CN111363975B - 一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轧制技术领域，涉及一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法。将钢坯在不高于1100℃温度经过1.5～2小时加热；精轧机组、mini机组采用不高于750℃的超低温度轧制；吐丝温度采用不高于750℃的超低温度；使盘条在斯太尔摩控冷线上的冷却速度不高于0.12℃/s。该工艺有效促进了先共析组织的析出，保证了过冷奥氏体在斯太尔摩控冷线上全部转变完成，有效防止了贝氏体及马氏体的转变，同时获得了铁素体晶粒度应不低于12级细晶组织，使中碳CrMo钢盘条在热轧态就有良好的拉拔性能，可进行一次减面率不低于30％的冷拉拔，为下游用户减少了一次球化退火的成本。

Description

一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控 冷方法

技术领域

本发明属于轧制技术领域，涉及一种中碳CrMo钢盘条的轧制及冷却方法，具体是一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的生产工艺。进一步涉及一种消除中碳CrMo钢盘条马氏体及贝氏体组织的控轧控冷方法。

背景技术

合金结构钢是指用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢，常见的合金元素包括Cr、Mo、Mn、V、B、Si、Ti、Ni、Cu等。合金结构钢由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比，较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性－脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。合金元素的作用有以下三个方面：

1、增大钢的淬透性。淬透性是指钢淬火时，从表层起淬成马氏体层的深度，是取得良好综合性能的主要参数。除Co外，几乎所有合金元素如Mn、Mo、Cr、Ni、Si和 C、N、B等都能提高钢的淬透性，其中Mn、Mo、Cr、B的作用最强，其次是Ni、Si、 Cu。而强碳化物形成元素如V、Ti、Nb等，只有溶于奥氏体中时才能增大钢的淬透性。

2、影响钢的回火过程。由于合金元素在回火时能阻碍钢中各种原子的扩散，因而在同样温度下和碳素钢相比，一般均起到延迟马氏体的分解和碳化物的聚集长大作用，从而提高钢的回火稳定性，即提高钢的抗回火软化能力，V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比较显著，Al、Mn、Ni的作用不明显。含有较高含量的碳化物形成元素如V、W、 Mo等的钢，在500～600℃回火时，析出细小弥散的特殊碳化物质点如V₄C₃、Mo₂C、 W₂C等，代替部分较粗大的合金渗碳体，使钢的强度不再下降反而升高，即出现二次硬化。Mo对钢的回火脆性有阻止或减弱的作用。

3、影响钢的强化和韧化。Ni以固溶强化方式强化铁素体；Mo、V、Nb等碳化物形成元素，既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度；碳的强化作用最显著。此外，加入这些合金元素，一般都细化奥氏体晶粒，增加晶界的强化作用。影响钢的韧性因素比较复杂，Ni改善钢的韧性；Mn易使奥氏体晶粒粗化，对回火脆性敏感；降低P、S含量，提高钢的纯净度，对改善钢的韧性有重要作用。

合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢两大类。

1、调质结构钢

这类钢的含碳量一般约为0.25％～0.55％，对于既定截面尺寸的结构件，在调质处理(淬火加回火)时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显微组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大。

2、表面硬化结构钢

用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件，如齿轮、轴等。为使零件心部韧性高, 钢中含碳量应低，一般在0.12～0.25％，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。氮化钢还需加入易形成氮化物的合金元素(如Al、Cr、Mo等)。渗碳或碳氮共渗钢，经850～950℃渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火(约200℃)状态下使用。氮化钢经氮化处理(480～580℃)，直接使用，不再经淬火与回火处理。

CrMo钢作为合金结构钢中的重要组成部分之一，属于典型的调质结构钢。CrMo 钢具有淬火性好、对回火脆性倾向少、高温加工性好、熔接性好、冲击的吸收性能好等优点，被广泛应用于紧固件、工具、机械杆轴等产品的生产加工。为保证加工产品的强度和硬度，同时保持适当的塑性，CrMo钢应用最为广泛的是碳含量在0.30～0.45％之间的中碳系列。

目前国内钢厂在生产中碳CrMo钢盘条时主要采用两种工艺：一种是普通低温控轧结合轧后常规缓冷，其控轧温度多数在800～850℃，轧后则采用关闭斯太尔摩控冷线上保温罩的常规缓冷方案(通常开启前1个后2个保温罩，其它关闭)。此种工艺条件下，斯太尔摩控冷线的保温时间、最低冷却速率无法满足中碳CrMo钢在控冷线内完全转变，盘条离开控冷线时仍有一定比例的过冷奥氏体未转变，随后转变为贝氏体或马氏体，热轧盘条获得的显微组织通常为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的混合组织，此种热轧盘条无法直接进行拉拔加工，须先进性球化退火。另一种是常规轧制结合轧后先风冷后缓冷的方案，该方案可以使热轧盘条获得以珠光体和贝氏体为主的显微组织，但是由于贝氏体塑性不佳的限制，热轧盘条在拉拔过程中会存在拉拔断裂、拉拔后表面产生横向裂纹等问题，仍难以满足不退火先拉拔的需求。

如何使中碳CrMo钢盘条在热轧态就有良好的拉拔性能，能进行一次减面率不低于30％的冷拉拔，为下游用户减少了一次球化退火的成本，这是一个急需解决的技术问题。因此，还需对中碳CrMo钢盘条的控轧控冷工艺作深入研究，进一步优化控轧控冷工艺，促进先共析组织的转变，同时创造条件降低轧后的冷却速率，在有效消除热轧盘条贝氏体及马氏体组织的同时，还能获得了铁素体晶粒度应不低于12级细晶组织。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法，采用该工艺方法可有效消除热轧盘条显微组织中的贝氏体和马氏体，同时获得了铁素体晶粒度应不低于12级细晶组织，使中碳CrMo钢盘条在热轧态就有良好的拉拔性能，为下游用户减少了一次球化退火的成本，也减少了能源消耗和环境污染。

一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法，工艺包括：加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、斯太尔摩控冷线缓冷，步骤如下：

(1)钢坯通过加热炉加热，在不高于1100℃温度加热1.5～2小时；

进一步，优选的加热温度在1000～1100℃；

(2)轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度不高于750℃；

进一步，优选的轧制温度在720～750℃；

(3)精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格，mini机组轧制温度不高于750℃，终轧温度不高于800℃；

进一步，优选的轧制温度在720～750℃，终轧温度770～800℃；

(4)终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度不高于750℃；

进一步，优选的吐丝温度在730～750℃；

(5)吐丝成圈后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，控冷线上所有保温罩关闭，保温罩之间的缝隙用隔温材料密封，使盘条在控冷线上的冷却速度不高于0.12℃/s；

进一步，优选的的冷却方式为：所述冷却速度为0.10～0.12℃/s，保温时间25～30分钟，冷却至520℃以下空冷。

所述盘条化学成分按照质量百分数计为C：0.33～0.38％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.60～0.90％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr：0.90～1.20，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo：0.15～0.35％， Al：0.020～0.040％，其余为铁和不可避免的杂质。

下面对本发明的主要工艺控制过程，对消除中碳CrMo钢盘条马氏体及贝氏体组织的影响做详细叙述。

将钢坯在不高于1100℃温度经过1.5～2小时加热，使钢中铸态组织完全奥氏体化，但不造成奥氏体晶粒明显长大；精轧机组、mini机组采用不高于750℃的超低温度轧制，形成较多的位错，降低奥氏体稳定性，同时使盘条组织中积蓄较多的组织转变能，为先共析组织的形核和转变提供良好的条件；吐丝温度采用不高于750℃的超低温度，使盘条吐丝后随即进入铁素体转变温度；控冷线上所有保温罩关闭，保温罩之间的缝隙用隔温材料密封，使盘条在斯太尔摩控冷线上的冷却速度不高于0.12℃/s。该工艺有效促进了先共析组织的析出，保证了过冷奥氏体在斯太尔摩控冷线上全部转变完成，获得了铁素体晶粒度应不低于12级细晶组织，且有效防止了贝氏体及马氏体的转变，使中碳CrMo 钢盘条在热轧态就有良好的拉拔性能，为下游用户减少了一次球化退火的成本，也减少了能源消耗和环境污染。

钢坯加热：采用断面160mm*160mm连铸方坯，通过蓄热式加热炉加热，其中保证坯料在1000～1100℃温度条件下的加热时间为1.5～2小时，使钢中铸态组织完全奥氏体化，具备高速线材轧钢生产线的轧制要求，但不造成奥氏体晶粒明显长大。如果加热温度低于1000℃，则无法使钢完全奥氏体化，也不具备热轧条件；如果温度高于1100℃或加热时间超过2小时，则会增加奥氏体晶粒度的长大速度，奥氏体晶粒粗大后稳定性提高，不利于先共析组织的转变，进而影响到过冷奥氏体在斯太尔摩控冷线上的充分转变，导致盘条下线后转变成贝氏体或马氏体。同时，随着加热时间的延长，中碳CrMo 钢脱碳层深度也会明显增加，不利于产品的调质和质量。

粗中轧和预精轧机组轧制：加热后的钢坯进入粗中轧机组连轧，以保证粗中轧机组轧制过程轧件都处于充分奥氏体化的状态，以保证轧制过程顺利进行。粗中轧为基础变形阶段，对控制热轧盘条最终的显微组织无影响。

精轧机组轧制：粗中轧机组轧制后的轧件进行穿水冷却，轧件随后进入精轧机组轧制，控制进入精轧机组的温度在720～750℃。

在720～750℃温度条件下，轧件随着精轧机组的轧制变形，形成较多的位错，降低奥氏体稳定性，同时使盘条组织中积蓄较多的组织转变能，为先共析组织的形核和转变提供良好的条件。如果轧制高于750℃温度，随轧制变形积蓄的组织转变能将明显降低，对后期先共析铁素体析出的驱动能不足，不利于过冷奥氏体在有限的斯太尔摩控冷线上完全转变；如果低于720℃温度，由于中碳CrMo钢的变形抗力太大，行业内精轧机组将无法轧制。

mini机组轧制：精轧后的轧件进入mini机组轧制为盘条成品规格，mini机组轧制温度控制在720～750℃，终轧温度770～800℃。

在720～750℃温度条件下，轧件随着mini机组的轧制变形，形成较多的位错，降低奥氏体稳定性，同时使盘条组织中积蓄较多的组织转变能，为先共析组织的形核和转变提供良好的条件。如果轧制高于750℃温度，随轧制变形积蓄的组织转变能将明显降低，对后期先共析铁素体析出的驱动能不足，不利于过冷奥氏体在有限的斯太尔摩控冷线上完全转变；如果低于720℃温度，由于中碳CrMo钢的变形抗力太大，行业内mini 机组将无法轧制。

采用精轧机组和mini机组组合轧制的方案，由于精轧机组和mini机组有冷却水箱，可以减少连续轧制导致的轧件升温，以保证轧件过程轧制温度都满足温度要求，同时可以缓解因连续轧制造成的轧件心部温度过高问题。

精轧机组、mini机组均为美国摩根公司生产的，对于中碳合金钢的最低轧制温度为 720℃。轧件累计压下率≥50％。

吐丝：终轧后盘条通过吐丝机成圈，通过水箱水冷将吐丝温度控制在730～750℃，该温度刚好进入先共析组织转变，使先共析铁素体能充分析出及转变。

控冷：轧后盘条的控冷在斯太尔摩控冷线上实现，控冷线上所有保温罩关闭，保温罩之间的缝隙使用隔温材料密封(如石棉布)，使盘条在控冷线上的冷却速度控制在 0.10～0.12℃/s，该冷却速度条件下先共析铁素体可充分析出，使盘条显微组织中的过冷奥氏体尽可能多的向铁素体转变。随着温度的降低，铁素体转变完成后，过冷奥氏体开始向珠光体转变，由于盘条仍处于超低冷却速率条件，过冷奥氏体在有效的斯太尔摩控冷线上充分转变完成。冷却速度越低越利于过冷奥氏体向铁素体和珠光体的充分转变，但斯太尔摩控冷线增加隔温材料密封条件下缓冷的极限就是0.10℃/s，难以更缓慢；而冷却速度超过0.12℃/s时，由于斯太尔摩控冷线长度是有限的，盘条下线后仍有过冷奥氏体存在，进而在下线后转变为贝氏体和马氏体。

本发明的优点：本发明控轧控冷后CrMo钢盘条具有良好拉拔性能，该拉拔性能是指在不退火的热轧盘条可以满足下游用户进行一次减面率不低于30％的冷拉拔。本发明无需改变生产工艺路线，无需进行设备改造，通过优化精轧机组、mini机组的控轧温度，优化轧后吐丝温度，并采用石棉和棉花复合的隔温材料将控冷线保温罩之间的缝隙密封提高保温效果，从而达到控轧和控冷的有效结合。本发明提供的控轧控冷工艺有效促进了先共析组织的析出，超缓冷的冷却条件保证了过冷奥氏体在有限的斯太尔摩控冷线上全部转变为铁素体和珠光体，同时获得了铁素体晶粒度不低于12级细晶组织，有效防止了贝氏体及马氏体的转变，使中碳CrMo钢盘条在热轧态就有良好的拉拔性能，可满足一次减面率不低于30％的冷拉拔，为下游用户减少了一次球化退火的成本，提高了生产效率，也减少了能源消耗和环境污染。

附图说明

图1为实施例1生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

图2为实施例2生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

图3为对比例1生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

图4为对比例2生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

图5为对比例3生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

图6为对比例4生产的中碳CrMo钢盘条的显微组织图。

具体实施方式

以中碳CrMo钢SCM435盘条(Φ8.0mm)的生产为例说明：

SCM435具体成分如下：

Wt，％

牌号

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Mo

Al

SCM435

0.33-0.38

0.15-0.35

0.60-0.90

≤0.030

≤0.030

0.90-1.20

≤0.25

≤0.30

0.15-0.35

0.020-0.040

轧钢工艺流程：蓄热式加热炉—粗中轧和预精轧机组—精轧机组—mini机组—吐丝机—斯太尔摩控冷线关闭保温罩增加隔温材料缓冷—打捆。其中未作限定的条件为常规条件。

实施例1

1、钢坯加热：

钢坯成分C：0.35％，Si：0.19％，Mn：0.65％，P：0.013％，S：0.012％，Cr：0.98％，Ni：0.07％，Cu：0.08％，Mo：0.20％，Al：0.023％。

将断面160mm*160mm连铸方坯在1020～1060℃温度下加热2.0小时。

2、控制轧制

粗轧开轧温度930～960℃，轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度721～740℃，精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ8.0mm，mini机组轧制温度722～739℃，终轧温度772～789℃。

3、吐丝

终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度730～750℃。

4、控制冷却

吐丝成圈后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，控冷线上所有保温罩关闭，并增加石棉布密封保温罩之间的缝隙，使盘条在控冷线上的实际冷却速度为0.105℃/s。

图1为实施例1生产的SCM435盘条的显微组织图。由图1可见盘条显微组织为铁素体和珠光体，无贝氏体或马氏体，铁素体晶粒度13级。

实施例2

1、钢坯加热：

钢坯成分C：0.38％，Si：0.28％，Mn：0.85％，P：0.015％，S：0.016％，Cr：1.11％，Ni：0.09％，Cu：0.04％，Mo：0.30％，Al：0.030％。

将断面160mm*160mm连铸方坯在1040～1100℃温度下加热1.6小时。

2、控制轧制

粗轧开轧温度950～990℃，轧件进入精轧机组轧制，精轧机组轧制温度728～746℃，精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格Φ8.0mm，mini机组轧制温度725～741℃，终轧温度782～798℃。

3、吐丝

终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度730～750℃。

4、控制冷却

吐丝成圈后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，控冷线上所有保温罩关闭，并增加石棉布密封保温罩之间的缝隙，盘条在控冷线上的实际冷却速度为0.11℃/s。

图2为实施例2生产的SCM435盘条的显微组织图。由图2可见盘条显微组织为铁素体和珠光体，无贝氏体或马氏体，铁素体晶粒度12级。

本发明提供的控轧控冷工艺有效防止了贝氏体及马氏体的转变，使中碳CrMo钢盘条在热轧态铁素体晶粒度不低于12级。无需球化退火处理，后续进行冷拉拔的减面率不低于30％。为下游用户减少了一次球化退火的成本，提高了生产效率，也减少了能源消耗和环境污染。

对比例1

对比例1与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤2控制轧制中精轧机组轧制温度721～740℃替换为780～800℃，mini机组轧制温度722～739℃替换为780～ 800℃，其他条件同实施例1。

图3为对比例1生产的SCM435盘条的显微组织图。对比例1得到的盘条显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体。

对比例2

对比例2与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤3吐丝中的吐丝温度730～750℃替换为800～850℃，其他条件同实施例1。

图4为对比例2生产的中碳冷镦钢盘条的显微组织图。对比例2得到的盘条显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体。

对比例3

对比例3与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤4控制冷却中的斯太尔摩控冷线保温罩全部开启，其他条件同实施例1。

图5为对比例3生产的中碳冷镦钢盘条的显微组织图。对比例3得到的盘条显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体+马氏体。

对比例4

对比例4与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1步骤2控制轧制中的精轧机组轧制温度替换为760～780℃，mini机组轧制温度替换为760～780℃，终轧温度替换为800～820℃。，其他条件同实施例1。

图6为对比例4生产的中碳冷镦钢盘条的显微组织图。对比例4得到的盘条显微组织为铁素体+珠光体，但铁素体晶粒相对粗大，铁素体晶粒度为9～10级。

将上述对比例1-4的热轧态盘条进行冷拉拔，根据下游用户实际使用经验，对比例1-4的热轧态盘条在不退火的情况下不能直接拉拔。且尝试拉拔至减面率达到20％，此时拉拔钢丝表面便会出现不同程度的裂纹或直接拉拔断裂，冷拉拔性能非常差。

本发明实施例1、实施例2与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4盘条显微组织检测结果如图1～图6，显微组织检测标准为GB/T 13299，铁素体晶粒度检测标准为 GB/T6394。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法，其特征在于，所述盘条化学成分按照质量百分数计为C：0.33~0.38%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.60~0.90%，P≤0.030%，S≤0.030%，Cr：0.90~1.20，Ni≤0. 25%，Cu≤0.30%，Mo：0.15~0.35%，Al：0.020~0.040%，其余为铁和不可避免的杂质；

所述控轧控冷方法为：加热炉加热、精轧机组轧制、mini机组轧制、吐丝、斯太尔摩控冷线缓冷，步骤如下：

（1）钢坯通过加热炉加热，在1000～1100℃温度加热1.5～2小时；

（2）进入精轧机组轧制，精轧机组入口温度为720～750℃；

（3）精轧机组轧制后的轧件进入mini机组轧制成盘条成品规格，mini机组入口温度为720～750℃，终轧温度为770～800℃；

（4）终轧后盘条通过吐丝机成圈，吐丝温度为730～750℃；

（5）吐丝成圈后在斯太尔摩控冷线上控制冷却，使盘条在控冷线上的冷却速度不高于0.12℃/s。

2.根据权利要求1所述的热轧态可直接进行拉拔加工的中碳CrMo钢盘条的控轧控冷方法，其特征在于：步骤（5）中所述冷却速度为0.10～0.12℃/s。

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