CN112779404A - 一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，包括如下步骤：（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，将开坯后的钢坯进行轧制，钢坯轧制后以5‑10℃/s的速率冷却至550～600℃，随后在辊道冷却线上一直保温到300‑350℃集卷，得到待等温球化退火件；（2）等温球化退火：将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在700‑720℃温度下，等温保温时间为4～5h，然后随炉冷却至500～550℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；（3）组织检验。本发明所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，工艺步骤设置合理，在球化退火前先进行轧制，实现碳化物的在线直接球化，可大幅度减少球化退火时间，等温球化退火提高了球化质量，节能、环保、低成本，前景广泛。

Description

一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺
技术领域
本发明属于汽车遮阳板模具技术领域，具体涉及一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺。
背景技术
紧固件（也称为标准件），是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。紧固件的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的程度极高。紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大。
其中，对于用于制造10.9、12.9级的紧固件用冷镦钢，由于对强度级别、疲劳性能和耐延迟断裂性能提出严格要求，普遍还是使用Cr、Mo合金钢系列，且在后续的工艺中需通过球化退火工艺对材料进行软化处理，以便进行冷镦成形，然后进行调质处理获得性能优良的紧固件。
目前，紧固件用冷镦钢大多还是采用原材料离线后的球化退火工艺来提高冷镦钢的塑性变形能力。一般是钢厂提供热轧盘条，标准件厂进行后续的球化退火处理，但由于中碳合金钢的冷镦性能不能完全满足要求，造成生产合格率较低，冷镦出现表面裂纹、掉头而产生大量残次品的现象。因此，需要研发出一种适用于用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，具有较高的附加值，具有广泛的应用前景。
中国专利申请号为 CN201921491019.5公开了一种便于上下料的紧固件线材球化退火装置，通过球化退火炉底座与退火炉左上罩、退火炉右上罩组合形成球化退火炉，左上罩和右上罩方便横移打开，方便紧固件线材上下料，提高球化退火效率，没有对紧固件的等温球化退火工艺进行改进。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，简单、可操作性强，工艺步骤设置合理，在球化退火前先进行轧制，实现碳化物的在线直接球化，可大幅度减少球化退火时间，等温球化退火提高了球化质量，节能、环保、低成本、高效益，具有广泛的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，将开坯后的钢坯进行轧制，钢坯轧制后以5-10℃/s的速率冷却至550～600℃，随后在辊道冷却线上一直保温到300-350℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在700-720℃温度下，等温保温时间为4～5h，然后随炉冷却至500～550℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
本发明所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，用于高强度紧固件生产的钢坯为冷镦钢，因为冷镦钢具有钢材利用率高、机械性能好、适宜自动化生产等优点，目前仍然是高强度紧固件的主要成形方式，因而，这要求冷镦钢具有足够小的变形抗力和足够高的变形能力，除了冷作强化非调质钢和低碳硼钢等钢种以外，按照传统冶金生产工艺流程生产的高强度紧固件用冷镦钢，必须在冷成形之前对材料进行球化退火处理，使材料软化。球化退火的目的是得到弥散的碳化物均匀分布在铁素体基体上的球化体组织，这种组织具有最佳的塑性和最低的硬度。
本发明在球化退火前先进行轧制，首先对连铸后的钢坯进行开坯，目的是通过改变开坯处的加热温度与加热时间有效控制连铸后的钢坯的框型偏析和中心偏析，然后在轧制过程中通过控制开轧温度、终轧温度及吐丝温度，控制钢坯的奥氏体晶粒尺寸及长大，最后轧后冷却过程得到的盘条室温组织为贝氏体+少量珠光体碳体较均匀的分布在基体上，实现碳化物的在线直接球化，可大幅度减少球化退火时间，将有利于后续等温球化退火。
在等温球化退火过程中，先在700-720℃温度下保温4～5h，可使得片层组织中渗碳体片通过自身溶穿、溶断，并长大成球状，然后在亚温温度保温后炉冷至500～550℃，再出炉空冷，在炉冷过程中，溶断的渗碳体颗粒自发球化，温度冷却到500度左右，碳化物即球化完全，如果继续停留在炉中冷却，反而使得大颗粒碳化物吞食小颗粒球化长大，导致小颗粒碳化物溶解直至消失，既达到了缩短球化退火时间的目的，又能较大幅度提高球化质量。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述步骤（1）中的开坯，开坯加热温度为1100-1130℃，加热时间为5～7h。
本发明所述开坯参数设置合理，在开坯时提高加热温度至1100～1130℃，并且延长加热时问至5～7h，使连铸后的钢坯的枝晶问偏析元素(C、Mn等)扩散均匀，从而达到奥氏体均匀化，有利于后续球化退火。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述步骤（1）中的轧制，轧制过程中的开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为875～895℃，吐丝温度为800～815℃。
本发明所述轧制参数设置合理，轧制过程中的开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为875～895℃，吐丝温度为800～815℃，从而控制了开坯后的钢坯奥氏体晶粒的尺寸及长大，避免异常晶粒的出现。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查。
在等温球化退火开始前，本发明先进行碳化物网状检查，保证所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，有利于后续等温球化退火。本发明可以通过SEM显微组织形貌图，利用Image-Pro Plus 6．0的图像对比度增强功能，减少甚至消除检查过程中的主观性。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述步骤（3）中电阻炉的温度控制系统是采用PID 控制算法进行控制的。
温度是等温球化退火工艺最重要的控制因素，本发明中PID 控制算法进行电阻炉的温度控制，具有结构简单、易于实现、可靠性高的优点。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述电阻炉内设置有温度传感器，温度传感器通过模拟量输入模块向PLC输入电阻炉内实时温度数据。
电阻炉内的温度与等温球化退火效果以及安全生产息息相关，温度传感器设置于电阻炉内内，用于检测电阻炉内内的温度信息，温度信息过模拟量输入模块向PLC输入电阻炉内实时温度数据，并且PLC上传至上位机，进行实时显示与储存，可以使操作人员实时了解电阻炉内的运行情况，并且对温度做出迅速的调整，提高了效率、质量。
进一步的，上述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述PID 控制算法，具体包括如下步骤：
（1）在 Simulink 中建立变论域模糊 PID 预测控制器，利用 OPC Toolbox 中的OPC 读写模块与 WINCC 建立数据连接，获取 WINCC 从 PLC 中采集到的电阻炉内实时温度数据，MATLAB根据整定公式，对电阻炉温度控制系统的开环动态响应中的特征参数进行整定，得出实时 PID 参数值；
（2）经OPC通讯将上述实时PID 参数值写入WINCC的变量中，WINCC 再将所述实时PID 参数值经 Profibus DP通讯实时写入 PLC 的 PID 连续控制器中；
（3）PLC 将PID控制器输出值送到模拟量输出模块控制电阻炉的执行器进行温度控制动作。
为了解决在电阻炉温度控制中存在的大惯性、时滞性、非线性、时变性对系统带来超调量大、调解时间长、系统震荡、发散等一系列问题，本发明采用变论域模糊 PID 预测控制器，所述变论域模糊 PID 预测控制器构造了温度误差值和 PID 连续控制器的调整参数之间的相关函数，使PID 连续控制器的控制参数随误差值的变化而做出相应改变，实时调节比例、积分、微分环节的作用程度，经PID 控制原理的闭环控制减小被控对象的时间常数后，再对其具有滞后的环节进行预测控制。这样不仅满足系统对控制精度的要求还避免了系统的超调现象，同时解决了模糊 PID 参数自整定算法存在的自适应能力差、控温精度差的问题，并使其具备了较好的跟踪性能和较强的抗干扰能力。其中，整定公式是Ziegler 和Nichols 提出的整定公式。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，工艺步骤设置合理，在球化退火前先进行轧制，通过改变开坯处的加热温度与加热时间有效控制连铸后的钢坯的框型偏析和中心偏析，通过控制开轧温度、终轧温度及吐丝温度，控制钢坯的奥氏体晶粒尺寸及长大，轧后冷却后，室温组织为贝氏体和少量珠光体碳体较均匀的分布在待等温球化退火件基体上，实现碳化物的在线直接球化，可大幅度减少球化退火时间，将有利于后续等温球化退火；
（2）本发明所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述等温球化退火达到了缩短球化退火时间的目的，又能较大幅度提高球化质量；
（3）本发明所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，采用PID 控制算法进行电阻炉的温度控制，易于实现、可靠性高，解决了在电阻炉温度控制中存在的大惯性、时滞性、非线性、时变性对系统带来超调量大、调解时间长、系统震荡、发散的一系列问题。
具体实施方式
下面将实施例结合具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
以下实施例1、2、3、4、5提供了一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，所述步骤（3）中电阻炉的温度控制系统是采用PID 控制算法进行控制的。
进一步的，所述电阻炉内设置有温度传感器，温度传感器通过模拟量输入模块向PLC输入电阻炉内实时温度数据。
进一步的，所述PID 控制算法，具体包括如下步骤：
（1）在 Simulink 中建立变论域模糊 PID 预测控制器，利用 OPC Toolbox 中的OPC 读写模块与 WINCC 建立数据连接，获取 WINCC 从 PLC 中采集到的电阻炉内实时温度数据，MATLAB根据整定公式，对电阻炉温度控制系统的开环动态响应中的特征参数进行整定，得出实时 PID 参数值；
（2）经OPC通讯将上述实时PID 参数值写入WINCC的变量中，WINCC 再将所述实时PID 参数值经 Profibus DP通讯实时写入 PLC 的 PID 连续控制器中；
（3）PLC 将PID控制器输出值送到模拟量输出模块控制电阻炉的执行器进行温度控制动作。
本发明采用变论域模糊 PID 预测控制器，所述变论域模糊 PID 预测控制器构造了温度误差值和 PID 连续控制器的调整参数之间的相关函数，使PID 连续控制器的控制参数随误差值的变化而做出相应改变，实时调节比例、积分、微分环节的作用程度，经PID控制原理的闭环控制减小被控对象的时间常数后，再对其具有滞后的环节进行预测控制。这样不仅满足系统对控制精度的要求还避免了系统的超调现象，同时解决了模糊 PID 参数自整定算法存在的自适应能力差、控温精度差的问题，并使其具备了较好的跟踪性能和较强的抗干扰能力。其中，整定公式是Ziegler 和 Nichols 提出的整定公式。
实施例1
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，开坯加热温度为1100℃，加热时间为5h；将开坯后的钢坯进行轧制，轧制过程中的开轧温度为1080℃，终轧温度为880℃，吐丝温度为800℃；钢坯轧制后以6℃/s的速率冷却至550℃，随后在辊道冷却线上一直保温到320℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查，确保所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在700℃温度下，等温保温时间为5h，然后随炉冷却至500℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
实施例2
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，开坯加热温度为1100℃，加热时间为5.5h；将开坯后的钢坯进行轧制，轧制过程中的开轧温度为1050℃，终轧温度为890℃，吐丝温度为810℃；钢坯轧制后以8℃/s的速率冷却至560℃，随后在辊道冷却线上一直保温到320℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查，确保所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在710℃温度下，等温保温时间为4.5h，然后随炉冷却至500℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
实施例3
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，开坯加热温度为1130℃，加热时间为5～7h；将开坯后的钢坯进行轧制，轧制过程中的开轧温度为1050℃，终轧温度为895℃，吐丝温度为800℃；钢坯轧制后以7℃/s的速率冷却至600℃，随后在辊道冷却线上一直保温到350℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查，确保所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在720℃温度下，等温保温时间为4h，然后随炉冷却至530℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
实施例4
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，开坯加热温度为1120℃，加热时间为6.5h；将开坯后的钢坯进行轧制，轧制过程中的开轧温度为1050℃，终轧温度为875℃，吐丝温度为815℃；钢坯轧制后以10℃/s的速率冷却至590℃，随后在辊道冷却线上一直保温到330℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查，确保所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在720℃温度下，等温保温时间为5h，然后随炉冷却至500℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
实施例5
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，开坯加热温度为1120℃，加热时间为5～7h；将开坯后的钢坯进行轧制，轧制过程中的开轧温度为1050℃，终轧温度为890℃，吐丝温度为815℃；钢坯轧制后以5℃/s的速率冷却至580℃，随后在辊道冷却线上一直保温到310℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查，确保所述待等温球化退火件不具有粗大而成封闭的网状碳化物组织，将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在720℃温度下，等温保温时间为4h，然后随炉冷却至500℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
效果验证：
按照下述标准对由上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5得到的等温球化退火件进行性能试验。
（1）维氏硬度测试：按照GB4340-1989规定，在FM-700数显显微硬度计上测定，在载荷1009f作用下，压入试样表面，经荷载时间5s卸除负载后，计量所保留压痕的两对角线长度，并由此得出显微硬度值。每个试样在其表面选择5个点，并去除第一个点和波动较大的点，然后求取平均值作为试样的维氏硬度值。
（2）拉伸实验：在由上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5得到的等温球化退火件中、头、J按照GB/2975-82分别取样，进行相应的热处理工艺后按照GB/T228-2002加工成标准拉伸试样。拉伸实验在SANS微机控制电子万能试验机上进行，实验过程中保持稳定、应力状态、加载速度恒定。定，此外，试样表面应光滑，以避免由于缺口而造成的应力集中，同时夹紧试样，保证试样轴线方向与所受载荷方向一致，不能倾斜或产生偏心。实验在大气压力和室温环境中进行，夹头移动速率为2mm/min。利用引伸计测定试样的屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率，并计算屈强比。
表1样品性能测试结果
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
硬度（HV） 190.230 192.681 194.232 191.562 193.204
屈服强度(Mpa) 450.03 451.24 453.21 457.36 456.26
抗拉强度(Mpa) 623.15 633.20 634.08 635.01 634.27
伸长率（%） 29.261 29.452 29.875 29.014 29.722
断面收缩率（%） 72.321 73.304 73.687 74.015 73.987
屈强比 0.722 0.713 0.715 0.720 0.719
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）轧制：对连铸后的钢坯进行开坯，将开坯后的钢坯进行轧制，钢坯轧制后以5-10℃/s的速率冷却至550～600℃，随后在辊道冷却线上一直保温到300-350℃集卷，得到待等温球化退火件；
（2）等温球化退火：将上述待等温球化退火件放入电阻炉内，在700-720℃温度下，等温保温时间为4～5h，然后随炉冷却至500～550℃后，出炉空冷至室温，得到等温球化退火件；
（3）组织检验：由质量技术部门进行上述等温球化退火件的规格、成分进行检验，合格后方可投入高强度紧固件的生产。
2.根据权利要求1所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的开坯，开坯加热温度为1100-1130℃，加热时间为5～7h。
3.根据权利要求1所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的轧制，轧制过程中的开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为875～895℃，吐丝温度为800～815℃。
4.根据权利要求1所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，在将所述待等温球化退火件放入电阻炉前，对待等温球化退火件先进行碳化物网状检查。
5.根据权利要求1所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，所述步骤（3）中电阻炉的温度控制系统是采用PID 控制算法进行控制的。
6.根据权利要求5所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，所述电阻炉内设置有温度传感器，温度传感器通过模拟量输入模块向PLC输入电阻炉内实时温度数据。
7.根据权利要求6所述的用于高强度紧固件的等温球化退火工艺，其特征在于，所述PID 控制算法，具体包括如下步骤：
（1）在 Simulink 中建立变论域模糊 PID 预测控制器，利用 OPC Toolbox 中的 OPC读写模块与 WINCC 建立数据连接，获取 WINCC 从 PLC 中采集到的电阻炉内实时温度数据，MATLAB根据整定公式，对电阻炉温度控制系统的开环动态响应中的特征参数进行整定，得出实时 PID 参数值；
（2）经OPC通讯将上述实时PID 参数值写入WINCC的变量中，WINCC 再将所述实时PID参数值经 Profibus DP通讯实时写入 PLC 的 PID 连续控制器中；
（3）PLC 将PID控制器输出值送到模拟量输出模块控制电阻炉的执行器进行温度控制动作。
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段江霞: ""模糊PID控制在大惯量时滞温度控制系统中的应用研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

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