CN1706977A - 免热处理高强冷镦铆螺钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热轧免热处理高强度铆螺钢生产工艺技术。对所设计的C－Si－Mn成分的低碳钢，经过热轧后采用控轧控冷技术，将棒材出冷却器的温度控制在650～700℃，冷却速率控制在80℃/s以上，从而生产出一种低成本高性能的、最终含有铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相细晶粒组织的热轧冷镦钢。本技术利用了冷镦钢在成形过程中残余奥氏体的相变诱发塑性效应，生产的棒材在热轧后不需退火，直接冷镦成形，冷镦性能非常好。冷镦成的螺栓也不需要再经过淬火并回火热处理，通过冷镦时TRIP效应，就能获得很高的力学性能。在具有高强度的同时兼有高塑性，螺栓的力学性能指标完全满足国家标准GB/T3098.1－2000《紧固件机械性能》对高强度螺栓性能的要求。高强度螺栓性能优异，且成本极大降低，大大提高了企业的经济效益。
Description
所属技术领域
根据国际专利分类表本发明属于低成本高性能冷镦钢生产技术领域。
技术背景
紧固件是广泛应用的一种机电产品，不仅在机械工业，在其它各行各业都被大量使用。而高强度螺栓则常常被用于各种重要的工程结构件中。高强度螺栓在服役时的失效，常常带来严重的、有时甚至灾难性的后果。
一般情况下，生产厂制造高强度螺栓，如8.8，9.8，10.9级，需要使用中碳钢，热轧态交货的原料首先须经过退火，冷拔后冷镦成形，然后再经过淬火并回火热处理，力学性能才能满足要求。原料在退火时往往不可避免地会存在氧化、脱碳等缺陷，而且稍不注意，退火后原料硬度仍然偏高，尤其是塑性很差，导致后续的冷镦工艺无法稳定进行。不能具备良好的冷镦性能，在冷镦时工具消耗非常大、能耗高。同时，冷镦成的螺栓在随后的热处理中也常常易出现各种热处理缺陷，造成产品的合格率低，不仅生产成本高，而且保证产品质量也较为困难。
发明内容
本发明的目的就是要解决高强度螺栓生产中存在的问题。设计出一种C-Si-Mn成分的钢，通过采用控轧控冷技术，直接生产一种热轧棒材，不经过退火直接冷镦成形，冷镦性能非常好，其后也不再经过淬火、回火热处理，冷镦出的产品各项指标不仅全面满足国家标准GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能》对8.8，9.8，10.9级高强度螺栓及相关国家标准对紧固件的要求，且远高于国家标准规定的各项要求，极大地降低了生产成本，提高了劳动生产率。
本发明的原理是通过选择合适的化学成分，经过热轧成形和控制冷却技术，使棒料获得具有残余奥氏体、贝氏体和铁素体基体三相组织的晶粒细化冷镦钢，该棒材在冷镦成形过程中，残余奥氏体因应变诱发马氏体转变造成相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity)-TRIP效应，因而具有很高的强度和塑性。
细晶粒棒材TRIP钢生产的关键是从成分到工艺能确保在室温时获得稳定残余奥氏体，棒材热轧后不发生马氏体相变。
首先从成分设计上考虑降低Ms(马氏体开始相变温度)，Ms强烈地取决于碳含量，只有当碳含量高于1.1％时才能保证Ms低于室温，但考虑到钢的冷镦性能，碳的含量不能高于0.2％；硅可以净化铁素体基体，加剧非转变奥氏体中碳的富集，为此，硅的含量较高；锰降低Ms，增加残余奥氏体量，锰的含量也较高。
其次从工艺上考虑通过对Si-Mn钢棒材热轧后采用控制冷却，包括：加速铁素体转变；增进碳从铁素体向未转变的奥氏体扩散，以使碳集聚，轧后快速冷却以避开珠光体转变，防止Fe3C析出而浪费碳，棒材热轧冷却后残余奥氏体得以保留，且碳集聚不断的增加，为棒材在以后的冷镦变形时残余奥氏体转变成马氏体创造好条件。
实现本发明的技术解决方案是，具有合适化学成分的坯料经过轧制成形，通过在棒材成品轧机出口增设的控制冷却装置，要求控制冷却装置具有较强的冷却能力，并且冷却能力可以调节。钢棒离开辊道时，采取适当措施在某一温度区间进行缓慢冷却，得到所要求的免热处理高强冷镦钢。
高性能棒材的化学成分为：
碳的含量应在0.10～0.20％之间；硅含量在0.8～1.6％之间；锰含量在0.8～1.8％之间；此外，磷和硫含量应尽量少，一般控制在0.04％以下，以便改善棒材的冷镦性能。
相变诱发塑性冷镦钢轧后控制冷却的步骤是：
1，坯料加热。在加热炉内将坯料加热到1100～1200℃进行轧制。
2，在棒材轧机上经过多道次轧制成形，获得所要求的规格尺寸的产品。道次数由坯料尺寸、成品尺寸、轧机型式等因素确定。
3，轧件终轧后立即经过1～3秒的冷却。冷却水流量、压力可依据规格确定。
4，冷却后在辊道上经过5～15秒的空冷，然后到冷床，直至室温。
采用上述成分及控轧控冷工艺得到的冷镦钢，在冷镦成螺栓的过程中，充分利用了冷镦钢残余奥氏体的相变诱发塑性效应，生产出的螺栓在具有高强度的同时，塑性很高，力学性能完全满足国家标准对高强度螺栓性能的要求。
本发明最大的优点是：通过成分设计及控轧控冷，生产出热轧相变诱发塑性冷镦钢，该钢在轧制后时，不需退火，棒材直接冷镦成形，冷镦性能非常好，冷镦成的螺栓也不再需经过淬火并回火热处理，就能获得800MPa，900MPa和1000MPa以上强度，并且屈强比低于0.8，延伸率大于25％。这种免热处理高强螺栓，生产成本降低，产品质量提高，提高了经济效益。
具体实施方式
实施例：控轧控冷生产8.8级高强度螺栓。
在某厂在棒材轧机后加装了一套控制冷却装置。该生产线共有18架平立交替轧机，其中粗轧、中轧和精轧机组各6架。生产冷镦钢所用的坯料规格为150mm的方坯，冷镦钢的成品尺寸为φ10.0mm。钢棒轧制后进入控制冷却装置进行冷却，整个冷却装置的总水量为300m3/h，水压为1.4MPa。
坯料的出炉温度为1100℃，经过18道次轧制后，成品机架的出口温度为980-1020℃，随后进入控冷。轧件出口速度10.0m/s，冷却器长度8m，经控制冷却后冷镦钢的表面温度为650～700℃，冷却速率大于80℃/s。然后通过辊道在冷床上空冷至室温。
对所获得的冷镦钢产品测试硬度为HB211。
经过机械车削加工成φ9.6mm的棒材，然后在Z47-12多工位冷镦机上进行冷镦螺栓试验，生产出M10×65成品螺栓。该棒材冷镦时，实际硬度较高，但因其塑性非常好，与传统中碳钢料相比较，成形性能良好，废品率很低。
冷镦出的螺栓在30吨万能试验机上进行拉伸试验所获力学性能如表1：
表18.8级螺栓力学性能
| 螺栓编号 | 抗拉强度(MPa) | 伸长率65(％) | 硬度(HB) |
| 1# | 870.69 | 28 | 251 |
| 2# | 879.31 | 27 | 257 |
| 3# | 870.69 | 28 | 251 |
利用相变诱发塑性热轧及控制冷却所获得的免热处理高强冷镦钢生产出的螺栓，性能指标完全满足国家标准GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能》对8.8级高强度螺栓性能的要求。
Claims (3)
1、高性能棒材的化学成分为：碳含量0.10～0.20％之间；硅含量在0.8～1.6％之间；锰含量在0.8～1.8％之间；此外，磷和硫含量应尽量少，
一般控制在0.04％以下，以便改善棒材的冷镦性能。
2、棒材热轧后进行控制冷却，冷却器出口温度为650～700℃；
3、棒材冷却速率在80℃/s以上；
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