控軋控冷技術在35CrMo鋼彎曲度控制上的應用

楊迎君

（河鋼宣鋼有限責任公司）

0 前言

CrMo系列作為汽車和機械重載的傳動部件，要求其具有良好的強韌性、耐磨性、彎曲疲勞、耐接觸性等性能[1-2]。這就要求其合金含量較高，但是在生產使用過程中，軋后組織的相變過程往往被推遲。再加之軋制生產中需先將材料加熱到奧氏體化溫度，從變形方面考慮，鋼的加熱溫度應盡可能地高，這樣不僅有利于軋制，而且高溫下微合金元素能大量的固溶于基體中，有利于在隨后的軋制過程中大量彌散析出，從而有助于強度的提高；但加熱溫度高會造成初始奧氏體晶粒粗大[3]。奧氏體組織粗大，合金鋼的珠光體相變過程往往被推遲，在冷床上珠光體相變還沒有完成，組織轉變進入貝氏體相區[4]。同時，由于軋材組織心部和邊部溫度差異很大，加之冷床上下溫度的差異，使棒材通條上下表面出現很大的組織應力不均勻性，在冷剪剪切后，圓鋼出現側向彎曲[4]。出現這種問題，往往需要對圓鋼進行矯直，但棒材作業二區由于廠房空間限制無法增加矯直設備，且為降低生產成本，實現“綠色制造”[5]，因此通過優化生產工藝解決35CrMo鋼的彎曲問題至關重要。如何控制軋材心部和邊部的組織差異，減少貝氏體組織[6-7]和組織應力，是解決側向彎曲的關鍵。

在不同階段采用不同的冷卻制度對其組織和性能都有直接影響，鋼材的各部位冷卻不均勻將引起不同的組織變化,相變時間與軋后冷卻方式不同，所得組織及粗細程度也不同[8]。通過控制加熱溫度、軋制溫度、變形制度、冷卻條件等工藝參數，來控制奧氏體狀態、相變條件、碳化物析出行為、相變后鋼的組織和性能，從而達到控制鋼材組織性能的目的[9]。

宣鋼與東北大學合作，根據35CrMo鋼控軋控冷技術要求，組織了一系列實驗，解決了側向彎曲問題，取得顯著效果。

1 實驗方案

1.1 宣鋼軸承鋼軋線工藝設施布置

宣鋼棒材生產線共有18架軋機，粗軋4架、一中軋6架、二中軋4架、精軋4架，主要生產規格為Φ22 ～70 mm，在線水箱6套，每個水箱有6條不同內徑的穿水管道，可以根據不同的生產規格組合運用。水箱采用圓環噴射式冷卻裝置，冷卻管和反水管靠調整環縫尺寸來控制進水量，進入冷卻器中的水經環形噴頭以高速沿著鋼材前進的方向定向噴射。1#、3#水箱各長5.63 m（其中6個正吹，2個反吹，1個氣吹），2#、4#水箱各長7.3 m（其中4個正吹，2個反吹，1個氣吹），水壓1.5～1.8 MPa，小時水流量最大1 100 L，5#水箱、6#水箱不投入使用，軋線的平面布置如圖1所示。

圖1 軋線的平面布置

1.2 實驗方案確定

35CrMoA加熱爐高溫段的溫度控制在1 120～1 220 ℃之間，開軋溫度設定為1 070～1 130 ℃，為保證鋼坯充分加熱，合金元素充分擴散，加熱時間必須達到90 min以上。采用1段水箱對棒材進行冷卻，控制棒材入精軋的溫度，紅鋼進入水箱前溫度控制在980～1 020 ℃，水箱溫降控制在100 ℃左右，出口溫度控制在880～900 ℃；精軋后采用兩組水箱冷卻，水箱溫降控制在280～350 ℃，出口溫度控制在600～700 ℃，上冷床溫度控制在750 ℃左右[10]。共軋制Φ20 mm、Φ28 mm、Φ32 mm三個規格的35CrMoA鋼棒材，并對其進行彎曲度檢測，實驗方案見表1。

表1 不同規格35CrMoA鋼圓鋼冷卻生產方案

具體生產方案：（1）對Φ20 mm規格的35CrMoA鋼進行軋后超快冷，成品速度分別為11.0 m/s、12.5 m/s的冷卻實驗，觀察最終組織及彎曲度情況；（2）對Φ28 mm規格的35CrMoA鋼進行軋后超快冷，使表面冷卻溫度降到690～700 ℃，觀察最終組織及彎曲度情況；（3）對Φ32 mm規格35CrMoA鋼進行冷卻，出水箱的最低溫度分別降到700～720 ℃和600～620 ℃，觀察兩種冷卻溫度下的最終組織及彎曲度情況。

2 實驗結果

2.1 20規格35CrMoA實驗結果分析

將成品速度分別設定為11.0 m/s、12.5 m/s，表面超快冷卻最終溫度均為680～700 ℃、700～720 ℃，最高返紅溫度分別為790～810 ℃、800～810 ℃，選取不同位置檢測其顯微組織，如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出，1#試樣、2#試樣邊部和心部的金相組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，平均貝氏體比例為25%，貝氏體比例較未穿水的有較大改善（未穿水前為70%～80%），彎曲度得到了有效控制。20規格35CrMoA實物如圖4所示。

圖2 1#試樣（成品速度11 m/s）金相組織 200×

圖3 2#試樣（成品速度12.5 m/s）金相組織 500×

2.2 28規格35CrMoA實驗結果分析

成品速度設定為9 m/s，1號水箱出口溫度為880～890 ℃，4號水箱出口超快冷后的最終溫度為700～720 ℃，選取不同位置檢測其顯微組織，如圖5所示。

從圖5可以看出，3#試樣邊部和心部的金相組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，平均貝氏體比例為35%，貝氏體比例較未穿水的有較大改善，彎曲度得到了控制。3#試樣28規格35CrMoA實物如圖6所示。

圖4 20規格35CrMoA實物

圖5 3#試樣的金相組織 200×

圖6 3#試樣28規格35CrMoA實物

2.3 32規格35CrMoA實驗結果分析

成品速度設定為7.5 m/s，1號水箱出口溫度為930～960 ℃，4號水箱出口超快冷后的最終溫度為700～720 ℃，剪切溫度為420～490 ℃，選取不同位置檢測其顯微組織差異，如圖7所示。

從圖7可以看出，4#試樣邊部和心部的金相組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，平均貝氏體比例為35%～45%，成品材彎曲明顯，彎曲度未得到有效控制。4#試樣32規格35CrMoA實物如圖8所示。

圖7 4#試樣的金相組織 200×

圖8 4#試樣32規格35CrMoA實物

成品速度設定為7.5 m/s，1號水箱出口溫度為920～950 ℃，4號水箱出口超快冷后的最終溫度為600～620 ℃，剪切溫度降至300 ℃以下，選取不同位置檢測其顯微組織差異，如圖9所示。

從圖9可以看出，5#試樣邊部和心部的金相組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，平均貝氏體比例為21.4%，貝氏體比例較未穿水有較大改善，彎曲度得到明顯控制。5#試樣32規格35CrMoA實物如圖10所示。

圖9 5#試樣的金相組織 200×

圖10 5#試樣32規格35CrMoA實物

3 結論

（1） 成 品 速 度 分 別 為 11 m/s、12.5 m/s的Φ20 mm棒材，表面超快冷卻后的最終溫度為680～700 ℃、700～720 ℃，最高返紅溫度分別為790～810 ℃、800～810 ℃，貝氏體組織由之前的70%～80%降低到25%，成品表面彎曲度控制良好，滿足國家標準要求。

（2）Φ28 mm規格35CrMoA鋼，表面超快冷溫度為680～720 ℃，最高返紅溫度為790～810 ℃，貝氏體組織由之前的70%～80%降低到35%～45%，成品表面彎曲度控制良好，滿足國家標準要求。

（3）Φ32 mm規格35CrMoA冷卻后，出水箱最低溫度分別降到700～720 ℃、600～620 ℃。當出水箱的最低溫度為700～720 ℃時，成品表面彎曲度未得到有效控制，不符合國家標準；當出水箱的最低溫度為600～620 ℃時，成品表面彎曲度控制良好，符合國家標準。