CN1256320A - 高速大变形热轧冷镦钢碳化物的球化退火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对高速线材轧机以大于5.6/秒的延伸速率和高于23的延伸率热轧并空冷的、碳当量在0.15—0.65%wt。范围内的碳素或合金结构钢冷镦钢材的片状碳化物球化退火热处理工艺。它是这样实现的:将高线盘条装入加热炉中,加热至钢材加热时的下临界温度A_C1以下的温度区间660—720℃,均温后保持不少于3小时,而后冷却至室温即可得到碳化物优良球化、钢材用户冷拔改制后可以直接冷镦成型而不可能开裂的优质深加工盘条钢材。本发明与相应的传统工艺比较,不仅简化了工艺步骤,缩短了处理时间,而且大大降低了能耗。

Description

高速大变形热轧冷镦钢碳化物的球化退火工艺

本发明涉及钢材的软化退火，具体地说是高速大变形热轧冷镦钢碳化物的球化退火工艺。

对于尺寸规格小于M24的螺栓等紧固件，以冷镦方法使之成型，被认为是最合理的和普遍被采用的。冷拔改制的钢料由外端喂入冷镦机喂料口，置于一个胎模中；内端则由一个阴模施以冷顶锻，镦打出螺栓头。由于这一冷镦的变形程度很大，如若此时钢材没有很好的冷成型性，在螺栓头的外棱处会出现裂纹甚至裂口。

用中碳钢(0.35-0.50％C)以及为提高淬透性和强度级别而加入Cr、Mn、Mo、等合金元素的中碳当量钢冷镦成型并滚丝的螺栓，随后还必须通过调质热处理，方能得到8.8级以上的强度级别。

我国将越来越多地采用8.8级以上高强度紧固件和逐步淘汰低强度紧固件；越来越多的紧固件工厂将不得不竞相放弃销路越发狭窄乃至终久将被淘汰的低强度紧固件，转而生产高强度紧固件。每年我国将有数十万吨甚至上百万吨中碳钢和中碳当量合金钢需由钢材用户自行实施球化退火。美国是紧固件进口国，其大部分紧固件依赖进口；尽管这样，美国国内每年也有约16万吨中碳钢材和中碳当量合金钢钢材由紧固件工厂自行球化退火。由此可知，不论国内或国外，任何能减少球化退火热处理时间和降低球化退火温度的措施，都能导致可观的能源节约。特别要指出的是，用来制造低强度简单形状紧固件的低碳钢，冷镦成型前一般不需要球化退火。因此，一向生产低强度紧固件的我国绝大部分紧固件工厂根本无球化退火热处理装置。如能向这些紧固件制造工厂集中供应碳化物业已球化的中碳钢钢材或中碳当量合金钢钢材，可以避免众多紧固件工厂为产品升级换代而重复建设，形成合理、科学的供需格局和社会分工。

随着冶金工业装备水平不断提高，高速线材轧机被越来越多地采用，即用高线轧机将钢坯热轧至盘条终径，并于冷却后交付给钢材用户。高线交货状态的钢材其显微组织组成物，同传统的低速热轧钢材一样，是铁素体和片状珠光体。但其区别是，高线轧制的钢材显微组织更细小、钢材中保留的储能较高。

具有这种组织组成物的钢材不论是普通轧机低速轧制的还是高线轧机高速轧制的，在冷镦时的可塑性都不够。为了改善钢材的冷镦性，首先用球化退火热处理使显微组织中的渗碳体由片状改为球状，而后通过酸洗祛除黑皮，再经过冷拔改制，才可进入冷镦工序。

传统的球化退火热处理工序需加热至临界温度以上，并且整个工序时间长，故能耗很大。其球化退火热处理工艺是，如图1所示，将钢料加热(I)到临界温度区间(740-780℃)，热透(II)后保持2小时(III)，而后缓冷(IV)至临界温度以下的较高温度(700-715℃)保持8-20小时(V)，再冷至室温(VI)，从能源节约的角度，这是一种很不合理的工艺；对于用高速线材轧机高速大变形热轧的钢材，采用这种球化退火工艺，其不合理性就更突出、甚至是违背科学的。可是不知何故，这一不合理、甚至违背科学的球化退火工艺却被国内外广泛采用至今。

本发明的目的是提供一种适用于高速大变形热轧冷镦钢碳化物的快速、节能球化退火工艺。

它是这样实现的：将高线盘条直接装入加热炉中，加热到低于钢加热时的下临界温度A_C1以下的温度区间660-720℃，均温之后保持不少于3小时，而后冷却，即可得到渗碳体优良球化、钢材用户冷拔改制后可以直接冷镦而不可能开裂的优质深加工盘条钢材。

该热处理称做冷镦钢材片状碳化物的准临界快速球化退火或无相变快速球化退火热处理。请参阅图2，与传统工艺相比，本发明提供的快速球化退火工艺只有加热(I)、均温(II)、保温(V)、冷却(VI)四个步骤。

下面，对本发明所适用的钢的化学成分、实施本发明热处理工序之前的钢材高线轧制以及发明工艺本身作进一步的说明。

1、本发明所适用的钢种：本发明工艺适用于碳当量在0.15-0.65％范围内，S和P均低于0.035％的中国和世界各国的表面无缺陷优质碳素结构钢和合金结构钢。其中，碳当量在0.35-0.65％的钢在冷镦之前必须使碳化物球化；碳当量在0.15-0.35％之间的钢，如果用冷镦法制造形状很复杂的紧固件(例如自攻螺钉)，亦需使碳化物球化。

2、高速线材轧制：虽然轧钢不属于本发明的内容，但是，本发明热处理技术(片状碳化物的准临界或无相变快速球化退火)仅适用于高线轧制生产的钢材，故有必要对相关轧钢内容作一必要的较详细说明。前已述及，先进的高线轧制与普通的低速轧制相比，有两个重要区别：一是热轧变形速率和变形量大；二是钢材中的储存能高。申请人曾对同一ML35钢以不同热轧变形量和不同热轧变形速率进行轧制，而后以相同参数进行片状碳化物的准临界球化退火。图3和图4分别是700℃3小时退火后钢中碳化物的球化率(SR)与延伸率(μ)和延伸速率(μ′)的实验关系。结果表明，碳化物的球化率始而随热轧延伸率和延伸速率的增加而增加，继而趋于饱和，达到100％。鉴于球化率高于85％的钢材即有良好冷镦性，故热轧延伸率μ和热轧延伸速率μ′分别大于23和5.3(1/秒)的轧制即为高速率大变形热轧。一般的低速轧制的变形速率和变形量不可能同时达到该两数值，而高速线材轧制时的相应两值却高于此两数值。本发明仅适用于对高线轧制的原材料，进行片状碳化物的快速球化，即凡是热轧延伸速率和热轧延伸率分别高于5.3/秒和23的钢材均可用本发明工艺实施片状碳化物的快速球化。高线轧制有别于普通低速轧制的另一特点是热轧温度受控。其初轧是在900-950℃的温度区间、精轧是在800-850℃的温度区间。加之变形速率高，故在钢材中保持较高的储存能和微细的显微组织。而普通的低速轧制的始轧温度是1200-1250℃，且不存在精轧和初轧之分。

3、本发明准临界(无相变)快速球化的原理：具有片状渗碳体的珠光体，原本就不属于热力学平衡态的显微组织。其片状碳化物具有向平衡态的球状物过度的热力学自发趋势。但是，两者之间存在高达695KJ/mol的能垒。跨越如此高的能垒，仅依靠退火加热和保温时的热激活，理应是一个需要长时间等待的困难进程。但是，高线轧制具有变形量大、变形速率高和轧制温度受控(其初轧一般是900-950℃的恒温轧制；精轧则是800-850℃的低温轧制)等特点。因此，高线轧制的钢材晶粒特别细、储存能比较高。故只要在Fe-Fe₃C平衡相图的α和Fe₃C两相区的较高温度(660-720)停留不长时间，即可实现碳化物的快速球化。但是，如若将退火温度提高到超过A_C1温度，不但造成能源的浪费，还将致使高线轧制所创造的有利于球化的因素丧失殆尽，使球化退火时间大大延长。

综上所述，本发明提供的高速大变形热轧冷镦钢碳化物的球化退火工艺，与传统工艺相比，不仅简化了工艺步骤缩短了处理时间，而且大大降低了能耗。

图1是传统球化退火热处理工艺中温度与时间的关系图；

图2是本发明球化退火热处理工艺中温度与时间的关系图；

图3是700℃3小时退火后钢中碳化物的球化率(SR)与延伸率(μ)的实验关系；

图4是700℃3小时退火后钢中碳化物的球化率(SR)与延伸速率(μ′)的实验关系。

实施例1

B级ML35高线盘条一卷，盘重2吨；钢材直径是Φ16mm；化学成分是C-0.36，Si-0.17，Mn-0.40，P-0.017和S-0.026％；装入713℃待料保持的炉中，均温后保温4小时，出炉空冷。由某紧固件工厂酸洗祛除黑皮和冷拔定径(亦称材料改制)后，由多工位冷镦机冷镦制造高速公路护栏M16螺栓。冷镦过程顺利，2吨料竟无一件废品，冷镦合格率达100％。再经过调质热处理，全部达到8.8级高强度。该紧固件工厂对进厂料进行了冷压缩检测。两端面平行的20mm高圆柱形冷压缩样品，冷压缩至4.2mm，未发现裂纹。实施例2

牌号、盘重和化学成分与例1相同、线材直径分别Φ16和Φ10mm的两卷钢料计4吨，装入炉中随炉升温至695℃，4小时保温后空冷，由另一紧固件工厂用冷镦法制成M16和M10内六角螺栓，无一件镦裂，冷镦合格率达100％。实施例3

ML35高线盘条20卷计40吨，钢材直径均为Φ12，同炉装料装入台车式燃气炉，升温至665℃保持4小时后空冷；从每卷取金相样品检查碳化物球化率，结果分别为94、96、92、93、90、95、92、92、91、92、93、96、97、98、93、92、96、96和98％。硬度(每样品检查3个值)全部在HRB65-69之间。另外，随机从其中6卷盘条取冷压缩试样(Φ12、L20mm)，试图测定冷压缩致裂门槛值，结果所有6组样品压至4mm高(即压至原高度的1/5)，却无一发现裂纹。受到压力机能力限制，门槛值未被测出。我国国标GB6478-86规定，压至原高度的1/4不开裂，即为高级冷镦钢。

Claims (1)

1、高速大变形热轧冷镦钢碳化物的球化退火工艺，其特征在于将用高速线材轧机以高于5.6/秒的延伸速率和高于23的延伸率热轧并空冷的、碳当量在0.15-0.65％wt.的碳素或合金钢盘条钢材，加热到低于钢材加热时的下临界温度A_c1的660-720℃范围，均温之后进行不少于3小时退火和随后冷却至室温。

Images