处理→吹干；
(2)在联合拉拔机组上慢速拉拔，将步骤(1)所得盘园生产成棒材，流程为：开卷和预矫→轻拉→剪切→二辊矫直→棒材捆收集，其中所述轻拉工序中的冷变形量小于15％，拉拔速度最高为35m/min。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，在所述步骤(1)中，所述碱洗工序中碱液中含2-10g/100ml的高锰酸钾，2-10g/100ml的氢氧化钠；碱液温度为80-100℃；碱洗时间≥2小时。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，在所述步骤(1)中，所述硫酸酸洗工序中硫酸浓度为17-21％，硫酸亚铁含量≤80g/L；酸液温度为50-100℃；酸洗时间为5-60分钟。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，在所述步骤(1)中，所述混合酸酸洗工序中混合酸酸液的成分为HF∶HNO3∶H2O＝5∶15∶80；酸液温度为室温；酸洗时间≤5分钟。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，在所述步骤(1)中，所述上皮膜剂和润滑剂工序中
皮膜剂溶液的控制：草酸盐溶度3-5％，溶液PH值为1-3；
皮膜剂浸渍温度和时间：皮膜剂温度控制60-100℃，浸渍时间10-15分钟；
润滑剂溶液的控制：皂液溶度10-15％，溶液PH值为8-9；
润滑剂浸渍温度和时间：润滑剂温度控制在60-100℃，浸渍时间1-5分钟。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，所述步骤(2)中，所述轻拉工序中的冷变形量为5-15％；轻拉用模具的几何尺寸为入口角60°、润滑锥36°、工作锥16～18°、定径带4～7mm；所述轻拉采用慢速拉拔，拉拔速度≤35m/min。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，所述步骤(2)中，所述二辊矫直工序中，二辊机组的上下辊角度为12-17°，上下辊压力为600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度≤0.5mm/m。
根据本发明的马氏体气阀钢棒材的生产方法，优选的是，对步骤(2)所得棒材采取退火软化处理，然后再次二辊矫直，更优的是，所述退火软化工序中，先随炉升温，退火温度为550-750℃，保温5-15小时后炉冷或空冷；所述再次二辊矫直工序中，二辊机组的上下辊角度为12-17°，上下辊压力为600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度≤0.5mm/m。
本发明的技术方案主要包括盘园表面预处理、轻拉开卷、以及退火软化处理三部分。具体内容如下：
1、盘园表面预处理
马氏体气阀钢的变形抗力大，为了保证后续拉拔顺利，必须采取良好的表面润滑处理，尽可能减小拉拔过程中的摩擦系数，以降低拉拔时的变形抗力。由于马氏体气阀钢属于耐热钢范畴，表面的氧化皮非常致密，一般联合拉拔机组上采用的在线喷丸无法有效清除马氏体气阀钢表面的氧化皮。因此，轻拉之前必须对热轧退火盘园进行专门的离线表面预处理，即先进行碱洗和酸洗来去除氧化皮，再进行润滑处理。
表面预处理流程如下：
碱洗→冲水→硫酸酸洗→冲水→混合酸酸洗→冲水→石灰水中和→吹干→上皮膜剂和润滑剂→吹干
主要工艺要点如下：
(1)碱洗工艺
碱洗处理目的：由于马氏体气阀钢的氧化皮非常致密，直接进行酸洗无法将氧化皮彻底清除。而通过碱洗使不溶于酸的低价氧化物被氧化成易溶于酸的高价氧化物，同时致密的氧化层变得疏松而易于酸洗。
碱液的成分控制：高锰酸钾的含量控制在2-10g/100ml，氢氧化钠含量控制在2-10g/100ml；
碱洗温度和时间：碱液的温度控制在80-100℃，盘园在碱液中浸洗时间不少于2小时。
(2)硫酸酸洗工艺
硫酸酸洗目的：去除表层疏松的氧化皮；
硫酸酸液的成分控制：硫酸浓度为17-21％，硫酸亚铁含量不大于80g/L；
硫酸酸洗温度和时间：酸液温度控制50-100℃，硫酸酸洗时间5-60分钟。
(3)混合酸酸洗工艺
混合酸酸洗目的：彻底清除氧化皮，使钢材表面洁净；
混合酸酸液的成分控制：HF∶HNO3∶H2O＝5∶15∶80；
混合酸酸洗温度和时间：混合酸在室温下使用，酸洗时间不超过5分钟。
(4)上皮膜剂和润滑剂工艺
皮膜剂溶液的控制：草酸盐溶度3-5％，溶液PH值为1-3；
皮膜剂浸渍温度和时间：皮膜剂温度控制60-100℃，浸渍时间10-15分钟。
润滑剂溶液的控制：皂液溶度10-15％，溶液PH值为8-9；
润滑剂浸渍温度和时间：润滑剂温度控制在60-100℃，浸渍时间1-5分钟。
经过表面预处理的马氏体气阀钢盘园拉拔前不需要进行在线喷丸处理，可直接进行拉拔。
2、轻拉开卷生产工艺
经过表面预处理后的盘园，在联合拉拔机组上进行轻拉生产。联合拉拔机组通常是采用盘园作坯料进行高速连续拉拔，最高拉拔速度可达120m/min，在生产结构钢、弹簧钢、轴承钢棒材方面显示出极高的效率，主要生产步骤如下：
开卷和预矫→拉拔→剪切→在线矫直→棒材捆收集
不过，由于马氏体气阀钢的变形抗力大、塑性差，连续拉拔的难度非常大(国内相关的马氏体气阀钢生产企业从未进行过相关的尝试)。因此，在拉拔过程中，冷变形量和变形速度控制的十分重要，采用轻拉生产方式(较小的变形量和变形速度)有利于降低变形抗力，确保连续拉拔的顺利进行，具体生产控制要点如下：
(1)轻拉生产
根据对各类马氏体气阀钢退火盘园的塑性指标检测分析，最大的冷变形量理论上可以达到15-20％。但实际生产中，由于受到成分和退火质量、表面缺陷以及成品性能等因素的制约，实际生产中，冷变形量控制范围在5-15％之间，可以确保拉拔顺利和拉拔过程中不发生断裂。
(2)模具要求
马氏体气阀钢轻拉所使用的模具内表面质量要求：无砂眼、划伤、凹坑、环形沟槽等缺陷，用金刚砂研磨膏进行精抛，其表面光洁度达到镜面要求。
轻拉用模具的几何尺寸：入口角60°、润滑锥36°、工作锥16～18°、定径带4～7mm；
(4)拉拔速度和矫直参数控制
马氏体气阀钢的轻拉开卷须采用慢速拉拔，拉拔速度不超过35m/min。同时，通过调整模具的水平轴(X轴)和垂直轴(Y轴)的角度，使经轻拉和剪切后的棒材的直度≤3mm/m；
剪切后的棒材通过在线的二辊机组进行精矫，二辊机组的上下辊角度控制在12-17°，上下辊压力600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度要求≤0.5mm/m，符合马氏体气阀钢棒材的生产工艺要求。
3、退火软化处理
由于马氏体气阀钢热轧坯料的不圆度一般在0.10mm以上，且波动比较大。采取小变形量工艺拉拔时，钢材周向应力的不均匀性相对比较大。当坯料的不圆度越大，拉拔变形量越小时，钢材周向应力的不均匀性就越大，轻拉后矫直的难度也越大。
因此，当坯料的不圆度较大、轻拉变形量比较小时，在线矫直后的直度较难达到≤0.5mm/m。对于这种情况，可以采取轻拉后进行退火软化处理，以消除冷拔应力，适当降低硬度，然后重新进行二辊矫直。
退火软化处理的主要工艺要点如下：
轻拉后的棒材在矩形罩式炉进行退火的，矩形罩式炉的有效尺寸是高1-2m，长度3-6.5m，宽度1-2m，沿长度方向二侧采用天然气烧嘴进行加热，最大装炉量20吨。退火软化的控制要求为：先随炉升温，退火温度为550-750℃，保温5-15小时后炉冷或空冷。一般装炉量5-10吨时，保温时间可采用5-10小时；装炉量15-20吨时，保温时间须延长到10-15小时；而常规使用的退火温度范围为600-700℃。
退火后重新进行二辊矫直时，二辊机组的上下辊角度控制在12-17°，上下辊压力600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度达到≤0.5mm/m。
本发明的有益效果为：
1、马氏体气阀钢通过轻拉生产方式进行开卷，一方面使盘园冷加工过程中因断裂导致的材料损失得以避免，另一方面后续的磨削损耗相应减少，因此轻拉开卷的平均成材率比盘矫开卷提高5％左右；
2、通过轻拉工艺的实施，使85Cr18Mo2V等高碳气阀钢也可以采用盘园作为坯料进行高效生产，替代传统棒材坯料进行冷拔生产的工艺，生产工序减少10道，成材率可提高4～5％。
附图说明
图1为滑动模转毂矫直机简图，其中1-送料辊、2-转毂、3-孔模、4-引料辊。
具体实施方式
以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1：
85Cr18Mo2V棒材的生产，炉号：752-2928，化学成分见表2。
表2实施例1中85Cr18Mo2V钢的化学成分
| 元素 | C | Mn | P | S | Si | Cr | Mo | V |
| 含量％ | 0.86 | 0.19 | 0.019 | 0.010 | 0.23 | 17.18 | 2.02 | 0.35 |
坯料的制备：电弧+钢包精炼→锻造开坯→锻坯退火→盘园轧制→盘园退火处理。
盘园退火处理后：硬度HB244-249；塑性指标：延伸率16-20％
85Cr18Mo2V冷加工生产工艺：
φ12.2碱洗(高锰酸钾含量8g/100ml、氢氧化钠含量9g/100ml、碱液温度90℃、浸泡8小时)→硫酸洗(浓度20％，硫酸亚铁含量20g/L、酸液温度90℃、浸渍40分钟)→二酸酸洗(配比HF∶HNO3∶H2O＝5∶15∶80、室温下浸渍4分钟)→上皮膜剂(草酸盐溶度5％、浸渍15分钟)→上润滑剂(皂液溶度15％、温度90℃、浸渍4分钟)→轻拉φ11.8棒材(变形量6.5％)→退火处理(装炉量10吨，随炉升温到600-650℃，保温10小时后空冷)→矫直→磨成品φ11.5→表面探伤
轻拉后的棒材硬度为：HB260-266；退火后的棒材硬度为：HB229-234，符合技术条件规定的硬度≤300HB的交货要求。
通过轻拉开卷的成材率为99.5％，最终成材率为90％，比采用棒材坯料进行冷拔生产的成材率提高5％。
实施例2
4Cr9Si3棒材的生产，炉号：751-0852；化学成分见表3。
表3实施例2中4Cr9Si3钢的化学成分
| 元素 | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Cu |
| 含量％ | 2.99 | 0.36 | 0.15 | 0.03 | 2.99 | 8.62 | 0.14 | 0.11 |
坯料的制备：电弧+钢包精炼→初轧开坯→退火→盘园轧制→盘园退火处理。
4Cr9Si3的冷加工生产工艺：
φ7.1碱洗(高锰酸钾含量3g/100ml、氢氧化钠含量5g/100ml、碱液温度85℃、浸泡4小时)→硫酸洗(浓度18％，硫酸亚铁含量40g/L、酸液温度90℃、浸渍6分钟)→二酸酸洗(配比HF∶HNO3∶H2O＝5∶15∶80、室温下浸渍2分钟)→上皮膜剂(草酸盐溶度3％、浸渍10分钟)→上润滑剂(皂液溶度10％、温度90℃、浸渍2分钟)→轻拉φ6.75棒材(变形量9.6％)→磨成品φ6.4→表面探伤
盘园坯料退火后的硬度：HRC22-23；
轻拉后棒材的HRC25-28，符合标准规定的18～30HRC的交货要求。
轻拉后棒材的直度≤0.5mm/m，轻拉开卷的成材率为99％。
轻拉生产工艺的实施开发了气阀钢银亮材一条新的生产方式，解决了部分马氏体气阀钢品种盘矫开卷断裂的的生产难题，按轻拉工艺生产+高精度磨光的马氏体气阀钢棒材，其表面质量和性能完全满足国内外用户的使用要求。
Claims (10)
1.一种马氏体气阀(银亮)钢棒材的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对马氏体气阀钢盘园进行表面预处理，流程为：碱洗→冲水→硫酸酸洗→冲水→混合酸酸洗→冲水→石灰水中和→吹干→上皮膜剂和润滑剂进行润滑处理→吹干；
(2)在联合拉拔机组上慢速拉拔，将步骤(1)所得盘园生产成棒材，流程为：开卷和预矫→轻拉→剪切→二辊矫直→棒材捆收集，其中所述轻拉工序中的冷变形量小于15％，拉拔速度≤35m/min。
2.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，在所述步骤(1)的所述碱洗工序中碱液含2-10g/100ml的高锰酸钾，2-10g/100ml的氢氧化钠；碱液温度为80-100℃；碱洗时间≥2小时。
3.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述硫酸酸洗工序中硫酸浓度为17-21％，硫酸亚铁含量≤80g/L；酸液温度为50-100℃；酸洗时间为5-60分钟。
4.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述混合酸酸洗工序中混合酸酸液的成分为HF∶HNO3∶H2O＝5∶15∶80；酸液温度为室温；酸洗时间≤5分钟。
5.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，在所述步骤(1)的所述上皮膜剂和润滑剂工序中
皮膜剂溶液的控制：草酸盐溶度3-5％，溶液PH值为1-3；
皮膜剂浸渍温度和时间：皮膜剂温度控制60-100℃，浸渍时间10-15分钟；
润滑剂溶液的控制：皂液溶度10-15％，溶液PH值为8-9；
润滑剂浸渍温度和时间：润滑剂温度控制在60-100℃，浸渍时间1-5分钟。
6.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述轻拉工序中的冷变形量为5-15％；轻拉用模具的几何尺寸为入口角60°、润滑锥36°、工作锥16～18°、定径带4～7mm；所述轻拉采用慢速拉拔，拉拔速度≤35m/min。
7.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述二辊矫直工序中，二辊机组的上下辊角度为12-17°，上下辊压力为600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度≤0.5mm/m。
8.如权利要求1所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，对步骤(2)所得棒材采取退火软化处理，然后再次二辊矫直。
9.如权利要求2所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，所述退火软化工序中，先随炉升温，退火温度为550-750℃，保温5-15小时后炉冷或空冷。
10.如权利要求2所述的马氏体气阀钢棒材的生产方法，其特征在于，所述再次二辊矫直工序中，二辊机组的上下辊角度为12-17°，上下辊压力为600-1200Mpa，二辊矫直后的棒材直度≤0.5mm/m。
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