高韌性冷作強化非調質冷鐓鋼的研發及應用

于同仁， 沈德山， 姜 婷， 張曉瑞

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽馬鞍山 243000； 2.中國機械通用零部件協會緊固件分會， 上海 200000）

0 引言

開發非調質鋼的初衷是為了省去淬火和回火等調質過程，從而達到節約能源，降低制造成本的目的。 非調質鋼按照加工工藝可分為熱鍛用非調鋼、 直接切削用非調鋼和冷作強化非調鋼三類[1]。冷作強化非調質鋼是非調質領域中的一個重要分支，適用于制造緊固件等產品，目前其主要用來制造8.8 級～10.9 級的外螺紋緊固件，尤其適用于制造細長桿螺栓、螺柱、U 型螺栓和螺桿。 因為不需調質熱處理，同時還避免了彎曲變形和淬硬尺寸效應，在使用中更顯優勢[2]。

隨著線棒材生產技術的不斷進步， 可以實現在二相區溫度軋制， 冷作強化非調質鋼線棒材正在由以微合金化為主轉向以形變誘導超細化組織為主的方向發展，用不添加或少添加微合金元素的鋼生產能用于冷鐓加工高強度緊固件的線棒材，節約資源、節約能源和保護環境。因此，開發節能環保型高強度緊固件用線棒材生產技術，使其達到工業化規模應用， 是近期乃至未來線棒材生產技術的發展方向。

近年來馬鋼利用高速線材低溫熱機械軋制及組織控制技術，開發出具有原始創新性的8.8 級MFT8 冷作強化非調質鋼， 為冷作強化非調質鋼在緊固件行業的成熟推廣奠定了技術基礎。 但由于存在韌性差異，產品的面縮率僅在52%左右，只能制作六角頭螺栓和牙條。

本研究僅從材料成分優化設計、冶煉、連鑄、控軋控冷對8.8 級、9.8 級高韌性非調質鋼線材進行制造技術研究， 獲得細晶鐵素體+珠光體的8.8 級、9.8 級高韌性非調鋼線材；抗拉強度在（650～750）MPa，面縮率大于60%；冷變形能力達到法蘭面螺栓的變形要求， 通過非調鋼穩定化處理技術研究， 冷加工后的緊固件力學性能滿足8.8級、9.8 級高強度螺栓的要求。

1 高韌性冷作強化非調質鋼產品研究開發

1.1 冷作強化非調質鋼的化學成分、性能優化設計

冷作強化非調質鋼熱軋線材的性能主要取決于鋼的化學成分、軋制加熱溫度、控軋和控冷工藝。 通過合理的化學成分設計， 保證在軋制加熱時既能夠獲得細小的原奧氏體晶粒， 同時又控制V、Ti、Nb 等析出強化元素的溶解程度； 軋制工藝決定軋后的晶粒尺寸和晶內的組織狀態；控制冷卻決定相變組織即析出相、析出相比例、內部結構及鐵素體晶粒大小等[3]。

國內外研究開發的8.8 級、9.8 級冷作強化非調質鋼的化學成分，其成分特點基本上為低C、高Mn 以及添加微合金化元素V、Ti、Nb 等。 為了彌補低C 所造成的強度損失，往往需要添加微合金化元素并進行控軋控冷，即在線材軋制前的加熱時應保證微合金化元素充分固溶，隨后在比較低的溫度下進行線材軋制， 從而形成彌散分布的合金碳氮化物，控制奧氏體的再結晶行為，從而獲得超細晶粒尺寸。而后控制軋后的冷卻速度，在冷卻過程中彌散碳氮化物的進一步析出實現鐵素體強化作用， 從而獲得良好的強度和韌性的配合。微合金元素可以單獨使用，也可以二種或三種復合使用，以獲得最佳性能。

對于8.8、9.8 級螺栓，要求冷作強化非調質鋼熱軋材的抗拉強度為（650～730）MPa，經冷拔冷鐓，產生冷作強化，再經時效處理可使其抗拉強度達到（800～1000）MPa。采用冷作強化非調質鋼所制螺栓的強度是由三部分疊加組成，可用下式表達[1]：

式中：Rm—為冷作強化非調質鋼所制螺栓的強度；R0m—為冷作強化非調質鋼熱軋線材的強度；ΔRcdm—為熱軋線材冷作強化所引起的強度增量；ΔRagm—為冷作強化非調質鋼所制螺栓時效處理后所引起的強度增量。

用冷作強化非調質鋼制螺栓要進行冷拔和冷鐓，要求材料具有良好的冷變形性能。 在保證足夠的冷作強化強度增量基礎上，出于減小冷鐓模具損耗的考慮，希望材料的加工硬化率不宜過高。

設計的高韌性冷作強化非調質鋼化學成分、 力學性能、冷頂鍛性能如下：

（1）化學成分：設計的高韌性冷作強化非調質鋼化學成分見表1。

（2）力學性能：高韌性冷作強化非調質鋼力學性能要求見表2。

表2 高韌性冷作強化非調質鋼力學性能

（3）冷頂鍛性能：1/3 冷頂鍛合格。

1.2 熱模擬實驗研究

為了探索相關工藝參數（變形溫度、變形量、冷卻速度等） 對冷作硬化非調質鋼微觀組織形態及晶粒細化的影響，為生產工藝參數優化提供依據，對冷作硬化非調質鋼進行了熱模擬實驗研究。試樣規格為Φ8.0×15.0mm。熱模擬實驗研究結果如下：

通過對不同的變形溫度和不同的變形量的試驗研究，發現變形溫度、變形量和冷卻速度對鈮、釩微合金化的冷作硬化非調質鋼的組織性能都有較大影響。 變形溫度越低、變形量越大，冷卻速度增大[（1～10）℃/s]，其組織越細；變形溫度在750℃，變形量大于50%時，冷卻速度（1～5）℃/s，其組織晶粒度一般為12 級～14 級。

1.3 工藝路線

根據實驗室熱模擬試驗結果， 制定了高韌性冷作強化非調質鋼生產工藝流程：電弧爐冶煉→LF 爐精煉→RH真空脫氣→圓坯連鑄→150mm 方坯軋制→修磨→高線熱機械軋制。

熱機軋制工藝如下：鋼坯加熱到（950～1180）℃進行粗、中軋及預精軋；精軋采用TMCP 連續軋制工藝，即預精軋后，軋件采用水箱冷卻，溫度降低到（750～800）℃進行精軋，軋件累計減面率為50%以上，控制冷卻后集卷。

1.4 冷作強化非調鋼熱軋盤條組織性能

（1）非調鋼熱軋盤條盤條晶粒度、金相組織。 試制的Φ9mm、Φ11mm 規格非調質冷鐓鋼熱軋盤條， 晶粒度為12級、金相組織為鐵素體+珠光體，為超細晶粒組織，見圖1。

圖1 非調鋼盤條金相組織

（2）力學性能。 Φ9mm、Φ11mm 規格非調質鋼熱軋盤條進行了同圈力學性能檢驗， 強度波動范圍小， 面縮率高，在70%左右，詳見表3、表4。

表3 Φ9mm 非調質鋼熱軋盤條同圈力學性能

表4 Φ11mm 非調質鋼熱軋盤條同圈力學性能

（3）冷頂鍛：1/3 冷頂鍛合格。

2 冷作硬化非調鋼深加工工藝研究

冷變形包括冷拔和冷鐓，是采用冷作強化非調質鋼制造高強度螺栓等緊固件的生產過程中不可缺少的工序。并且冷形變的工藝參數將直接影響最終產品的使用性能，即一方面要通過冷拔工序來得到所需要的線材尺寸，改善其表面狀態； 另一方面要借助于冷拔工序產生加工硬化，提高鋼的強度，使其達到高強度螺栓的強度要求。 由于在冷拔后還需進行螺栓的冷鐓成型，因此冷拔工藝的合適與否還直接影響線材的冷鐓性能和螺栓的最終性能。

在螺栓生產中的冷變形過程會在鋼中產生高密度的位錯，這些位錯處于不穩定的狀態，加載后位錯攀移引起微小屈服， 會產生永久延伸， 不利于螺栓的保證載荷性能。 由于高強度螺栓在服役過程中不允許發生過量的變形，所以在冷鐓后還需進行時效處理。

2.1 冷拔后的壓縮變形抗力

試驗鋼熱軋材經不同減面率γ 冷拔變形后再進行壓縮實驗時屈服點對應的壓縮屈服真應力σCY及壓下量為66%的冷鐓變形的壓縮真應力σCH隨γ 的變化規律見圖2、圖3。由圖2 可以看出，屈服真應力σCY在γ≤25%之前增加平緩，在γ=30%時屈服點的真應力有所下降，隨后進一步增加γ，σCY則繼續增加。 圖3 顯示了壓下量為66%的冷鐓變形時的壓縮真應力σCH隨γ 的變化規律。 顯然，由于鮑辛格效應的作用，材料經冷拔后再反向受力，盡管隨著γ 增大，材料的強度升高，但σCH基本不變，在γ 值約30%時，存在σCH下降的一個谷值。 且σCY及σCH出現谷值對應的γ 值均為30%左右。

圖2 壓縮變形時的屈服點真應力σCY 及隨冷拔減面率γ 的變化

圖3 壓下量66%冷鐓變形的真應力σCH 隨冷拔減面率γ 的變化

2.2 時效處理對冷變形材性能的影響

試驗鋼熱軋材經冷拔變形后，抗拉強度在減面率5%～35%范圍內呈線性增加趨勢，抗拉強度增量ΔRm與減面率γ 關系為：

如前所述， 試驗鋼冷拔材壓縮屈服真應力σCY在減面率25%之前增加平緩，γ=30%時σCY有所下降， 隨后進一步增加γ，σCY則繼續增加。 上述現象是鮑辛格效應和加工硬化共同作用的結果。隨著γ 的增加，材料一方面經受加工硬化，使材料的強度提高；但另一方面由于鮑辛格效應的影響，材料經冷拔后再反向受力，σCY雖有所升高，但比較平緩；當達到一定的γ 值，鮑辛格效應達到最大值，這時甚至出現σCY的下降；如果γ 進一步增大，加工硬化的作用明顯顯現，材料的σCY又明顯增加。 由于鮑辛格效應的作用，試驗鋼經冷拔后再反向冷鐓變形時，盡管隨著γ 增大，材料的強度升高，但壓下量為66%冷鐓時變形的壓縮真應力σCH基本不變，甚至在超過一定γ 之后σCH出現下降。 這與σCY變化的機理一致， 只是由于壓下量為66%的冷鐓變形量大， 壓縮過程中的加工硬化掩蓋了材料冷拔過程中加工硬化的作用， 所以壓下量66%冷鐓變形時σCH隨γ 變化不大，但仍然在30%γ 附近呈現出鮑辛格效應的作用。

為了定量化的描述鮑辛格效應， 定義冷拔后材料反向流變時的屈服強度σr0除以正向應變時的流變應力σF為冷拔因子BE：

式中，σF為正向變形時的流變應力；σr0為反向變形時的屈服強度。

冷拔因子BE 越小，說明鮑辛格效應越明顯。 冷拔因子BE 隨γ 的關系見圖4。 可見，隨著γ 的增加，實驗料的冷拔因子BE 減小，在γ=30%時達到最小值，這與圖2、圖3 的實驗結果相對應。 但是在γ 大于30%時冷拔因子BE又增大，這是材料應變硬化指數n 變化的作用。

圖4 冷拔因子BE 與冷拔減面率的關系

圖5 為應變硬化指數n 值隨γ 的變化。 可見，超過一定γ 后，n 值有所上升。 n 值上升意味著在冷鐓過程中真應力的增加加快。圖5 中n 值上升的點與圖2 中真應力升高的點相對應， 這說明壓縮屈服真應力的上升一方面是由于鮑辛格效應不可能無限制地增大， 另一方面則是由于n 的增加。因此，最佳的γ 值應該在保證強度的條件下選取鮑辛格效應較大，而n 值又沒有明顯增大的階段。

圖5 加工硬化率隨冷拔減面率的變化

3 非調質鋼MFT8、MFT9 制造8.8、9.8 級螺栓性能評估

通過上述研究開發， 目前8.8、9.8 級非調質冷鐓鋼實現批量生產，制造法蘭面螺栓、U 型螺栓，節能降耗、效果顯著。

3.1 8.8 級外六角螺栓

用戶選用Φ13mm 非調鋼盤條制作M10 的8.8 級法蘭面螺栓性能見表5。 穩定化處理后螺栓抗拉強度較高，σb平均為921MPa，散差較小為15MPa；穩定化處理前后的延伸率和截面收縮率都合格，并且散差小；穩定化處理后保證載荷試驗合格；穩定化處理后硬度合格。

表5 冷作強化非調鋼制造8.8 級螺栓穩定化處理前后性能

3.2 9.8 級U 型螺栓

用戶采用Φ11mm 非調鋼熱軋盤條制成了M10 的U 型螺栓。U 型螺栓具體數據見表6。 不但省略了熱處理調質費用（電費、保護氣體和淬火介質費用）降低成本，產品質量還有很大提升； 不用調質處理形變小， 不需再較直整形；因為未徑850℃淬火前加熱，半成品表面質量較好，鍍鋅后，外觀非常光潔。

表6 9.8 級U 型螺栓檢測數據

3.3 超長桿8.8 級六角頭法蘭面螺栓

某主機廠提出需要8.8 級非調鋼用于生產M8×260長桿六角頭法蘭面螺栓，該產品變形量較大，最大法蘭面處減面率達到50%以上。 根據用戶要求提供非調質冷鐓鋼熱軋盤條進行試驗，以25%～35%的減面率直接進行冷拔，而后在多工位冷鐓機上進行冷鐓，鐓制長桿六角頭法蘭面螺栓，未出現開裂現象。 為對比模具損耗情況，同時選用1 卷ML40Cr 進行試驗，結果顯示非調鋼切邊模約1 萬件更換一次，ML40Cr 切邊模約1.2 萬件更換一次， 模具損耗相差不大。最后對螺栓進行穩定化處理（脫氫處理工藝）螺栓芯部硬度達到（26～29）HRC，抗拉強度達到（865～890）MPa，達到GB/T 3098.22 性能要求。

用戶選用Φ9mm 非調鋼盤條制作M8 的8.8 級法蘭面螺栓性能見表7。

表7 8.8 級法蘭面螺栓性能

3.4 冷作強化非調鋼螺栓低溫性能

冷作強化非調質鋼螺栓-50°C 低溫性能優異， 在強度增加的情況下，面縮率仍在55%以上，詳見表8。

表8 非調鋼制作的螺栓低溫性能檢測結果

3.5 冷作強化非調鋼螺栓疲勞性能

采用晶粒度為12 級、 金相組織為鐵素體+珠光體的冷作強化非調鋼MFT8E 盤條和SWRCH35K 盤條制作8.8 級M6 法蘭面螺栓，SWRCH35K 制作的螺栓進行淬火回火處理，金相組織為回火索氏體。

疲勞性能結果為冷作強化非調鋼制作螺栓疲勞性能優異，優于調質鋼生產的螺栓，在加大載荷情況下，非調鋼的疲勞次數要高于調質鋼的10 倍左右，詳見表9。

表9 8.8 級M6 法蘭面螺栓疲勞性能檢測結果

4 結論

（1）研究開發的高韌性非調質鋼產品，具有良好的冷拔和冷鐓工藝性能，能夠滿足高強度法蘭面螺栓等緊固件生產的要求。 抗拉強度：（650～750）MPa，Z≥60%，1/3 冷頂鍛合格，金相組織為鐵素體+珠光體，實際晶粒度大于11 級。

（2） 冷作強化非調質鋼在制作緊固件拉拔減面率在30%左右時，冷鐓、搓絲時抗力最低，模具損耗較小。

（3）國內汽車緊固件制造公司已批量應用冷作強化非調質鋼熱軋盤條，生產法蘭面螺栓，產品性能、模具損耗滿足要求。

（4）制作的緊固件通過穩定化處理，不僅強度有所提高，保載性能也可完全達到標準要求。

（5）冷作強化非調質鋼螺栓低溫性能優異，在強度增加的情況下，面縮率仍達到55%左右。

（6）冷作強化非調質鋼螺栓疲勞性能優異，優于調質鋼生產的螺栓，在加大載荷情況下，非調鋼的疲勞次數要高于調質鋼的10 倍左右。