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瓦房店鑫华轧机轴承制造有限公司

轴承知识

特钢线材的在线组织调控与高品质基础件用钢技术开发集成

2021-09-14

(信息来源:中天钢铁集团特钢公司)

一、研究的背景与问题

在国家“碳达峰”及“碳中和”的双碳政策下,特钢生产技术向“绿色化、节约化”发展,其核心是资源节约型钢铁产品的研发和广泛应用,满足减免工序、减少碳排放、降低成本等要求。

我国基础件用钢年产量超过3000万吨,约占特殊钢总量的30%,是量大面广的特殊钢品种。基础件产品种类丰富、制造工序繁多且质量要求逐步提升,对原材料的组织和性能提出特殊要求,但目前中高碳特钢线材在线组织性能精准调控仍是突出的技术难题,典型代表有:1)弹簧钢51CrV4等淬透性较强,小规格线材常规工艺易出现M+B组织,直接深拉拔时材料心部易发生“人字型”裂纹;2)8.8级紧固件用免退火冷镦钢市场需求量大,但当前产品球化/退化珠光体比例小,变形抗力大,模具损耗高而应用受限;3)工具钢S2(67SiCrNiMoV)淬透性高,轧后易形成M组织,在储运及加工过程易发生脆断导致报废;4)因低温变形抗力大,轴承钢100Cr6传统工艺不利于碳化物网状控制,显著影响滚动体轴承疲劳寿命;5)高强帘线钢LX86A要求原材料具有高索氏体化率、无封闭网碳,以保证深拉拔及捻股及疲劳性能,因此通常采用离线热处理(球化退火、盐浴或铅浴)及二火材等工艺来解决,带来成本增加、成材率低、能耗高、环境污染等一系列问题。

中天钢铁集团特钢公司通过在线组织调控技术的持续创新是有效解决上述问题的有效途径。传统控轧控冷技术(TMCP)主要应用于板带及型材生产,相关研究及技术成果较多。相比之下,基础件用特殊钢线材的在线组织调控技术研究相对薄弱,缺乏系统性,应用受限。因此当前特钢厂亟需结合下游用户的需求,加强研究力度,加快推进我国特钢线材的高品质、绿色化、节约化发展进程。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目发挥中天钢铁集团特钢公司的先进技术和装备优势,针对弹簧钢51CrV4、紧固件用钢ZT35K-M、工具钢S2(67SiCrNiMoV)、轴承钢100Cr6以及帘线钢LX86A的个性化需求开展在线组织调控技术及机理研究。

解决的思路和方案包括:1)采用连铸轻重压下160mm2优质方坯进行生产;2)借助数值模拟研究摩根MINI/RSM机组轧制温升、载荷和轧速的关系,探索轧制温度和速度的最佳匹配;3)对水箱和风机实施技术改造,突破现有冷却能力;4)根据不同钢种特性、二次加工及服役性能要求,研究试验钢的动态相变行为和规律,阐明形变诱导相变、离异共析/退化珠光体转变、变形强化相变等机理,通过反复验证与工艺优化,利用多元组合控轧控冷工艺创新,实现51CrV4、ZT35K-M及S2等亚共析钢的在线“软化”,以及100Cr6和LX86A的低级别网状渗碳体和高索氏体化率控制,形成高品质基础件用钢的在线组织调控技术开发集成创新。所采用的工艺技术如图1所示。

①弹簧钢;②工具钢;③冷镦钢;④帘线钢;⑤轴承钢

图1 特钢线材在线组织调控工艺技术图

二、主要创新性成果

1、开发出亚共析钢在线“软化”新技术

(1)ZT35K-M在线“软化”技术

基于设备升级改造突破低温大变形量轧制及轧后“超慢冷”的工艺,开发了DIFT、离异共析及退化珠光休相变的工艺技术,技术原理如图2所示,精轧和终轧控制在未再结晶区+两相区累积大变形轧制,以获得累积变形储能ΔGD,制造大量晶体“缺陷”提供相变形核核心,促进DIFT;钢中超平衡铁素体来源除了DIFT促进铁素体析出外,DIF过饱和碳,减少未转变奥氏体的体积分数;另一方面,DIF与奥氏体界面处形成富碳膜,过饱和碳从DIF中析出作为富碳奥氏体离异共析的形核质点,在吐丝后控制超慢冷却(冷速≤0.15℃/s)过程中诱发离异共析/退化珠光体相变。随着奥氏体碳含量降低,铁素体进一步向奥氏体中推移,因尺寸效应及硬化奥氏体中的形核核心促进其发生退化珠光体转变,形成短杆状渗碳体,根据杠杆原理,得到远超平衡量的铁素体。

图2 ZT35K-M在线“软化”机理示意图

本项目ZT35K-M 控轧控冷工艺的盘条指标:铁素体含量达85%,球化率高达90%,硬度≤76HRC,强度≤530Mpa,面缩≥55%,延伸率≥30%,根据JB/T 5074-2007评级可达4.0级,1/3冷顶锻合格率达到100%,如图3所示。

(a)普通工艺,F=54%;(b)本项目,F=85%

图3 本项目免退火ZT35K-M与普通工艺的显微组织对比

(2)弹簧钢51CrV4在线“软化”技术

通过热模拟研究了51CrV4动态相变行为,如图4。结果表明,第一道次820℃+第二道次700℃变形时(变形速率10s-1)发生明显DIFT。随着变形温度降低,变形储能增加,获得大量晶体“缺陷”并成为相变形核核心,产生形变强化相变效应。实际轧制过程中,需综合考虑轧机的负荷、水箱穿水后的芯表温差和高应变速率条件下的芯部温升等因素,因此为获得目标组织,需匹配好轧制温度、轧前水箱和轧后冷却速率等参数。

(a)820-700℃;(b)820-850℃;(c)920-700℃;(d)920-850℃

图4 51CrV4双道次变形后的显微组织

根据热模拟实验结果,利用DIFT及奥氏体强化相变原理,结合钢种CCT曲线,采用低温大变形轧制+缓慢冷却的控轧控冷工艺。使弹簧钢51CrV4获得100%F+P组织、硬度≤290HB,可满足下游用户直接深拉拔加工,如图5所示。

(a)改进前Φ5.5mm;(b)改进前Φ12mm;(c)改进后Φ5.5mm;(d)改进后Φ12mm

图5 热轧盘条51CrV4的显微组织

(3)工具钢S2在线“软化”技术

S2合金含量较高、变形抗力较大,传统采用高温轧制和轧后缓冷工艺,如Φ8mm,由于辊道速率低,盘条搭接点与中间点散热不均匀,入罩/出罩后搭接点与中间点温度相差≥100℃,显微组织难以均匀控制,通常获得B+M+F+P混合组织,且在缓冷过程中产生明显的全脱碳,因而造成脆断及工具表面软点,如图6。

(a) B+M+F+P混合显微组织;(b)脱碳层

图6 普通工艺生产的S2盘条

根据CCT曲线及热模拟实验结果可知,为解决马氏体脆断及全脱碳问题,需在贝氏体相变区实现“等温”处理。利用形变强化相变的技术方案,在未再结晶区低温大变形轧制,获得具有高位错密度及变形带的硬化奥氏体,提高相变驱动力,缩短贝氏体相变孕育期。轧后水冷减少在线回复软化,将硬化奥氏体“冻结”至相变前。吐丝后结合CCT曲线采用分段冷却方式,快速穿过脱碳敏感温度区抑制脱碳,缩小搭接点与中间点的温差≤20℃,关闭保温罩使得盘条在贝氏体区长时间充分相变,如图7所示,终轧温度工艺1>工艺2>工艺3,控冷工艺相同。

工艺3盘条截面边缘与1/2R处平均硬度42HRC,心部硬度为44HRC。而由于原工艺盘条显微组织以马氏体为主,盘条边缘硬度HRC平均达51,心部达60,极差达到9HRC。通过在线组织调控工艺,获得高比例的贝氏体组织(>90%)而降低硬度及提高韧塑性。

(a) 工艺1;(b)工艺2;(c)工艺3

图7 不同控轧控冷工艺的显微组织

2、轴承滚动体用100Cr6在线组织调控

当轴承钢中夹杂物尺寸、数量达到一定程度时,影响疲劳性能的关键指标取决于碳化物的不均匀性。网状碳化物严重时易引起热处理时淬火开裂,也是服役过程中疲劳裂纹的发源地,显著影响轴承的疲劳寿命。

模拟实际生产进行两道次热压缩实验研究变形对显微组织的影响,第一道次850℃变形速率10s-1变形量50%后,第二道次从850℃降温至700℃压缩变形35%,变形速率10s-1,碳化物呈网状分布逐渐减薄,700℃变形时,二次渗碳体晶界晶内断续分布,网状基本消除。

基于热力模拟试验及动态组织演变规律研究,利用装备改造升级,开展在线组织调控技术创新,工艺如图8~图10所示。通过低温大变形控轧提高变形储能,利用大量晶体“缺陷”提供相变形核核心,促进诱导渗碳体晶界和晶内析出,精确控制轧后冷却速率、冷却起讫温度和路径,Φ10mm以上规格采用强风冷+雾冷组合将加工硬化奥氏体“冻结”至索氏体相变开始温度,增加过冷度提高形核率细化晶粒及珠光体片层间距提高塑性,并通过辊速、佳灵等调节使搭接点和中间点温差≤20℃,提高组织均匀性。

图8 100Cr6控冷工艺原理图

(a) 强风冷;(b)“强风冷+雾冷”

图9 100Cr6轧后控冷工艺

(a)常规轧制+风冷工艺;(b)低温大变形轧制+“强风冷+雾冷”工艺

图10 不同轧制工艺的热轧态显微组织

采用低温大变形轧制+“强风冷+雾冷”工艺的晶粒度由7.0级细化至10.0级,诱导渗碳体晶界及晶内“缺陷”处析出,吐丝至相变开始的冷却速率≥15℃/s,二次渗碳体细薄弥散未成网,塑性指标面缩从<22%提高至31%以上,可实现轻拉拔加工,减少用户工序,热处理后网碳从3.0级下降至2.0级以下,达到行业领先水平,如图11。

(a) 常规轧制+风冷工艺;(b)低温大变形轧制+“强风冷+雾冷”工艺

图11 不同轧制工艺的热处理后的网碳

3、高强度帘线钢LX86A在线组织调控

钢帘线作为汽车轮胎的骨架材料,在拔丝及捻股等生产过程中,除夹杂物和表面缺陷外,组织不良(尤其是网状碳化物)也会导致断线,降低生产效率。结合LX86A的CCT曲线,再结晶温度以上终轧以适当粗化奥氏体尺寸、提高奥氏体稳定性,轧后采用分段冷却(“强风冷+雾冷”+“等温”相变)方式精确控制冷却起止温度、冷却速率达到30℃/s以上,与常规相比穿过两相区的时间缩短了约30%,在索氏体区调节各段风量,使相变潜热释放与风冷降温相消,以近似“等温”冷却;调节佳灵、辊速优化风量分配,搭接点中间点温差≤20℃。轧后冷却越快,越有利于抑制碳化物网状析出,提高索氏体化率,但需要避免形成魏氏组织、过热组织。温度控制曲线如图12所示。

图12 帘线钢LX86A控冷工艺温度曲线

采用在线组织调控新工艺开发的LX86A高强帘线钢,网碳析出和珠光体相变受到有效的抑制,索氏体化率从平均84.1%提升至92.8%,网碳≥2级的比例从3.2%降低至0.2%,≤0.5级比例达到93.7%,抗拉强度波动值1200-1250Mpa,面缩≥40%,索氏体片层间距0.10~0.20 μm,如图13。

图13 LX86A工艺改进后的显微组织

四、应用情况与效果

本项目发挥中天钢铁集团特钢公司的先进技术和装备优势,针对弹簧钢51CrV4、紧固件用钢ZT35K-M、工具钢S2(67SiCrNiMoV)、轴承钢100Cr6以及帘线钢LX86A的个性化需求开展在线组织调控技术及机理研究。解决了特钢线材组织性能精确控制的技术难题,开发出多种机理组合应用的高品质特钢线材在线组织调控技术,并2021年冶金科技进步奖。

产品实物质量达到国际先进、国内领先水平,广泛应用于紧固件、弹簧、轴承、工具及轮胎子午线等,实现下游工序减化、低碳减排、降低成本等成效,项目成果可推广至同类产品的生产,满足基础件制造的需求,近三年总产值达31亿元,利税7.5亿元,经济社会效益显著,推广应用前景好。

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