8R27.弹簧钢晶粒超细化轧制技术研究-东北特殊钢张 宇

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳43弹簧钢晶粒超细化轧制技术研究张宇（东北特殊钢集团有限责任公司大连116031）摘要：本文根据新型高强、高韧弹簧钢38SiMnVB的相变点，利用高精度合金钢高速线材连轧机，采用控制轧制技术生产出超细晶粒钢。通过力学性能对比实验，得出超细晶粒钢比常规轧制钢的力学性能有大幅度提高。同时合理控制的热轧超细晶粒钢可以不用退火直接拉拔，适用于生产轿车悬挂弹簧或油淬火钢丝。关键词：弹簧钢；晶粒细化；控制轧制；高强高韧StudyontheRollingTechnologyofSuperFineGrainSpringSteelZHANGYu(DongBeiSpecialSteelgroupCo，LtdDalian116031)Abstract:Accordingtothepointoftransformationphaseofspringsteel38SiMnVB,superfinegrainspringsteelisproducedbythemodernmillandcontrollingrollingtechnologyandtheory.TestmatchprovidethatIthasnotonlythesuperhighstrength(tensileandyield)butalsoveryhightoughness.Hotfinishedcoilrodsteelcanbecolddrawwithoutannealing.Suchsuperfinegrainsteelissuitabletoproducespringofcarandquenchingwire.Keywords:SpringSteel；FineGrain；ControlRolling；HighStrengthandToughness1前言新一代钢铁材料重大基础研究课题的基本思想是钢的纯净化、均匀化和晶粒超细化[1]。晶粒细化显著提高钢的力学性能。随着中国汽车工业的发展，特别是轿车产量的高速增长，对弹簧的质量提出高强、高韧的要求。弹簧的高强度、高韧性是弹簧材料研究的重要方向[2]。稳定杆、扭力杆和螺旋悬挂弹簧对轿车轻量化具有重要意义。38SiMnVB弹簧钢通过采用微合金化的方法[3]，初步具备高强、高韧的特性。为了充分发挥该钢种潜能，结合控制轧制理论，研究了微合金弹簧钢的生产工艺。通过控制轧制获得超细化晶粒，超细化晶粒使钢在超高强度下保持更高的塑韧性。2试验材料及生产工艺2.1试验材料的主要技术要求2.1.1化学成分:试验材料38SiMnVB化学成分如表1所示表1试验材料化学成分%Table1Chemicalcompositionsofteststeel%元素CMnSiVB主要成分0.391.481.210.090.00192.1.2主要技术要求（1）力学性能热处理后力学性能符合表2规定。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳44表2热处理后机械性能Table2Quench-temperingHeattreatmentmechanicalproperties钢号屈服强度抗拉强度延伸面缩38SiMnVBσ0.2≥1600MPa、σb≥1800MPaδ5≥9%、ψ≥40%。（2）非金属夹杂物成品材料非金属夹杂物符合表3表3非金属夹杂物Table3Nonmetallicinclusion指标标准A≤1.5B≤2.0C≤0.5D≤1.0实际1.01.000（3）其它技术要求符合表4表4其它技术要求Table4Othertechnicalrequirements氧含量PPm晶粒度全脱碳层总脱碳层标准基本要求O≤20≥70≤1%D2.2主要生产工艺2.2.1生产工艺流程电炉（EBT）→炉外精炼（LF+VD）→模铸（3T）→红转→开150mm方坯→钢坯缓冷→探伤→钢坯喷丸→探伤→钢坯机械修磨→棒线材连轧机→热轧材成品2.2.2生产装备冶炼：40吨EBT电炉、钢包炉及真空炉。开坯：φ750mm轧机。探伤：国产超声波设备和德国引进的磁粉探伤设备。加热炉：日本中外炉公司步进式可控气氛加热炉。连轧机：德国西马克公司(SMS)高精度合金钢棒线材连轧机组，具有控轧、控冷功能，配有Block机组，Stelmor线和PF线。2.2.3工艺控制冶炼：电炉出钢温度1660℃，钢包中部分合金化，LF炉完成合金化。VD真空处理时间22分钟.真空度0.5乇保持12分钟，然后浇铸钢锭。开坯：钢锭红转，经加热炉加热到规定温度，由七五○轧机轧成150mm方坯，然后转入保温坑缓冷，消除轧制应力，杜绝应力裂纹和白点缺陷。修磨：钢坯经喷丸清理、探伤及机械修磨，有效地保证了内外部坯料的质量，完成了坯料的准备工作。轧制：合格钢坯由步进式加热炉加热，该炉气氛可控，有效地限制了合金弹簧钢的脱碳程度，整个钢坯温度控制均匀、准确。3试制结果在加热温度和均热温度不变的情况下，选用常规轧制工艺和控制轧制工艺进行轧制。两种工艺对比的具体工艺如表5所示。根据两种不同的轧制工艺，获得的组织、晶粒度、硬度及脱碳等质量差异情况如表6所示。轧制工艺对力学性能的影响如表7所示。控制轧制不同于常规轧制，控制轧制时钢的精轧温度低，轧后先是快冷到低的吐丝温度，然后2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳45延迟缓冷。应用这种工艺轧制状态的金相组织发生变化，对应的硬度存在大的差别。变化最显著的是晶粒度出现超细化，达到10级以上。晶粒超细化最终体现为控制轧制的优越力学性能指标。表5常规轧制与控制轧制工艺Table5NormalrollingandControlrollingtechnology控制点加热温度均热温度精轧温度吐丝温度Stelmor冷却常规轧制1014-1018℃980℃850～900℃800～850℃标准冷却控制轧制1014-1018℃980℃控制控制延迟冷却控制轧制与常规轧制工艺主要区别：控制轧制比常规轧制的精轧温度低，吐丝温度也低，同时控制轧制速度和减面率以及Stelmor冷却速度和方法等。表6金相和硬度检验对比Table6Comparisonofmetallographictestandhardnesstest项目金相组织硬度(HRC)全脱碳层(mm)总脱碳层(mm)晶粒度常规轧制M+B+P41～4500.07～0.107～8控制轧制P+F2600.03～0.05≥10常规轧制钢的晶粒度主要以8级为主，金相组织以贝氏体+珠光体为主，硬度较高。控制轧制钢的晶粒度大于10级（平均5μ～7μ），金相组织是铁素体+珠光体，硬度不高。本钢种不易于脱碳。表7性能对比Table7Comparisonofmechanicalproperties轧制制度试验状态抗拉强度Mpa屈服强度Mpa延伸%面缩%屈强比常规轧制热轧态1310～16705～612～19不能拔丝控制轧制热轧态925～1010615～74019.5～2445～58直接拔丝两种轧制指标平均差300～50014～1825～30控制轧制比常规轧制的强度低300～500MPa，延伸高14%以上，面缩高25%以上，所以控制轧制的钢可以不用退火就可以满足减面率为45%的拉拔。而常规轧制拉拔前必须退火。4分析讨论38SiMnVB钢的相变点AC1、AC3、Ar1和Ar3分别为740℃、835℃、625℃、700℃[4]。制定控制轧制工艺的重点是根据相变点进行控温轧制。轧制是在奥氏体相区进行形变，运用动态再结晶与静态再结晶理论特点，使之形核数量快速增加[5]，随后控制冷却速度，抑制晶粒张大，使晶粒细化。得到理想的细晶组织和良好的力学性能。在850℃以上的高温晶粒细化是利用热变形与再结晶规律细化奥氏体，主要是以动态再结晶为主,细化作用不明显。在850℃形变，主要以静态再结晶细化奥氏体。这是细化奥氏体晶粒的主要阶段。上道次晶粒的再结晶为下道次提供了原始细的奥氏体晶粒，通过再结晶又进一步细化。在835℃（AC3）再结晶困难。而由奥氏体再结晶温度以下至Ar3=700℃这段（过冷奥氏体）温度轧制时，过冷奥氏体形变不发生再结晶，但在晶内形成大量变形带，冷却时不仅在奥氏体晶界形成铁素体核心，在晶内变形带处由于形变导致相变，也产生大量相变核心。通过延迟缓冷，发生相变，结果晶粒细化。在低温吐丝也抑制相变的晶粒张大，结果得到更细晶粒的珠光体组织。图1为超细晶粒的珠光体组织。超细晶粒的珠光体组织通过淬火处理，得细到的板条马氏体组织如图2所示。常规轧制如图3所示。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳46控制轧制-热轧100×控制轧制-热轧状态500×Controlrolling-hotrollsteel100×Controlrolling-hotrollsteel500×图1控制轧制超细晶粒钢组织Fig1Structureofcontrolrollingsuperfinegrainsteel880℃淬火100×880℃淬火500×Quenchat880100×Quenchat880500×℃℃图2控制轧制超细晶粒的钢淬火组织Fig2QuenchStructureofcontrolrollingsuperfinegrainsteel100×400×图3常规轧制组织-热轧状态Fig3Structureofnormalrolling–hotrollsteel2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳4738SiMnVB钢虽然有V、B的微合金化，具备现代钢组织细化和性能控制元素，起到推迟珠光体转变，增强奥氏体稳定性作用。但在常规轧制工艺中得不到超细晶组织。由于常规轧制基本全部在高温进行，轧制变形过程是升温过程。研究表明，在930℃晶粒急剧张大]。高温吐丝，冷却速度相对过快，过冷奥氏体发生珠光体转变变得困难，大部分转变成贝氏体、马氏体的混合组织。这样轧制状态下钢的强度高，塑性差，同时晶粒也相对粗大。硬度、脆性都明显增加。这种组织状态不利于直接拉拔，热处理后强度指标的提升受到限制。为了避免该组织状态出现，必须执行控轧、控冷工艺，以改善其综合性能。表8热处理后力学性能Table8Quench-temperingHeattreatmentmechanicalproperties轧制制度试验状态抗拉强度Mpa屈服强度Mpa延伸%面缩%屈强比常规轧制1880～18501640～160012～1248～470.86～0.87控制轧制870℃淬火320℃回火2030～21401900～201012～1548～550.93～0.94控轧与常规的平均差180～260300～370相当略高0.0738SiMnVB钢综合性能另一体显，是控制轧制的超细化晶粒钢经870℃淬火320℃回火热处理后，抗拉强度、屈服强度、延伸、面缩技术指标全面提高，屈强比也增大，体现出弹簧材料必备的特性。而常规轧制的38SiMnVB钢同样经870℃淬火320℃回火热处理后，除延伸、面缩指标与控制轧制基本相当外，其抗拉强度低180～260Mpa，特别是屈服强度低300Mpa以上、屈强比也低。所以常规轧制钢的综合力学性能大幅度低于控轧的细晶粒钢。热处理后力学性能如表8所示。通过对力学性能分析及金相组织检验对比，合理的控制轧制可以得到超细晶粒钢。超细晶粒钢既提高强度，又提高了屈强比。同时也得到较高的延伸和面缩。这样的控制轧制技术使钢得到如此良好的机械性能指标在国内钢铁材料中报道不多。38SiMnVB弹簧钢的控制轧制技术的研究是所有弹簧所追求的高强、高韧弹簧材料发展的方向。为轿车工业弹簧材料更新换代开辟了新的途径。5结论(1)在工业化大生产中，利用合理的控制轧制工艺，可以获得超细化晶粒钢。(2)利用合理的控温轧制工艺，热轧38SiMnVB线材可以省去退火直接进行拉拔。(3)38SiMnVB超细化晶粒钢经调质处理后比普通晶粒钢体现出显著的综合力学性能。参考文献[1]翁宇庆，钢铁组织材料的组织细化。钢铁，2003（5）.[2]高伟，