CN114990307A - 采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于40Cr钢轴、杆类件生产技术领域，具体涉及采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法。主要步骤为：铁水+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸→缓冷→加热→除鳞→开坯→待温→连轧→穿水→缓冷；本发明通过铸坯三段式电磁搅拌参数、恒拉速等工艺参数控制低倍和偏析获得良好的铸坯质量；控轧控冷技术通过开坯大变形和中间坯待温使组织充分回复再结晶获得均匀组织，控制进连轧温度≤860℃，使组织变形的奥氏体晶粒充分再结晶以及防止混晶、粗晶现象；而且经控轧控冷工艺处理的40Cr延伸率提升6～8％和面缩率大幅提升15～22％，冲击值有大幅提升12～26J，具有良好的塑性和韧性。

Description

采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法
技术领域
本发明属于40Cr钢轴、杆类件生产技术领域，具体涉及采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法。
背景技术
40Cr钢是一种广泛应用于机械制造的合金结构钢，具有良好的综合力学性能，广泛使用在中等载荷以及中等速度工作的轴类件、杆类件和齿轮等零件，而轴类件、杆类主要应用在中、大规格棒材居多。目前40Cr使用的零件都是在调质后车削加工成零件装配在机器中，运行过程中受到工况持续的交变载荷作用，而材质的热处理不当，淬火过程冷却速度控制不当易存在淬火裂纹和易产生魏氏组织和上贝氏体，回火过程：导致轴类件存在异常组织魏氏组织和明显的带状偏析(贝氏体或马氏体组织)，致使材料的强度和韧性不足，使得轴、杆类件过早的发生疲劳断裂。热处理过程，尺寸的收缩，容易在零件的槽、孔等部位产生应力集中而造成零件失效。
由于国标GB/T 3077-2015中40Cr钢化学元素只加C、Mn和Cr元素，获得良好的控制成本以及优异加工性能达到最终的力学性能。由于加入Cr淬透元素，是零件具备完全淬透可能，轧制过程中，边部与心部温差大，心部晶粒组织外圆皮下区域组织与内圆心部区域组织差异性大，造成最终性能波动差异大，也使得40Cr钢淬透性降低。
中、大规格棒材40Cr在调质过程中周期长、能源消耗高，给下游带来制造成本高、周期长等弊端。目前工程机械领域往往涉及大量大尺寸规格零件制造；钢材随着轧制圆钢使用规格逐渐增大，造成圆钢截面边部与心部的强韧性性能波动大、组织晶粒度大小不均匀易出现混晶现象，迫切需要解决大规格棒材性能温度和组织均匀性问题为开发非调质钢取代调质钢成为一种可能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有热加工过程中、大规格混晶和性能不稳定的技术缺陷，本发明采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢代替调质40Cr钢应用在轴、杆类件的方法，满足圆棒具有良好的力学性能和加工性能的要求。
为了实现以上目的，具体步骤如下：
采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，所述40Cr钢由下列重量百分比的成分组成：
C：0.37～0.44％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.50～0.80％、Cr:0.80～1.10％，P≤0.025％、S≤0.025％、Ni≤0.030％、Cu≤0.20％、H≤0.00015％、O≤0.0020％；余量为Fe及不可避免杂质。
本发明采用控轧控冷得到的40Cr钢，抗拉强度≥960MPa，冲击功AKu≥60J，金相组织为铁素体+珠光体。
采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，主要包括以下步骤：连铸、连铸冷却、铸坯加热、开坯、待温、终轧、钢材冷却。
具体操作如下：
(1)连铸：针对Φ500mm～Φ700mm区间连铸坯，相应参数条件控制如下：结晶器水流量为4200～4400L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝95～105A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝145～155A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝990～1010A，拉速0.20～0.39m/min恒拉速操作，二冷比水量为0.09L/Kg避免铸坯内部裂纹产生；
(2)钢坯加热：钢坯经过1180～1260℃加热保温3～4h使坯料加热均匀化，出炉温度1100～1120℃；
(3)除磷：将步骤(2)加热处理后的钢坯利用高压水除鳞，除去钢坯表面的氧化铁皮；
(4)开坯：经除磷后的钢坯采用往复式轧机(二辊可逆式轧机)经过6～9道次轧制成中间矩形坯，开坯在奥氏体再结晶区阶段，开坯轧制温度1120～980℃，前4道单道次变形量≥90mm；
(5)待温：经步骤(4)轧制的中间矩形坯出开坯机进入待温台架进行待温，待温过程时间为5～5.5分钟，中间矩形坯待温至850～920℃结束后进入液压剪切除头尾，以确保中间矩形坯端部质量完好连轧机顺利咬入；
(6)连轧：经步骤(5)处理后的中间矩形坯切头尾后进入连轧机，进连轧温度≤860℃，经5～7道次轧制成圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度780～880℃；得到棒材直径Φ140～160mm；
(7)穿水：经步骤(6)得到的圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经多段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱，在冷床空冷至300～400℃，控冷测温点返红温度520-640℃；
(8)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃。
优选的，步骤(1)中所述连铸坯的直径为600mm。
优选的，步骤(1)中所述结晶器水流量为4285～4308L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝103～105A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝153～155A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝994～998A，拉速0.27m/min。
优选的，步骤(3)中所述除磷的压力为18～25MPa。
优选的，步骤(5)中所述待温至860～865℃。
优选的，步骤(6)中所述进连轧温度为845～850℃。
本发明的优点和技术效果是：
(1)本发明通过铸坯三段式电磁搅拌参数、恒拉速等工艺参数控制低倍和偏析获得良好的铸坯质量；控轧控冷技术通过开坯大变形和中间坯待温使组织充分回复再结晶获得均匀组织，控制进连轧温度≤860℃，使组织变形的奥氏体晶粒充分再结晶以及防止混晶、粗晶现象；同时棒材冷却经过5段穿水冷却，采用强冷-弱冷-强冷交替复合冷却，使棒材迅速降温同时避免冷速过快造成热应力开裂，控制终轧温度和轧后冷却获得细小组织从而确保圆钢组织和力学性能。
(2)本发明控轧控冷工艺获得40Cr钢为珠光体组织，对比正常轧制40Cr钢(终轧温度高，晶粒回复再结晶明显，内部组织粗大)后经过调质处理，进行性能对比，经控轧控冷工艺处理的40Cr延伸率提升6～8％和面缩率大幅提升15～22％，冲击值有大幅提升12～26J，具有良好的塑性和韧性。
(3)本发明通过控制连铸圆坯相应参数改善低倍组织，控制电磁搅拌参数、控制开坯变形量、待温温度、终轧制温度以及轧后冷却速度，改善轧材混晶、可细化组织晶粒，通过控轧控冷条件实提升调质40Cr钢的性能。
附图说明
图1为实施例2连铸圆坯低倍组织照片。
图2为实施例2圆钢1/3半径位置金相组织。
图3为实施例2圆钢1/2半径位置金相组织。
图4为实施例2圆钢心部位置金相组织。
图5为实施例2圆钢力学性能、硬度、组织检测示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1：
本实施例涉及的圆钢直径140mm，其化学成分按质量百分比计为：
C：0.40％、Si：0.24％、Mn：0.62％、P：0.014％、S：0.002％、Cr：0.93％、Ni：0.022％、Cu：0.017％、Al:0.022％、H：0.00012％、O：0.0016％；余量为Fe及不可避免杂质。
上述圆钢依次经过：
电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸(Ф600mm)→缓冷→加热→除鳞→开坯→待温→连轧(Ф140-Ф160mm)→穿水→缓冷→精整；如下关键工序分6个步骤进行：
步骤1连铸和铸坯冷却：直径Φ600mm断面的连铸坯，相应参数条件控制如下：结晶器水流量为4300L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝105A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝153A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝998A，拉速0.27m/min恒拉速操作，二冷比水量为0.09L/Kg避免铸坯内部裂纹产生；
步骤2铸坯加热：连铸圆坯加热温度控制在1240℃，保温3.5小时出炉，钢坯出炉温度为1134℃，利用高压水除鳞(除磷的压力为23MPa)去除表面氧化铁皮。
步骤3开坯：除磷铸坯直接进入往返式轧机，经过7道轧制成坯型210*230mm中间坯，前4道变形量为100mm，开坯轧制温度控制在1110℃。
步骤4待温：中间坯出开坯机在封闭待温台架待温空冷，待温过程时间为5分钟，待温度至865℃，进行中间坯切头和切尾，以确保中间矩形坯端部质量完好连轧机顺利咬入；
步骤5连轧：进连轧温度在850℃，经过5道次轧制成140mm圆钢，出连轧温度为834℃；
步骤6穿水和缓冷：140mm圆钢轧制后立即进入穿水管冷却，采用5段穿水管穿水，冷却速率控制在100℃/min，从进第一段穿水管至出第5段穿水管时间为0.7分钟；圆钢经过冷床冷却至340℃，控冷测温点返红温度控制在551℃；冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃。
实施例2：
本实施例涉及的圆钢直径为160mm，其化学成分按质量百分比计为：
C：0.40％、Si：0.24％、Mn：0.62％、P：0.014％、S：0.002％、Cr：0.93％、Ni：0.022％、Cu：0.017％、Al:0.022％、H：0.00012％、O：0.0016％；余量为Fe及不可避免杂质。
上述圆钢依次经过：铁水82％+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸(Ф600mm)→缓冷→加热→除鳞→开坯→待温→连轧(Ф160mm)→穿水→缓冷。如下关键工序分6个步骤进行：
步骤1连铸和铸坯冷却：直径Φ600mm断面的连铸坯，相应参数条件控制如下：结晶器水流量为4285～4308L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝103A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝153A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝994A，拉速0.27m/min恒拉速操作，二冷比水量为0.09L/Kg避免铸坯内部裂纹产生；
步骤2铸坯加热：连铸圆坯加热温度控制在1180℃，保温3.4小时出炉，钢坯出炉1130℃，除磷去除表面氧化铁皮。
步骤3开坯：除磷铸坯直接进入往返式轧机，经过7道轧制成坯型210*230mm中间坯，前4道变形量105mm，开坯轧制温度在1105℃；
步骤4待温：中间坯出开坯机在封闭待温台架待温空冷，待温过程时间为5.5分钟，待温质至860℃，进行中间坯切头和切尾；
步骤5连轧：进连轧温度在845℃，经过5道次轧制成160mm圆钢，出连轧温度为831℃；
步骤6穿水和缓冷：160mm圆钢轧制后立即进入穿水管冷却，采用5段穿水管穿水，冷却速率控制在200℃/min，从进第一段穿水管至出第5段穿水管时间为0.8分钟；圆钢经过冷床冷却至320℃，控冷测温点返红温度控制在544℃；冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃。
本实施例1～2主要代替调质钢40Cr钢的生产方法，采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢，通过铸坯三段式电磁搅拌数、恒拉速等工艺参数控制低倍和偏析获得良好的铸坯质量；控轧控冷技术通过开坯大变形和中间坯待温使组织充分回复再结晶获得均匀组织，棒材冷却经过5段穿水冷却，采用强冷-弱冷-强冷交替复合冷却，使棒材迅速降温同时避免冷速过快造成热应力开裂，控制终轧温度和轧后冷却获得细小组织从而确保圆钢组织和力学性能。
上述实施例1～2的机械性能数据见下表1和下表2，圆钢不同位置金相组织见图2～图4。
表1实施例1～2的力学性能数据
Figure BDA0003670005110000051
表2实施例1～2的硬度数据
Figure BDA0003670005110000052
“调质40Cr”为试验钢材的同炉号材质作为对比试验数据，制造工序：电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸→缓冷→加热→正常轧制(终轧温度约950℃)Φ160mm→精整，取成品圆钢试样进行整体调质热处理(试样淬火热处理：按≤80℃/h升温至850±10℃保温3h，油冷；回火热处理：520±20℃保温5h，空冷)，调质热处理后加工标准试样后检测性能。
控轧控冷工艺获得40Cr钢为珠光体组织，对比正常轧制40Cr钢(终轧温度高，晶粒回复再结晶明显，内部组织粗大)后经过调质处理，进行性能对比，控轧控冷工艺40Cr钢抗拉强度相差不大，屈服强度下降50～80MPa，延伸率提升6～8％和面缩率大幅提升15～22％，冲击值有大幅提升12～26J；通过控轧控冷40Cr得到具有良好的塑性和韧性的钢材。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)连铸：针对Φ500mm～Φ700mm区间连铸坯，相应参数条件控制如下：结晶器水流量为4200～4400L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝95～105A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝145～155A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝990～1010A，拉速0.20～0.39m/min恒拉速操作，二冷比水量为0.09L/Kg避免铸坯内部裂纹产生；
(2)钢坯加热：钢坯经过1180～1260℃加热保温3～4h使坯料加热均匀化，出炉温度为1100～1120℃；
(3)除磷：将步骤(2)加热处理后的钢坯利用高压水除鳞，除去钢坯表面的氧化铁皮；
(4)开坯：经除磷后的钢坯采用往复式轧机经过6～9道次轧制成中间矩形坯，开坯在奥氏体再结晶区阶段，开坯轧制温度1120～980℃，前4道单道次变形量≥90mm；
(5)待温：经步骤(4)轧制的中间矩形坯出开坯机进入待温台架进行待温，待温过程时间为5～5.5分钟，中间矩形坯待温至850～920℃结束后进入液压剪切除头尾；
(6)连轧：经步骤(5)处理后的中间矩形坯切头尾后进入连轧机，进连轧温度≤860℃，经5～7道次轧制成圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度780～880℃，得到棒材直径Φ140～160mm；
(7)穿水：经步骤(6)得到的圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经多段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱，在冷床空冷至300～400℃，控冷测温点返红温度520-640℃；
(8)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃；
所述直接切削用40Cr钢由下列重量百分比的成分组成：
C：0.37～0.44％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.50～0.80％、Cr:0.80～1.10％，P≤0.025％、S≤0.025％、Ni≤0.030％、Cu≤0.20％、H≤0.00015％、O≤0.0020％；余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，步骤(1)中所述连铸坯的直径为600mm。
3.根据权利要求1所述的采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，步骤(1)中所述结晶器水流量为4285～4308L/min，结晶器电磁搅拌工艺参数I＝103～105A，铸搅电磁搅拌工艺参数I＝153～155A，末搅电磁搅拌参数工艺I＝994～998A，拉速0.27m/min。
4.根据权利要求1所述的采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，步骤(3)中所述除磷的压力为18～25MPa。
5.根据权利要求1所述的采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，步骤(5)中所述待温至860～865℃。
6.根据权利要求1所述的采用控轧控冷工艺生产一种直接切削用40Cr钢生产方法，其特征在于，步骤(6)中所述进连轧温度为845～850℃。
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