冷镦钢的生产和发展

戈峰

冷镦钢的生产和发展

摘要：冷镦钢盘条一般为低、中碳优质碳素结构钢和优质合金结构钢，
用来冷镦成型制造各种机械标准和紧固件。因冷镦工艺要求该钢具有高的洁净度，控制钢中Si 、Al 的含量，采用控制轧制和控制冷却工艺，避免出现马氏体、贝氏体和魏氏体组织，使钢材具有细晶和碳化物球化组织，以提高钢材的塑性和冷顶锻性能。介绍了国内外冷镦钢的开发和生产情况，化学成份对冷镦性能的影响，冷镦钢的生产工艺特长。
冷镦钢盘条的钢种一般为低、中碳优质碳素结构钢和合金结构钢。冷镦钢产品主要用于汽车、造船、设备制造、电子、家电、自行车、工具、轻钢结构、建筑等行业。
我国马钢和湘钢从20世纪80年代开始开发冷镦钢。据中国冶金报刊有关冷镦钢的数据资料表明，冷镦钢市场2003年全国紧固件需求量达到300万吨，2005年需求量预测将增至500万吨，其中汽车用螺栓等中高档冷镦钢丝紧固件超过100万吨。目前，华南一带的冷镦钢丝市场已经饱和，华东地区尚有10~20万吨的市场空间。一汽全年用钢材约100万吨，其中冷镦钢占7.7 %。我国汽车工业用钢材品种构成中冷镦钢占7~12%。
1        冷镦钢的生产和发展概况
1.1        国内冷镦钢的开发和生产
近几年来，我国开发的冷镦钢品牌在增加，产量在增长，质量在改进。如马钢：SWRCH18A、1018、ZL10A、ZL15A、ZL18A；湘钢：XSWR10K、SWRCH35K、SWRCH6A、22A、ML40Cｒ、ML35CｒMｏ；宝钢：SWRCH35K；天钢：SWRCH18A、SWRCH22A；莱钢：ML35；石钢：ML35、ML40、ML45、45＃；杭钢：ML35、ML40、CH35ACR；包钢：ML35、ML42CｒMｏ、SWRM12；太钢：ML07A、ML20MｎTｉB、CH1T；首钢：ML35、ML15；江阴兴澄：ML35；江苏沙钢:SWRCH35K、15MｎCｒNｉCｕ；大连金牜股份：ML35、ML15MｎVB、ML20MｎTｉB、ML35CｒMｏ、ML40Cｒ、ML35Mｎ、ML20Cｒ等品种。显然，冷镦钢的开发生产已经形成了一定的批量和规模。
1.2国外冷镦钢的生产
日本爱知制钢公司近年开发了AUS系冷镦钢不锈钢。公司开发的AUS系列产品，按产品使用方法的不同而分别将其分为奥氏体（A）、铁素体（F）、马氏体（M）及沉淀硬化系列。
冷镦用线材的典型用途是制作螺栓，其强度范围大，从抗拉强度400MPａ到1200MPａ以上， 且形状多。
俄罗斯生产的紧固件品种和种类接近世界水平。制造了约10%强度级别8.8以上的高强度紧固件。
进口钢丝与国内35＃中碳钢相近，但它的相组织非常细小均匀，白色小粒状的先共析铁素体非常均匀地弥散分布在基体上，没有网状组织存在。晶粒大小仅为1~2um，为国产中碳钢丝的1/10左右。并且具有良好的强塑性，在拉拔过程中显示出优良的拉拔性能，断丝率较低。研究认为，进口钢丝可能在热处理时并没有完全奥氏体化，而仅仅加热到奥氏体和铁素体的两相区进行保温后再冷却至室温，进口钢丝有奥氏体化温度低，保温时间短，从而热处理后的组织细小，渗碳体与正常奥氏体化处理的渗碳体相比，尺寸更小，厚度更薄，分布更加均匀，呈现出进口钢丝特殊的“两相组织”。基本上为完全珠光体组织，仅有少量小块状（尺寸约5um）先共析铁素体。
2        冷镦钢的生产工艺                  
2.1冷镦钢主要成分
　　　钢中碳含量一般按中下限控制为宜。钢中硅含量超过0.10%，随硅含量增加，钢的抗拉强度、硬度有所提高，但延伸率、断面收缩率下降更显著，不利于冷变形。钢中锰含量适中，可改善钢中硫的存在形态和分布，有利于提高钢的冷成型性。
　　　主要冷镦钢的牌号和成分见表1。
表1 各种冷镦钢的化学成分(%)
生产厂     牌号          C         Si           Mn           P           S      Als
马钢   SWRCH18A  0.15～0.20  ≤0.10      0.09～0.60    ≤0.030     ≤0.035    ≥0.02
         1018       0.15～0.20  ≤0.10      0.09～0.60    ≤0.040     ≤0.050      -
        ZL10A       0.07～0.12  ≤0.10     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035     ≥0.02
        ZL18A      0.15～0.20  ≤0.10      0.09～0.60    ≤0.035     ≤0.035   0.015～0.060
湘钢  XSWRCH10K    0.06～0.12  0.05～0.20  0.25～0.50    ≤0.030    ≤0.030      -
      SWRCH35KC    0.32～0.37  0.12～0.20  0.45～0.60    ≤0.030     ≤0.035     -
宝钢  SWRCH35K     0.32～0.38  0.10～0.35  0.60～0.90    ≤0.030     ≤0.035     -
天钢  SWRCH18A     0.150.20    ≤0.10      0.60～0.90    ≤0.030     ≤0.035    ≥0.02
      SWRCH22A     0.18～0.23  ≤0.10      0.70～1.00   ≤0.030     ≤0.035    ≥0.02
       ML35        0.32～0.40   ≤0.20     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035    -
包钢   ML42CrMo    0.38～0.45  ≤0.30      0.50～0.80    ≤0.035     ≤0.035  0.02～0.05
                                                       Cr0.90～1.20 Mo0.15～0.25 Ni≤0.20
莱钢     ML35     0.32～0.40  ≤0.20     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035 Cr、Ni、Cu≤0.20
         ML35     0.32～0.40  ≤0.20     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035 Cr、Ni、Cu≤0.25
石钢     ML40     0.37～0.45  ≤0.20     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035 Cr、Ni、Cu≤0.25
         ML45     0.42～0.50  ≤0.20     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035 Cr、Ni、Cu≤0.25
杭钢    CH35ACR   0.35～0.39 ≤0.10      0.09～0.60    ≤0.030     ≤0.030      Cr≤0.20
        ML07A       ≤0.09    ≤0.10     0.30～0.60    ≤0.035     ≤0.035       -
太钢   ML20MnTiB  0.17～0.24  ≤0.30      1.30～1.60   ≤0.035    ≤0.035    B0.0005～0.003
                                                                              Ti0.04～0.10
2.2        冷镦钢的生产
冷镦钢生产的工艺流程：铁水　转炉　精炼炉　　连铸（模铸）　铸坯检查　初轧开坯、連轧　钢坯修磨　高线热轧盘条　成品检验　　入庫
冶炼冷镦钢的关键是要提高钢水的纯净度，降低钢水的非金属夹杂物的污染度。钢水终点碳含量稳定在规定范围内是降低钢水氧化程度和减少非金属夹杂物污染的主要措施。
2.2.1冷镦钢的冶炼工艺
在金属制品生产中广泛使用ML35和ML45冷镦钢。结合各钢厂的生产工艺和产品开发，具体介绍ML35钢的有关情况（表2）。
表2  ML35钢的力学性能
项目            屈服强度 δS/MPa   抗拉强度δb/MPa  延伸率δ5/%  断面收缩率ψ/%

标准              ≥315            ≥530           ≥20          ≥45
首钢优化目标     380                575              31            60

首钢和包钢用转炉生产ML35钢，莱钢和江阴兴澄用电弧炉生产ML35钢。ML35钢的生产按照GB6478-86标准执行，主要用于制造8.8级高强度标准件。
首钢提出：ML35冷镦钢屈服强度的平均值为380MPａ，合格的屈服强度≥380MPａ；ML35冷镦钢抗拉强度的平均值为576MPａ，合格的抗拉强度≥576MPａ；ML35冷镦钢断面收缩率的平均值为56%，合格的面缩率≥56%。
首钢和包钢生产ML35冷镦钢采用80吨转炉冶炼。包钢造渣制度是用单渣法，供氧制度定氧压、变枪位，终点控制是拉碳补吹，炉后增碳。装入制度是造渣料分批、多次加入，严格控制好过程温度防止钢水过氧化。钢包内的钢水在全程吹氩状态下进行精炼。用低级速到高级速逐渐提高升温速度的方式加热，并适时加入造渣料，配加CａC215~30kg，Al粒25~50kg。在还原性气氛下深脱硫，脱硫率平均为59.2%。
江阴兴澄钢铁有限公司开发了ML35钢并形成批量生产。30吨电弧炉冶炼  40ｔ钢包炉精炼　R8ｍ连铸140方坯　　坯料精整合格后轧制成材。该钢厂为提供纯净度高、温度、成分均匀合适的钢水采取措施：（1）加强电弧炉出钢过程及精炼前期预脱氧工作。电弧炉出钢时顺流加吨钢1ｋｇ硅钡，LF前期吨钢喂0.3ｋｇ铝丝，同时保证1600℃左右的精炼温度，使脱氧产物有时间充分上浮。（2）精炼后期补喂铝丝，由于此时钢水含氧量较低，补喂的铝大部分以溶解铝的形式存在于钢中。（3）加铝完毕再喂入吨钢1ｋｇ硅钙，能防止连铸过程中的结瘤且改善夹杂物的形态和分布。
2.2.2连铸保护浇注
钢水连铸用氩气保护浇注，耐火材料建议使用镁质的耐火材料。最好采用中间包挡板过滤元件和管道陶瓷送气管，去除连铸钢水的非金属夹杂物。一般钢水出精炼站后采用覆盖剂保护，大包水口采用长水口氩封保护浇注，中包施行覆盖剂保护，下水口采用浸入式水口加密封垫片保护浇注，结晶器采用液面自动控制系统。优化拉速、配水。采用电磁搅拌，优点是稳定地搅拌结晶器的钢液有利于提高铸坯的表面质量，减少内部裂纹和中心缺陷。
包钢将温度和成分合格的ML35钢水用铸机浇铸成规格为280ｍｍ×325ｍｍ和280ｍｍ×380ｍｍ两种铸坯。中包钢水达13ｔ时，压塞棒开浇，结晶器采用同位素自动液面监控装置准确控制钢液面高度，防止溢钢与漏钢。浇铸前期用进口保护渣，后期改用自产保护渣。
江阴兴澄开发生产高质量连铸坯，值得一提的关键技术措施是尽量减轻连铸过程中钢水的二次氧化并确保连铸坯低倍组织表面质量：
（1）        保护浇铸：大包、中包、结晶器采用长水口、浸入式水口、覆盖剂、保护渣。
（2）        采用设置挡渣堰的中包并使钢水深度超过650ｍｍ，保护渣ｗ
（Aｌ2O3）≤4%，使浇铸过程中产生的Aｌ2O3夹杂物被保护渣吸收并控制较低的拉速。
（3）        采用小振幅、高振频的参数，并控制结晶器液面波动不超过±20ｍｍ（无液面控制系统）；保护渣采用预熔型颗粒，少加勤加。
（4）        中包钢水过热度在20～35℃以内，为防止中包钢水温度波动过大，大包、中包加盖浇铸；优化连铸二冷制度，采用气雾冷却　技术弱冷；拉速≤1.6ｍ/min，矫直温度≥950℃。
2.2.3        轧制
首钢第一型材厂使用130ｍｍ连铸方坯试轧盘圆。该厂设备：加热炉为三段连续式推钢加热炉；轧机为16架，其中粗轧8架，精轧8架；冷床为齿条步进式。130ｍｍ连铸方坯在加热过程中严格控制加热炉各段温度，开轧温度范围在1038～1073℃，平均为1054℃。晶粒度为8.5级。为细化晶粒水冷，冷却段长度12ｍ，总流量234ｍ3/h，穿水冷却后钢材平均温度由终轧时的1130℃降为960℃。ML35的Φ18ｍｍ冷镦钢力学性能屈服强度δS 364MPａ、抗拉强度δb559MPａ、延伸率δ528%、断面收缩率ψs53%，基本上能满足标准要求。
莱钢用下注法铸锭（678KG），钢锭修磨后轧制成60ｍｍ×60ｍｍ方坯，再轧成盘圆。
3　冷镦钢的质量热点问题
　　　高档次标准件对原料的质量要求如下：盘条具有较高的塑性指标，断面收缩率及延伸率较高。在冷塑性变形中，材料的变形抗力小，加工硬化率低，材料的屈服强度/抗拉强度值小；盘条硬度HB适当，不要过高；盘条具有良好的表面质量，一定的表面光洁度，不允许有折叠、裂缝等表面缺陷；钢的组织致密，无内部缺陷。
湘钢冷镦钢质量有两个主要工艺影响因素，即连铸结晶器巻渣与形成大型夹杂，破坏了钢的连续性；线材轧制过程中不均匀冷却造成线材内部晶粒尺寸相差悬殊。细晶粒只有3～4ｕｍ；而粗晶粒可达50～60ｕｍ以上。粗晶粒与细晶粒区的显微硬度相差50%。
太钢对超低碳冷镦钢CH1T在冷镦成型时出现缺陷的防范措施：（1）控制1150～1200℃的较低钢坯加热温度是控制铁素体晶粒度的关键参数。同时，需严格控制盘条吐丝温度在910～930℃之间，使盘条成品具有适中的晶粒度大小，以6～6.5级为宜。（2）提高盘条表面质量。使用时通过调整拉拨变形量和在适当的工序采用相应的退火工艺，可改善冷镦成型性能。
江苏沙钢冷镦钢热轧线材控轧控冷结果表明，冷镦钢生产加热温度与低、中碳钢相同，但加热上严格控制炉压，使炉膛气压保持微正压3～10Pａ，并适当调整温度，减少表面氧化而脱碳。实现开轧温度930～950℃低温轧制，防止奥氏体晶粒的粗大。选择适当的吐丝温度820～840℃，减少氧化铁的生成量，配上较低的冷却速度0.8～2℃/s，使奥氏体分解转变时间较长，以此获得细小的铁素体加少量均匀的珠光体。
最合适的冷镦变形组织是碳化物球化组织，其强度和硬度降低，塑性较好，有利于冷镦变形。马钢以ZL18A为代表的自攻螺丝用冷镦钢丝，球化退火温度为（680±10℃），保温4ｈ，钢丝的渗碳体球化效果最好。ZL18A自攻螺钉用盘条冷镦开裂，其原因是用户省略了球化退火工序，拉拨后直接冷镦造成的。为满足用户的这种要求而提出的措施：C、Mｎ含量按中下限控制；负偏差轧制，减少或避免魏氏组织。ML35、ML45为典型中碳冷镦钢丝，当冷镦变形量＞60%时，在冷镦前应进行720℃、保温4h的球化退火，使珠光体球化组织达到4～6级，保证钢丝的加工塑性。
4结束语
我国冷镦钢的开发生产已取得了初步成果，但质量还有待进一步提高。了解和掌握国内外冷镦钢的生产技术水平，在重钢公司现有的生产设备条件下，借鉴 其它钢厂的成功经验，在生产过程中坚持优化冷镦钢全部工序的工艺技术规程，进行铁水预处理、转炉冶炼、钢包精炼、连铸机连铸、加强坯料加热、中间轧制、吐丝温度控制，严格按标准执行，可以生产出市场要求性能的冷镦钢。