• 微信
  • 抖音

冷镦钢 10B21热轧盘条开裂原因分析与改进措施论文

理工论文 15℃ 0
SCI发表中的作者贡献度评估与署名规则

  关键词:冷镦钢;冷拉拔;裂纹;热轧盘条

  冷墩钢10B21经过酸洗、磷化、皂化等一系列工艺处理后,对其进行拉拔处理可制作获得冷镦钢精线,在多工位冷镦机的加工下,冷镦钢精线可被加工为设计的零件。尽管冷镦钢10B21热轧盘条拥有出众的综合性能,但是仍会在后续加工中发生开裂,对实际生产进度、产品质量造成负面影响。通过分析冷镦钢10B21热轧盘条开裂的原因,在此基础上拟定相应的改进措施,以此降低冷镦钢10B21热轧盘条加工开裂风险,为冷镦钢10B21热轧盘条的后续正常使用提供支持。

冷镦钢 10B21热轧盘条开裂原因分析与改进措施论文

  1冷镦钢10B21的优势与用途

  冷墩钢充分利用金属的塑性,在冷墩成型加工工艺下,根据冷镦钢生产规范制备获得钢铁标准件。冷墩钢凭借其高强度、耐腐蚀、节能环保、制作成本低等多种优势,成为制作紧固件、零配件的常用钢材,常见的冷墩钢零件包括螺栓、铆钉、螺母、螺钉等。在冷镦钢制作过程中加入适量的B元素,即可获得冷墩钢10B21,冷墩钢10B21是8.8级、10.9级钢铁标准件的主要制作原料[1]。

  2冷镦钢10B21热轧盘工艺路线

  冷镦钢10B21热轧盘条工艺流程包括:(1)高炉铁水;(2)转炉;(3)LF精炼炉;(4)连铸机浇注成160×160mm的方坯;(5)方坯堆垛缓冷;(6)方坯精整;(7)高线加热炉升温;(8)高线模块轧机轧制;(9)检验;(10)入库。表1所示为10B21冷镦钢的元素成分。

  通过观察表1信息,10B21冷镦钢当中的Cr、B、Al属于微量元素,其中Al的最大占比为0.045%、B的最大占比为0.003%、Cr的最大占比为0.2%。实际生产中发现,含B元素的冷镦钢10B21热轧盘条顶锻发生开裂概率相比其他钢材制作的热轧盘条更高。为进一步观察冷镦钢10B21热轧盘条开裂现象,对冷镦钢10B21生产过程进行全程跟踪。经过跟踪观察发现,冷镦钢10B21热轧盘条剪切试样、成品盘条试样存在开裂现象。为进一步分析开裂原因,以宏观特征、金相为切入点,对其予以检测分析[3]。

  3冷镦钢10B21热轧盘条裂纹原因分析

  3.1成品热轧盘条裂纹特征分析

  3.1.1宏观特征

  加入B元素的冷镦钢10B21热轧盘条上存在1/3冷顶锻开裂,其裂纹比例较其他钢材制作的热轧盘条更高。鉴于冷镦钢10B21热轧盘条存在于其表面的裂纹会隐藏在氧化铁皮下而阻碍了视觉观察,为弥补无法直接观察的不足,截取20mm的冷镦钢10B21热轧盘条作为试样,对试样进行酸洗处理,控制酸洗恒温73℃、持续酸洗时间10min。处理后冲洗其表面残留的处理液,对其表面质量进行检测,检测后发现裂纹方向与沿轧制方向一致。如图1所示。

  3.1.2微观特征

  选取热轧盘条存在裂纹的位置,确定位置后截取5mm试样,处理完成后使用金相显微镜(LM100-G,广州市莱特光电技术有限公司)对其进行观察,观察结果显示试样表面存在的裂纹平均深度为200.78μm。试样裂纹两端组织存在块状铁素体与珠光体,且裂纹周边伴有显著的脱碳现象。如图2所示。

  3.2裂纹形成机理分析

  结合显微镜下成品热轧盘条裂纹及其周边组织特征观察结果,可判定铸坯裂纹是造成冷镦钢10B21成品热轧盘条裂纹的主要原因。鉴于冷镦钢10B21方坯在进入加热炉前是否存在开裂现象处于不确定状态,若成品热轧盘条裂纹并非因方坯缺陷造成,因后续的方坯轧制环节是在加热后进行,则通常不会引起盘条裂纹周边出现脱碳现象[4-5]。裂纹处有脱碳层,说明成品热轧盘条的裂纹与方坯缺陷有关,方坯在高线加热炉加热过程中发生氧化脱碳,方坯轧制完成后无法将裂纹消除,是造成成品热轧盘条出现裂纹的直接原因。

  Mn/S的数值较低、晶界上的Al质点发生沉积等化学元素因素、钢水过热度过高、连铸工艺不合适、铸机状态不佳等均是造成冷镦钢10B21连铸坯表面出现裂纹的主要原因,其中连铸工艺不合适主要包括二次冷却强度不均、浸入水口插入深度不适、液面波动等。

  4冷镦钢10B21热轧盘条开裂改进

  4.1明确改进方向

  结合冷镦钢10B21热轧盘条裂纹分析结果,进一步明确裂纹改进方向:①对化学成分进行合理设计,其中B、Ti、Al为重点设计对象;②将连铸生产期间的比水量、二冷水强度、结晶器保护渣控制在合理工艺参数范围内,为降低冷镦钢方坯裂纹发生率提供支持。结合生产工艺分析结果,发现冷镦钢方坯的Mn/S数值、过热度、比水量等均与工艺设计要求相匹配,需要注意的是在此期间会存在较大的结晶器液面波动,平均波动幅度>±5mm,与工艺要求的结晶器液面波动幅度≤±3mm不相符。本次研究认为,含B冷镦钢盘条开裂的主要原因是方坯表面自带裂纹。

  4.2改进措施

  4.2.1减小结晶器液面波动

  (1)更换结晶器保护渣

  结晶器内坯壳均匀性差是引起冷镦钢液面波动的原因,保护渣的碱度、粘度在结晶器内温度较高的情况下,夹在结晶器铜板与初生坯之间的渣膜结晶相会增加、玻璃相会减少,使得坯壳与结晶器间的传热速度下降,降低了坯壳凝固的均匀性,需设计冷镦钢10B21专用渣,以达到理想的液面波动控制效果[6]。

  (2)调整结晶器冷却制度

  结晶器初生坯壳均匀生长可为液面波动控制创造条件。结晶器弱冷、缓冷对于控制坯壳均匀生长具有显著效果,对此重新设计长度为900mm的长直板结晶器,宽边水流量3600L/min、进出水温差5℃,液面波动幅度得到有效控制。

  (3)优化二次冷却制度

  结晶器坯壳生长不均匀会增加方坯表面开裂风险。尽管传统二次冷却工艺运用弱冷制度降低裂纹扩大,但是会降低二冷区方坯坯壳生长速度、增加坯壳表面温度。当结晶器液面出现大幅度波动,此时会降低拉速、增加二冷水量,以此实现坯壳厚度的增加、方坯表面温度的降低,达到控制结晶器液面大幅度波动的效果。方坯温度过低会引起低温矫直,使方坯表面出现矫直横裂纹,导致热轧盘条在生产过程中因压缩比不足、无法促进裂纹愈合而导致成品热轧盘条开裂。运用目标温度控制模式对各区水量予以计算,并结合计算结果将拉速不同、温度不同条件下的方坯表面温度控制在工艺设定值,确保方坯内外部质量稳定,避免出现裂纹。

  (4)调整拉坯力

  结晶器液面波动状态下,伴随拉坯阻力的持续增加,相应的驱动辊电流波动较大、拉坯力也随之波动,相应的会造成拉坯速度波动,导致结晶器液面大幅度波动。在冷镦钢方坯完全凝固的状态下,将驱动辊压力由热坯压力17~38bar调整至冷坯压力200bar,不仅提升了拉坯力、将拉坯速度控制在稳定状态,还有效控制了结晶器液面波动幅度。

  4.2.2轧制工艺改良

  为进一步降低盘条塑性不佳造成的开裂现象,需要在细化热轧盘条铁素体晶粒的基础上,进一步对轧制工艺予以优化处理。在合理范围内适当降低加热温度,由此防止奥氏体晶粒直径增加,获得的铁素体组织直径更小;降低终轧速度,有效防止盘条在轧后发生混晶现象;降低吐丝温度、提升冷却速度,抑制先共析铁素体直径变大,避免盘条未经球花退火进行冷拉拔出现裂纹。表2所示为改良后的冷镦钢10B21热轧盘条轧制工艺。

  使用改良的轧制工艺制作冷镦钢10B21热轧盘条,并通过电子显微镜对其表面组织进行观察,可以观察到存在铁素体、珠光体,其中铁素体晶粒度为10~11级,不存在混晶、脱碳现象。对该盘条进行冷镦处理,发现冷镦高度达到1/5时,盘条仍未出现裂纹。

  4.2.3细化热轧盘条铁素体晶粒

  盘条大部分裂纹集中在边缘部位,且表现为穿晶斜裂。当盘条试样冷镦高度为1/3时不会出现裂纹,当冷镦高度上升至1/4时会出现裂纹,且表现为铁素体晶粒尺寸不均,降低了盘条的塑性。传统工艺对冷镦钢10B21热轧盘条进行加工的过程中,无论是否对盘条进行拉拔均会对其予以球花退火处理,处理后的盘条展现出理想的塑性。取消球花退火环节后,冷镦后的盘条成型效果下降,由此判断盘条的成型效果与冷镦钢塑性存在直接关系。大直径铁素体晶粒、混晶会削弱盘条冷镦的综合性能,在此条件下对盘条进行冷拉拔,此时盘条的塑性会进一步下降,由此造成盘条冷镦成型期间,其形变量最大的位置出现裂纹。

  对盘条铁素体晶粒予以细化处理,可有效防止混晶的现象发生,提升了盘条冷镦成型效果,即便对盘条予以冷拉拔处理后不再进行球花退火,仍不会出现裂纹[7]。

  5结束语

  发生碳化的冷镦钢10B21方坯,经过热处理后裂纹无法消失,导致其轧制的盘条表面带有人眼不可见的裂纹。通过对冷镦钢10B21热轧盘条裂纹的宏观特征、显微特征进行分析,发现脱碳、方坯裂纹等原因导致热轧盘条出现裂纹,进而造成其在后续的应用中出现开裂现象。在铁素体晶粒细化、轧制与连铸工艺改良后,制作的热轧盘条表面无裂纹,进而有效避免其开裂。

  参考文献

  [1]高大阳.SWRCH22A盘条顶锻开裂机理研究与优化措施[J].福建冶金,2023,52(5):34-36.

  [2]朱帅,李阳,王广顺,等.锅炉扁钢用免退火12Cr1MoV盘条控轧控冷工艺优化[J].特殊钢,2024,45(1):94-97.

  [3]李若冰,杨正.Q195低碳钢冷顶锻开裂类型原因分析及改进措施[J].锻压技术,2023,48(2):36-43.

  [4]温娟,来萍,陈涛,等.高强焊丝用H10Mn2SiNiMoTi盘条拉拔横裂分析[J].材料开发与应用,2022,37(6):119-123.

  [5]刘金庆,马春雨,陈猛,等.ML20MnTiB冷镦开裂原因分析及改善措施[J].金属制品,2022,48(5):41-43+52.

  [6]汤德华.ML40Cr冷镦钢热轧盘条顶锻开裂原因分析及改进措施[J].江西冶金,2021,41(3):51-55+79.

  [7]曹树卫,王晓燕,翟林甫.异型钢丝用65Mn热轧盘条的生产实践[J].河南冶金,2014,22(4):30-33.

学术期刊发表-留言咨询

免费咨询 高端品质服务 专业学术顾问为您解答!