CN104014594A - 一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法 - Google Patents

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崔京玉
王立峰
陈京生
何勇
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Abstract

一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法，属于轧钢技术领域。工艺步骤如为：加热炉均热段温度控制在1110-1130℃之间，均热段保温时间控制在40-60min，保证合金元素得到均匀化扩散；精轧采用两段水箱对棒材进行冷却，第一段水箱温降控制在60-80℃，第二段水箱温降控制在20-40℃；880-920℃精轧，增加组织形变储存能，促进轧后形变奥氏体发生珠光体相变，同时保证径向温度的均匀性，提高组织均匀性；精轧后，水箱温降控制在60-70℃，上冷床温度785-800℃。优点在于，采用合适的控轧控冷工艺，实现对齿轮钢轧后组织和心部、边部组织差异的控制，解决了冷剪后侧向弯曲的问题，提高了棒材的成材率和轧钢车间的生产效率。

Description

一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法
技术领域
本发明属于轧钢技术领域，特别是提供了一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法。主要用于解决￠18-40mm规格的齿轮钢棒材由于组织应力造成的冷剪后侧向弯曲问题，适用于棒材车间的生产顺行和提高生产效率。
技术背景
合金钢棒材的侧性弯曲问题一直是困扰棒材车间稳定生产的难点，严重的情况下会造成停产，给钢厂和轧钢车间带来生产不畅的问题。这种弯钢大多数发生在冷剪定尺之后，在输送辊道上出现侧向弯曲，出现的钢中集中在低碳合金钢中如齿轮钢20CrMnTi、SAE8620、25MnV等。侧向弯曲是棒材产品冷剪后发生的向一侧弯曲的现象，一方面影响了产品的尺寸精度和用户的二次加工，另一方面，弯曲严重的会影响辊道输送，导致无法正常传送和打捆。
齿轮钢作为汽车和机械重载的传动部件，其特殊的使用要求其合金含量较高，以20CrMnTi为例，为保证其良好的淬透性，Mn、Cr等合金元素含量较高，这些虽然保证材料的热处理使用要求，但是在棒材厂生用过程中由于其合金含量较高，轧后组织的相变过程往往被推迟，再加之传统的生产工艺为保证合金元素的充分均匀化扩散和心部组织轧制过程中的焊合性，采用较高的加热温度，一定程度上造成了铸坯晶粒的粗化；同时为提高成材率、降低轧机消耗，往往采取较高的轧制温度，精轧温度在910℃以上，轧后穿水冷却，结果造成形变奥氏体组织粗大，合金钢珠光体相变过程往往被推迟，在冷床上珠光体相变还没有完成，组织转变进入贝氏体相区。同时轧材组织心(附图1)部和边部(附图2)差异很大，加之冷床上下温度的差异，加剧棒材通条上下表面出现很大的组织应力(附图3)，冷剪后，棒材出现侧向弯曲，出现这种问题，轧钢车间往往要对棒材进行矫直，增加工艺环节，效果不佳。关键问题是如何控制轧材心部和边部组织差异，减少贝氏体组织和组织应力，国内一些轧钢研究工作对此有过分析。唐钢现场通过优化轧钢工艺，细化奥氏体晶粒，实现了合金钢线材贝氏体组织的控制。东北大学刘相华教授，通过对合金齿轮钢连续冷却组织转变过程的分析，提出了控制组织出现贝氏体的临界工艺。在板带生产中，一直也存在边部冷却和热变形条件不当，造成板带出现波浪弯和边浪等问题，众多学者通过辊型控制，优化轧制和冷却工艺降低了弯钢出现的几率。东北大学王国栋院士也在解决板带不均匀冷却造成的板型方面做出了大量研究。众多研究都将弯曲归于冷却过程的不均匀，认为残余应力主要来源于热应力，以及冷却过程差异造成板型出现弯曲和波浪，但是很少有对组织应力进行深入分析，尤其是在合金钢棒材生产领域，解决冷剪后侧向弯曲方面，一直没有具体措施报道。
本研究采用合理的加热炉生产技术，通过调整步进速度和步进节奏，合理控制钢坯在加热炉不同加热段和保温段的时间，在步进周期30-45秒的情况下实现了在加热炉在高温1100-1130℃温度区间的保温40-60min的加热要求，一方面保证钢坯充分加热均匀，合金元素充分扩散，有保证加热后的钢坯的奥氏体晶粒度控制在200μm左右，防止加热时间过长和温度过高造成的组织异常长大，为后期轧制的组织细化奠定基础。另外充分发挥粗轧过程发挥脱头轧制辊道的作用，由于粗轧和中轧没有连轧关系，粗晶采用大压下，保证形变向心部组织的渗透，保证粗轧每道次心部变形量在50-60％左右，每道次心部组织充分动态再结晶充分，实现轧制过程的晶粒的反复再结晶细化。粗轧后采用脱头辊道上控制停留时间，控制在50s-60s之间，防止粗轧形变奥氏体的长大。精轧前后合理控制每段水箱的冷却强度，保证精轧温度和轧后冷速的同时，防止由于冷却水压不稳和湍流冷却不均造成的圆钢表面冷却温度的差异，精轧温度采用低温轧制和轧后适当冷却的方案，充分细化组织，形变再结晶晶粒尺寸控制在30-40μm，同时保证残余变形量以位错和形变储存能的方式保留在奥氏体中，为后期冷床上组织发生充分和珠光体相变提供前提。倍尺上冷床后，通过将轧后冷却控制上冷床的温度，同时通过控制冷床步进周期和各圆钢之间距离控制整个冷床温度场的冷却速率，不仅周期为8-15s，保证齿轮钢这种高合金钢在冷床上充分发生珠光体相变，防止冷剪定尺后残余奥氏体发生贝氏体相变，造成的组织应力的产生。合理控制冷剪定尺的温度，一方面控制此时参与奥氏体提含量控制在5-8％，降低后期贝氏体相变组织应力，另一方面保证在350℃以上冷剪定尺，防止出现齿轮钢硬度高造成冷剪定尺后端裂。
本研究充分利用了装备的能力，并将高合金钢组织细化和控制贝氏体相变组织应力充分考虑，在梳理出齿轮钢冷剪定尺后侧向弯曲的物理冶金原理后，通过棒材轧线的工艺参数，有效的解决了现场的实际问题，保证的生产的顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法，旨在解决了齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的问题，使冷剪后帮才能够顺利的打捆，满足用户的使用要求。
本发明主要解决中小规格齿轮钢棒材，由于组织应力造成的棒材在冷床上发生侧向弯曲，适用于棒材车间的生产，降低弯钢造成的收集不畅。具体工艺步骤如下：
1、加热炉均热段温度控制在1110-1130℃之间，均热段保温时间控制在40-60min，保证合金元素得到均匀化扩散。
加热炉均热段保温温度和保温时间，主要是保证连铸坯合金的均匀化扩散，降低由于枝晶偏析、中心偏析造成的组织转变不均匀，提高相变的一致性。加热段温度太高，会导致晶粒粗大，尤其是大规格棒材压缩比较小，造成轧制后晶粒粗大，相变过程被推迟。
2、精轧前采用两段水箱对棒材进行冷却，棒材红钢进水箱温度前控制在940-980℃，第一段水箱温降控制在60-80℃，第二段水箱温降控制在20-40℃。
两段水冷的冷却强度上又进行优化，第一段水箱强冷大温降，第二段水箱弱冷保证棒材径向温度的均匀性，提高表面和心部在随后轧制过程中组织细化和遗传均匀性。通过调整冷却器的参数，保证表面圆周温度差在30℃以内，降低由于冷却不均造成的影响。低温精轧，精轧温度控制在880-920℃，增加组织形变储存能，促进轧后形变奥氏体发生珠光体相变，同时保证径向温度的均匀性，提高组织均匀性。
3、精轧后，控制水箱开度，温降控制在60-70℃，上冷床温度785-800℃，冷却速率控制在1-1.5℃/s,冷剪定尺温度控制在350-400℃。
精轧后，采用强冷的水冷制度，保证形变储存能保存在基体中，细化形变奥氏体晶粒，促进组织转变过程的发生。
表1不同冷却速率下的相变温度和相变时间
珠光体相变开始温度℃ 珠光体相变结束温度℃
0.1℃/s 680 600
0.5℃/s 640 580
1℃/s 620 570
2℃/s 590 550
本发明对齿轮钢棒材侧向弯曲进行了系统深入的研究，通过对产线装备条件的分析，对合金钢棒材侧向弯曲现象背后深层的物理冶金和材料组织进行了系统研究，通过解决合金钢棒材组织均匀性和贝氏体组织转变过程的残余应力，实现了对合金钢棒材侧向弯曲的控制。
本发明的创造性在于，从组织控制角度深入解释了合金钢棒材残余应力的来源和控制方法，结合棒材产线的设备条件，提出了水冷和轧制工艺参数，非常适合棒材车间进行合金钢棒材的生产。
本发明的优点在于，采用合适的控轧控冷工艺，实现对齿轮钢轧后组织和心部、边部组织差异的控制，解决了冷剪后侧向弯曲的问题，提高了棒材的成材率和轧钢车间的生产效率。
附图说明
图1为冷剪后发生侧向弯曲的20CrMnTiH棒材心部组织
图2为冷剪后发生侧向弯曲的20CrMnTiH棒材边部组织
图3为冷剪后发生侧向弯曲的20CrMnTiH棒材，采用X射线测试的表面四点的应力分布差异
图4为采用该发明工艺方法，冷剪后20CrMnTiH棒材心部组织
图5为采用该发明工艺方法，冷剪后20CrMnTiH棒材边部组织
实施例1
本发明用于精棒车间在生产φ40规格齿轮钢棒材20CrMnTiH。
采用该发明的控轧控冷工艺方法，首钢精棒车间控制了棒材的心部、边部的组织差异，如附图4、附图5所示，解决了齿轮钢棒材20CrMnTi冷剪后侧向弯曲的问题，满足了用户的使用要求。
采用的措施：
(1)加热炉均热段温度控制在1110℃之间，均热段保温时间控制在60min，保证合金元素得到均匀化扩散。(2)精轧采用两段水箱对棒材进行冷却，第一段水箱温降控制在60℃，第二段水箱温降控制在20℃。低温精轧，增加组织形变储存能，促进轧后形变奥氏体发生珠光体相变，同时保证径向温度的均匀性，提高组织均匀性；(3)精轧后，水箱温降控制在60℃，上冷床温度800℃，冷却速率控制在1℃/s,冷剪定尺温度控制在400℃
实施例2
本发明用于精棒车间在生产φ18mm规格齿轮钢棒材20CrMnTiH。
(1)加热炉均热段温度控制在1130℃之间，均热段保温时间控制在40min，保证合金元素得到均匀化扩散。(2)精轧采用两段水箱对棒材进行冷却，第一段水箱温降控制在80℃，第二段水箱温降控制在40℃。低温精轧，增加组织形变储存能，促进轧后形变奥氏体发生珠光体相变，同时保证径向温度的均匀性，提高组织均匀性；(3)精轧后，水箱温降控制在70℃，上冷床温度785℃，冷却速率控制在1.5℃/s,冷剪定尺温度控制在350℃。

Claims (1)

1.一种解决齿轮钢棒材冷剪后侧向弯曲的方法，其特征在于，工艺步骤如下：
(1)加热炉均热段温度控制在1110-1130℃之间，均热段保温时间控制在40-60min，保证合金元素得到均匀化扩散；
(2)精轧采用两段水箱对棒材进行冷却，棒材红钢进水箱温度前控制在940-980℃，第一段水箱温降控制在60-80℃，第二段水箱温降控制在20-40℃；880-920℃精轧，增加组织形变储存能，促进轧后形变奥氏体发生珠光体相变，同时保证径向温度的均匀性，提高组织均匀性；
(3)精轧后，水箱温降控制在60-70℃，上冷床温度785-800℃，冷却速率控制在1-1.5℃/s,冷剪定尺温度控制在350-400℃。
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