熱軋10B21鋼盤條冷鐓開裂的原因及預防措施

蘇振偉 周 淼 趙 赟 屠興壙 林 俊 萬文華

(中天鋼鐵集團有限公司 技術中心，江蘇 常州 213011)

10B21鋼為含硼低碳鋼，鐵素體含量較高，變形抗力小，冷鐓和拉拔性能良好，不易脫碳，淬透性也較高[1- 2]，其逐步用于替代SWRCH35K、SWRCH45K、40Cr、20CrMo鋼等制造8.8級法蘭螺栓等緊固件。8.8級法蘭螺栓的生產工藝為兩球(球化退火)兩拉(拉拔)、一球兩拉或一球一拉。為節能減排，部分緊固件用戶開始嘗試取消球化退火，盤條拉拔后直接冷鐓成形，但緊固件冷鐓時易開裂。導致緊固件冷鐓開裂的原因有很多，如裂紋、折疊、結疤、深劃傷等表面缺陷[3- 5]，馬氏體、貝氏體、魏氏組織、粗大晶粒、混晶、脫碳、夾雜物等異常組織[6- 10]。另外，如果變形道次安排不合理、模具安裝或潤滑不良或損壞等也可能導致緊固件冷鐓開裂。

本文分析了采用未退火的熱軋10B21鋼盤條制造法蘭螺栓時頻繁發生冷鐓開裂的原因，并提出了相應的預防措施。

1 螺栓及盤條的生產工藝

法蘭螺栓生產工藝為熱軋盤條(φ12 mm)→酸洗→磷化→拉拔(φ11 mm)→冷鐓成形(法蘭直徑為27 mm)→調質→表面處理。可見，將盤條加工成法蘭的變形量較大。經檢驗，約有10%的法蘭螺栓冷鐓時開裂。

熱軋10B21鋼盤條的生產工藝為高爐鐵水→120 t轉爐→120 t LF精煉→160 mm×160 mm鋼坯連鑄→鋼坯加熱→軋制→斯太爾摩線控冷。

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

對冷鐓開裂的螺栓的化學成分進行檢驗，結果如表1所示，符合標準要求。

表1 冷鐓開裂的10B21鋼法蘭螺栓的化學成分(質量分數)

2.2 宏觀檢驗

開裂的法蘭螺栓的宏觀形貌如圖1所示，裂紋均位于法蘭邊緣，該部位的冷鐓變形量最大，變形應力較大。變形量較小的螺桿和螺栓六角頭部未開裂，盤條無折疊和劃傷等表面缺陷。

圖1 冷鐓開裂的法蘭螺栓

2.3 金相檢驗

制備金相試樣，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后進行金相檢驗，結果如圖2、圖3所示?？梢娏鸭y開口較大，為穿晶裂紋，開裂部位變形嚴重，裂紋兩側無明顯脫碳；螺栓六角頭部及桿部均無表面缺陷和脫碳。開裂部位組織均為鐵素體和珠光體，無異常組織，但鐵素體粗細不均勻。行業內對熱軋10B21鋼盤條的顯微組織要求為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒度應不低于7級。

圖2 熱軋盤條的顯微組織

圖3 法蘭螺栓裂口部位(a)和桿部(b)的顯微組織

2.4 盤條冷頂鍛性能復檢

對同批次10B21鋼盤條進行1/3和1/4冷鐓試驗，即將盤條試樣冷鐓至1/3和1/4高度，以檢驗其冷鐓成形性能。結果表明，1/3冷鐓試樣合格，而1/4冷試樣開裂，如圖4所示，與法蘭螺栓的開裂情況相同。

圖4 冷鐓至1/3(a)和1/4(b)高度的10B21鋼熱軋盤條試樣

3 分析討論與工藝改進

3.1 螺栓開裂原因

由于制作法蘭螺栓的盤條及變形量較小的螺桿和螺栓六角頭無表面缺陷，開裂僅發生在變形量最大的法蘭邊緣，因此可排除表面缺陷方面的原因。開裂螺栓顯微組織為鐵素體和珠光體，無異常組織，螺栓冷鐓開裂與其顯微組織無關。螺栓冷鐓開裂后，緊固件廠更換了冷鐓成形模具并進行了安裝校對，不存在成形道次安排不合理的問題。此外，模具原因造成開裂的螺栓比例通常都超過50%甚至全部開裂，而本批次冷鐓開裂的螺栓比例約為10%，并且成形后的螺栓尺寸符合要求，因此冷鐓成形工藝及模具也不是造成螺栓開裂的原因。

螺栓開裂均出現在其法蘭邊緣，為穿晶斜裂。盤條試樣僅能被冷鐓至1/3高度不開裂，冷鐓至1/4高度發生開裂。鐵素體晶粒大小不均勻，導致材料塑性較差。按傳統工藝加工的盤條在拉拔前或拉拔后會進行球化退火，盤條的塑性較好。但取消退火后，盤條的冷鐓成形性能基本完全取決于熱軋盤條的塑性。

上述檢驗結果和分析表明，較粗的鐵素體晶粒和混晶導致盤條冷鐓性能惡化，冷拉拔進一步降低了材料塑性，導致螺栓在冷鐓成形變形量最大的法蘭部位開裂。細化熱軋盤條鐵素體晶粒，避免出現混晶，能有效改善熱軋盤條的冷鐓成形性能，使之冷拉拔后不經球化退火即可用于制作冷鐓法蘭螺栓。

3.2 軋制工藝改進及效果

為解決因盤條塑性不良造成的法蘭螺栓冷鐓開裂問題，需優化盤條的軋制工藝，細化鐵素體晶粒，避免混晶。對軋鋼工藝進行優化，即適當降低加熱溫度，能有效避免奧氏體晶粒粗大，獲得細小的鐵素體組織；降低終軋速率，防止軋后出現混晶；降低吐絲溫度，提高冷卻速率，抑制先共析鐵素體粗化，細化鐵素體晶粒。原工藝和改進工藝如表2所示。

表2 改進前后10B21鋼盤條的軋制工藝

軋制工藝改進后10B21鋼盤條的顯微組織如圖5所示，為鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒度為10～11級，無混晶。冷鐓試驗結果表明，軋制工藝改進后盤條試樣能被冷鐓至1/5高度而不開裂，如圖6所示。

圖5 軋制工藝改進后的10B21鋼盤條顯微組織

圖6 冷鐓至1/5高度的10B21鋼熱軋盤條試樣

4 結論

(1)未進行退火的10B21鋼盤條鐵素體晶粒大小不均勻，導致塑性較差，造成了冷鐓時法蘭螺栓開裂。

(2)適當降低鋼坯加熱溫度、終軋速率和吐絲溫度，并提高軋后冷卻速率，可使鐵素體晶粒細化至10～11級，并避免出現混晶。

(3)晶粒細小且均勻無混晶的10B21鋼盤條具有良好的冷鐓性能，可冷拉拔后不經球化退火而用于制作法蘭螺栓。