專利名稱：球狀滲碳體中碳鋼線材的高效節(jié)能生產(chǎn)工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種球狀滲碳體中碳鋼線材的高效節(jié)能生產(chǎn)工藝。
迄今，國內(nèi)外冶金工業(yè)向社會提供的熱軋中碳鋼鋼材，其滲碳體相均呈片狀存在于鋼的鐵素體基體中，然而制造諸如高強度標準件的冷鍛系列中碳鋼只有在其滲碳體呈球狀時才能承受生產(chǎn)效率極高的冷鍛作業(yè)，故實施冷鍛作業(yè)的中碳鋼鋼材用戶不得不將購進的鋼材重新加熱，經(jīng)行耗時長達20-25小時的球狀退火熱處理，該過程能耗很高，而且長時間加熱會造成鋼材表面氧化、脫碳以及爐襯材料的消耗也很嚴重。總之，傳統(tǒng)的滲碳體片改球的球化退火，存在著時耗、能耗、料耗很高的嚴重缺點。另外，眾多冷鍛中碳鋼鋼材用戶各自分散投資建造球化退火裝置以及實施高“三耗”的球化退火熱處理不但造成重復的社會化浪費，還將形成不合理的產(chǎn)業(yè)結構和供需格局。因此，改善、簡化球化退火工藝并實現(xiàn)由冶金工業(yè)集中供應滲碳體業(yè)已球化的冷鍛系列中鋼鋼材一直為人們期望而未果。發(fā)明者的早期研究基于應變誘發(fā)至平衡的原理，曾提出將滲碳體呈片狀的鋼坯加熱至低于鋼的Ac1的較高溫度以一定形變量和形變速率軋制和隨后在軋制溫度停留1-2小時以實現(xiàn)滲碳體球化和變形基體再結晶等軸化的快速球化工藝方法，相同的構思也體現(xiàn)在日本專利J59013024-A中。然而加熱溫度不超過Ac1的應變和繼而短時退火導致的片改球快速球化工藝存在兩個明顯缺陷一是球化的滲碳體在分布上不夠均勻，二是賴以應變的軋制因其抗力過高而使工業(yè)部門難于接受。
本發(fā)明的目的旨在提出一種在冶金工廠的線材軋制生產(chǎn)線上快速獲得滲碳體呈球狀并均勻分布在基體上的中碳鋼鋼材生產(chǎn)新工藝，并實現(xiàn)由冶金工業(yè)集中向社會提供滲碳體業(yè)已球化的中碳鋼冷鍛鋼材。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的采用三段式控制軋制和緊隨其后的短時間退火，即將粗軋的鋼降溫至鋼的(Ac3+100℃)～Ac3溫度范圍進行變形比不小于50%的再結晶控制軋制，繼而以不小于120℃/分的冷卻速度冷至(Ar3+100℃)～Ar3溫度以不小于20%的變形比進行預軋，接著以不小于120℃/分的冷速冷至Ar3～Ar1于的溫度，以不小于25%的變形比精軋至鋼材終尺寸，然后帶溫進入溫度在Ac1～(Ac1-100℃)的退火爐中保持半小時以上，然后冷卻至室溫即可得到滲碳體呈球狀的可以直接冷鍛的鋼材。
在中碳鋼線材的整個生產(chǎn)工序中，本發(fā)明工藝列在最后，本發(fā)明之前與之銜接的相鄰工序是粗軋，其溫度范圍是1150～900℃，粗軋的目的是使鋼坯截面變小，以容納本發(fā)明技術所不需要的多余變形量。對于具有冶煉和軋制能力的冶金企業(yè)，粗軋可以是連鑄熱送坯的初軋，并于粗軋后連續(xù)轉入本發(fā)明工序;對于僅有軋制能力而不具備冶煉手段的軋鋼廠，可將冷坯加熱至粗軋溫度粗軋，接著進入本發(fā)明工序;若冷坯截面只能滿足本發(fā)明要求的最小變形量而無多余變形量時，亦可將冷坯直接加熱至本發(fā)明的首道入軋溫度熱透后入軋。當軋制能力充分的情況下，本發(fā)明可容納全部變形量。換言之，本發(fā)明所要求的變形量原則上無上限限制。
根據(jù)本發(fā)明，再結晶控軋的截面相對變形比[＝(△S/So)×100%，下同]不應小于50%;再結晶控軋結束的瞬間，鋼材因變形而導致的溫升可達80-120℃。再結晶控軋的鋼材立即進行控制冷卻，使鋼材溫度由再結晶控軋結束瞬間的溫度迅速達到預軋溫度，其控制冷卻速度不應小于120℃/分，控冷速度無上限限制。控制冷卻至預軋溫度范圍的鋼材須立即進行預軋。預軋的溫度范圍是鋼材在空氣中自然冷卻時的Ar3至(Ar3+100℃)的溫度區(qū)間，預軋的變形比不得小于20%;預軋結束的瞬間，材料溫升可達100～150℃。預軋之后應進行控制冷卻以使料溫迅速達到精軋的溫度區(qū)間，其控制冷卻速度不應小于120℃/分，但無上限限制。預軋并控冷的鋼料應立即承受精軋，精軋的溫度是鋼在空冷時測定的Ar3～Ar1之間進入的溫區(qū)，精軋變形比不應小于25%。精軋的鋼應在600-720℃之間進入退火爐，爐溫應在(AC1-100)至Ac1之間的溫區(qū)，退火保溫時間不應少于30分鐘。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。


圖1是本發(fā)明工藝中再結晶控軋細化晶粒的示意圖;
圖2是本發(fā)明工藝在溫度時間坐標系中的示意圖;
圖3是本發(fā)明工藝以直條供貨的示意圖;
圖4是本發(fā)明工藝以盤園供貨的示意圖;
圖5、6、7、8、10是本發(fā)明實施例中有關數(shù)據(jù)及變化規(guī)律;
圖9是采用本發(fā)明工藝而獲得的優(yōu)良滲碳體球化的ML45鋼鋼材顯微組織照片。
圖3、圖4中，1-粗軋機，2-軋機，3-控制冷卻器，4-軋機，5-控制冷卻器，6-精軋機，7-退火爐，8-冷床(圖4中為移動爐底)，9-切料機，10-盤卷機。
下面對本發(fā)明所適用的鋼的化學成分和各工序作詳細說明。
1、本發(fā)明所適用的鋼種本發(fā)明工藝適用于平均碳含量在0.20～0.45%范圍內(nèi)用于冷鍛成形的中國與世界各國的碳素鋼和合金鋼。它們用于制造強度級別不低于8.8級的高強度標準件，即抗拉強度σb不低于800和屈服強度σS不低于800×0.8＝640MPa。這個強度等級是通過對成形的另件進行調質熱處理達到的。表1列舉了中國國家標準GB6478-86和GB5954-86中符合上述要求的一部分鋼的化學成分。由于鋼的化學成分不屬于本發(fā)明內(nèi)容，故對各元素及其含量合金設計原理、冶煉方法不贅述。表2列出一部分鋼種的Ac1、Ac2以及120℃/分冷速下測定的Ar3、Ar1的溫度值。
表1見下頁
表1本發(fā)明所適用的一部分鋼的化學成分(%)
表2本發(fā)明適用的一部分鋼的Ac3、Ac1及120℃/分冷速的Ar3、Ar1的值(℃)序號牌號 Ac3Ac1Ar3Ar11 ML30 810 723 715 6402 ML35 805 723 680 6403 ML40 780 723 700 6504 ML45 780 723 690 6405 ML30Mn 810 720 710 6406 ML35Mn 800 720 670 6307 ML40Mn 780 720 670 6308 ML45Mn 770 720 665 6309 ML30CrMo 810 740 750 63010 ML35CrMo 810 740 740 64011 ML42CrMo 800 738 740 65012 ML30CrMnSiA 850 740 700 65013 ML40Cr 790 730 700 65514 ML38CrA 800 730 700 65015 ML40CrNiMoA 790 720 [715] [650]注[]中的數(shù)據(jù)僅對采用本發(fā)明工藝有效。
2、再結晶控軋及其后的控制冷卻依照本發(fā)明，粗軋后的鋼須轉入再結晶控軋工序。再結晶控軋應力爭利用粗軋的余熱;在條件不具備時也可將粗軋的冷坯重新加熱至再結晶控軋溫度并熱透。再結晶控軋的溫度應在鋼的(Ac3+100℃)至Ac3的區(qū)間，再結晶控軋各道次累積變形比不應小于50%。再結晶控軋的目的是利用變形過程中和變形間歇的快速再結晶獲得晶粒平均直徑不大于45μ的單相奧氏體組織。圖1中的(1)是粗軋后再結晶形成的粗晶粒奧氏體示意;(2)是再結晶控軋過程中和道次間歇間的變形晶粒邊界上形成的動態(tài)和靜態(tài)再結晶細晶粒;(3)是再結晶控軋開始后的各道次間歇至預軋尚未開始的時間內(nèi)實現(xiàn)的遍及整個體積的細晶粒奧氏體。
為了保證再結晶控軋的技術效果不致被長時間高溫停留和溫度升高所抵消，再結晶控軋結束時以不小于120℃/分的冷卻速度迅速冷至預軋溫度。
3、預軋依照本發(fā)明，預軋應在(Ar3+100℃)至Ar3之間的溫度區(qū)域進行，預軋的變形比不得小于20%。預軋的目的有二一是進一步細化奧氏體晶粒，使其平均直徑小于25μ;二是提高鋼的Ar3溫度，從而提高預軋之后的精軋開始溫度。
預軋的第二個效果可用圖2加以說明。在溫度時間坐標中用實線繪出的CCT曲線因預軋(圖中的(4))的結果而上升至虛線所繪的位置，從而使Ar3和Ar1上升，但對Ar3的上升作用大于對Ar1的上升，故精軋可在表2所示值域高出30℃的溫度開始。
預軋后以不小于120℃/分的冷速使鋼件溫度迅速進入精軋溫區(qū)是為使精軋在過冷奧氏體尚未發(fā)生共析轉變之時進行，從而避免軋機承受大的變形抗力。
4、精軋預軋并控冷的鋼料需進行精軋。精軋應于Ar3～Ar1的溫區(qū)進行。在這個溫度區(qū)間，鋼材處于γ+α雙相區(qū)。其中的γ相是不穩(wěn)定的過冷相，而α相則是穩(wěn)定相。精軋導致α相超量析出于γ相的晶界、亞晶界以及位錯線，從而使γ相被穩(wěn)定的α相所機械分隔而失去長大空間并使γ相的晶粒再度細化至平均直徑小于5μ，以保證精軋之后鋼中的共析轉變在如此細小并存在大量變形缺限的奧氏體母相中發(fā)生。精軋變形比不應小于25%。
5、退火精軋的鋼應以不低于600和不高于720℃的溫度進入退火爐退火。退火的目的有二一是在超細化的過冷奧氏體中發(fā)生共析轉變，形成粒狀珠光體，并使Fe3C顆粒熟化為球;二是變形的先共析鐵素體發(fā)生再結晶。后者所需時間略長于前者，故退火時間不應短于30分種。退火保溫完成之后，鋼材冷卻至室溫。
采用三段式控制軋制和緊隨其后的短時間退火的本發(fā)明新工藝，使中碳鋼滲碳體球化速度較傳統(tǒng)的退火提高50倍。
本發(fā)明工藝的三部分變形由高溫到低溫分別在鋼的奧氏體、過冷奧氏體以及含有鐵素體的過冷奧氏體狀態(tài)進行，故盡管精軋溫度很低、卻不致于使變形抗力過高而軋制發(fā)生困難。在本發(fā)明工藝中。滲碳體的粒狀析出及其球化(熟化)是在軋制結束后的退火中實現(xiàn)的。退火的時間僅僅比共析轉變發(fā)生的時間略長以使變形的鐵素體再結晶也得以完成。
本發(fā)明工藝既可用于以直條供貨，也可用于以盤園供貨。圖3描述了以直條供貨的流程。粗軋的鋼坯從粗軋機(1)出來，待溫度達到再結晶控軋溫區(qū)(Ac3+100～Ac3)即可由軋機(2)進行再結晶控軋;繼而通過控制冷卻器(3)的控制冷卻進入軋機(4)的預軋;預軋的鋼通過控制冷卻器(5)進入精軋機(6);精軋的鋼在切料機(9)定尺后機入退火爐(7);退火的鋼料出爐上冷床(8)即告完結。圖4描述了以盤園供貨的流程。精軋的鋼料由盤卷機(10)盤卷進入退火爐(7)的移動爐底(8)，待退火保溫結束后移出爐外。以盤園供貨時，控制冷卻器(3)和(5)分別安放在軋機(2)和(4)的出口導衛(wèi)的后端。由控制冷卻器冷卻出來的鋼料在進入下一個軋機之前須有得以表里溫度均化的足夠行程。
下面是一些實例例1這個實例表明精軋開始溫度應與Ar3～Ar1溫區(qū)相符。ML45鋼60×60方坯、化學成分如表3。
表3ML45鋼坯的實際成分(重量%)鋼號 C Si Mn P SML45 0.43 0.17 0.44 0.021 0.019冷坯加熱至900℃熱透，取出后空冷至870℃進行再結晶控軋，變形比為0.72，在出口導衛(wèi)處以20℃/秒的冷速冷至750℃待鋼料表里溫度均勻后預軋，變形比為0.31，預軋料以20℃/秒的冷速分別冷至750、720、700、680、660、630和600℃之后精軋成φ19的園截面料;精軋變形比為59%。精軋料定尺后入700℃退火爐保持30分鐘后出爐冷卻并取樣檢測抗拉強度σb、斷面收縮率ψ、冷壓縮致裂變形比ξ＝(1-△h/h)×100%以及滲碳體球化率SR等四項指標。檢測結果列于表4和圖5。
表4ML45鋼的精軋開始溫度，對σb、ψ、ξ和SR的影響精軋開始溫度℃ σb(MPa) ψ(%) ξ(%) SR(%) 備注750 590 50 50 20720 560 55 55 50700 530 65 75 95 發(fā)明范圍680 520 67 75 98 發(fā)明范圍660 520 65 70 95 發(fā)明范圍630 670 51 50 70600 760 32 35 60很明顯，當精軋開始溫度介于700～600℃時，鋼材的斷面收縮率ψ及冷壓縮致裂門檻值ξ兩項塑性指標達到最好，且抗拉強度σb達到了最低。這正是冷鍛工序所要求的最佳性能。與之對應，鋼的滲碳體球化率達到了95%以上的值，說明滲碳體的優(yōu)良球化是獲得最好冷鍛性能的重要顯微標志。對照一下表2中ML45的Ar3和Ar1值(分別是690和640℃)，可知660～700℃的精軋開始溫度幾乎在Ar3～Ar1之間。需要指出，表2的Ar3、Ar1數(shù)據(jù)是在空冷時測定的。如果進一步考慮到事先的預軋已使鋼的Ar3得到了提高，則本例的精軋開始溫度已全部落入實際的Ar3和Ar1之間了?，F(xiàn)場實測還表明，即使在嚴寒冬季，精軋結束的瞬間鋼材的溫度也比精軋開始瞬間的高，故進一步提高ML45鋼的精軋開始溫度已不適宜。本實例的數(shù)據(jù)說明了這一點。圖9的顯微組織照片取自本實例中精軋開始溫度為660℃的鋼材。用此料直接冷鍛制成M18的螺栓經(jīng)860℃淬火和425℃回火可獲得10.9級的高強度級別。
例2這個實例的再結晶控軋、預軋全部與例1相同，但精軋開始溫度確定為660℃，而精軋累積變形比(即精軋前后的鋼材截面縮減率)作為變量，取0、16、22、33、44、53和59%等七個變化值，其中的0%意味著預軋后控冷至660℃不進行精軋而入退火爐保溫30分鐘之后出爐空冷。對各精軋比的退火鋼材取樣測定σb、ψ、ξ和SR，結果列于表5和示于圖6。由這些結果可知，隨著精軋變形比的增加，滲碳體球化效果變好，反映冷鍛性能的力學指標顯著改善。由圖6的四個曲線的走向，將精軋變形比的下限確定為25%是適宜的。沒有安排大于60%的變形比實驗?？梢灾赋?，更大的精軋變形比有可能因材料溫升過高而使鋼重新回到穩(wěn)定奧氏體并喪失大部分技術效果，從而降低球化率和提高強度，這顯然是不利于冷鍛的。
表5精軋變形比對σb、ψ、ξ、SR四指標的影響精軋比(%) σb(MPa) ψ(%) ξ(%) SR(%) 備注0 620 47 45 2816 570 51 56 5222 540 60 62 86 發(fā)明33 530 61 65 93 發(fā)明44 528 62 67 98 發(fā)明53 531 62 67 97 發(fā)明59 520 65 68 98 發(fā)明例3本實例是表明退火時間和退火溫度的。將例2中精軋變形比為59%的鋼材分別改變700℃退火的時間和30分鐘退火的退火溫度。其中改變退火時間的實驗作法是精軋鋼一組入700℃退火爐，每隔規(guī)定的時間取出一件冷卻，其中保溫時間0分鐘者意味著精軋后不經(jīng)退火直接冷卻至室溫。改變退火溫度的實驗是精軋鋼分別進入不同溫度待料的退火均保持30分鐘后出爐冷卻。對上述各樣品檢測SR和σb，結果列于表6、7和示于圖7、8。
表6精軋鋼700℃變時退火對SR和σb的影響退火保溫時間(分) 0 5 10 20 30 40 50 60SR(%) 20 50 82 95 98 98 97 98σb(MPa) 710 670 672 600 520 520 524 522表7精軋鋼30分鐘變溫退火對SR和σb的影響退火保溫(℃) 550 600 630 660 690 700 720 750SR(%) 30 42 80 92 98 97 98 10σb(MPa) 630 610 580 562 550 520 523 685由圖7或表6的數(shù)據(jù)知，對于滲碳體的球化率，退火時間15～20分鐘已足夠。然而從圖7中從強度σb變化的角度，退火時間需要不少于30分鐘。這說明是精軋過程中承受變形的鐵素體的再結晶所需時間多于過冷奧氏體發(fā)生共析轉變所需的時間。因此本發(fā)明確定的退火時間不應少于30分鐘。退火溫度不應低于630℃，因而退火溫度過低將增加片狀析出物所占比例。在作定量處理時，長寬比大于8的碳化物被認為是片狀的。高于720℃的退火應絕對禁止。因為高于此溫度時將重新使鋼恢復為穩(wěn)定奧氏體狀態(tài)和原三段控軋所積累的技術效應將喪失殆盡，并于以后的冷卻中發(fā)生正常的片狀共析反應。過高的精軋變形比也可能產(chǎn)生類似情況。
以上的三個實例均包括了三段式控制軋制。下邊的例4和例5將分別為說明預軋和再結晶控軋的必要性而安排。
例4仍是前三例的材料，但本例不包括預軋，即把預軋的變形量全部并入再結晶控軋，并于之后直接冷至例1中的各精軋溫度和700℃半小時退火保溫及空冷至室溫，然后取樣檢查滲碳體球化率一項組織特征，結果列于表8，并將表8數(shù)據(jù)與表5的SR一項數(shù)據(jù)同繪于圖10中，其中空心園圈是有預軋的數(shù)據(jù)，而實心園則是不經(jīng)歷預軋的精軋樣品球化率。很明顯，不經(jīng)預軋的精軋，球化率峰值出現(xiàn)在較窄的溫度區(qū)間，且球化效果不理想。這說明，預軋大約將Ar3溫度提高了20～30℃，從而拓寬精軋溫區(qū)。
表8再結晶控軋后直接精軋的開始溫度對SR的影響精軋溫度℃ 750 720 700 680 660 630 600滲碳體球化率SR(%) 14 31 44 82 85 57 50例5材料同前例。1150℃出爐粗軋至預軋開始前的截面尺寸(即不經(jīng)歷再結晶控軋)，然后立即冷至預軋的溫度(750℃)并預軋、之后控冷至例4的各精軋開始溫度精軋，變形比仍為59%，繼而700℃半小時退火和空冷，取樣測定SR，結果列于表9，并繪于圖10中，以倒三角表示數(shù)據(jù)點。結果表明，因有預軋而精軋溫度范圍得到拓寬(上移)，但因無再結晶控軋而球化效果降低。
由例4和例5可說明，為了在半小時退火中實現(xiàn)優(yōu)良球化、再結晶控軋和預軋都是必須的。
表9不經(jīng)歷再結晶控軋但有預軋的精軋開始溫度對SR的影響精軋溫度℃ 750 720 700 680 660 630 600滲碳體球化率SR(%) 18 40 70 75 77 62 --
權利要求
1.對平均碳含量在0.20～0.45%之間的中碳鋼或中碳合金鋼為獲得具有球狀滲碳體結構的線材(直條或盤園)的高效節(jié)能生產(chǎn)工藝，其特征在于對粗軋的鋼在鋼的(Ac3+100℃)～Ac3的溫度范圍進行變形比不小于50%的再結晶控制軋制，繼而冷至(Ar3+100)～Ar3的溫度以不小于20%的變形比進行預軋，接著冷至Ar3～Ar1的溫度以不小于25%的變形比精軋至鋼材終尺村，帶溫進入在Ac1～(Ac1-100)的溫度待料的爐子停留30分鐘以上，然后冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其特征在于再結晶控軋以及預軋之后的控制冷卻速度為120℃/分以上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的工藝，其特征在于再結晶控軋的溫度或利用正常軋制的余熱，或將粗軋冷卻的冷坯加熱至再結晶控軋溫度。
全文摘要
球狀滲碳體中碳鋼線材的高效節(jié)能生產(chǎn)工藝，其特點是三段式控制軋制和緊隨其后的短時間退火，包括在(Ac
文檔編號C21D8/06GK1088265SQ92111760
公開日1994年6月22日 申請日期1992年12月14日 優(yōu)先權日1992年12月14日
發(fā)明者吳凡, 陳子惠, 董軍鎖, 范文杰 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學