徐愧儒

(浙商中拓集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310005)

隨著我國科技的進(jìn)步與發(fā)展,對金屬材料的性能要求越來越高,為保障材料具有更好的加工性能,很多企業(yè)在金屬材料加工過程中都會(huì)進(jìn)行一定的熱處理。合理的熱處理工藝不僅能使材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能得到改善,滿足市場和客戶需求,還可以改善金屬材料的內(nèi)部組織和應(yīng)力狀態(tài),并為產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工及制造節(jié)省成本。熱處理型冷鐓材料因冷成型性能良好,在機(jī)械加工行業(yè)用冷拔代替熱軋材冷切削機(jī)加工,這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是在節(jié)約大量工時(shí)的同時(shí),金屬消耗可以降低10%～30%,而且產(chǎn)品尺寸精度高,表面光潔度好,生產(chǎn)率高,是近年來興起的較先進(jìn)的機(jī)加工工藝。SWRCH35K冷鐓盤條主要用于加工8.8級(jí)螺栓、螺釘和螺帽等緊固件、套筒工具及各類非標(biāo)件等。在冷拔過程中,由于變形量大需要對材料進(jìn)行球化退火,以降低材料的硬度,提高材料的塑性和加工性能。若球化工藝不當(dāng),則可能引起表面脫碳缺陷,使表面硬度降低,形成軟點(diǎn),導(dǎo)致成品失效。因此,本文對SWRCH35K冷鐓鋼在球化退火過程中出現(xiàn)的脫碳現(xiàn)象進(jìn)行了分析,并通過工藝改進(jìn)降低了脫碳,提升了產(chǎn)品質(zhì)量,滿足了下游客戶的需求。

1 簡介

目前,冷鐓線材的球化退火采用井式球化退火爐,天然氣作為燃料。在生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)規(guī)格φ8 mm以下的SWRCH35K冷鐓鋼盤條,由于線徑規(guī)格較小,相同質(zhì)量下相對表面積大,在球化退火過程中與氧化介質(zhì)的接觸面積增大,易造成線材表面脫碳,進(jìn)而影響后續(xù)的表面處理工序,同時(shí)降低材料的表面硬度、耐磨性和強(qiáng)度,無法滿足產(chǎn)品的性能要求。因此,需要對SWRCH35K冷鐓鋼的球化退火工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2 球化退火工藝分析

通常線材在高溫井式爐內(nèi)進(jìn)行球化退火極易發(fā)生脫碳現(xiàn)象。一般來說,脫碳過程包含兩個(gè)基本過程:一是物理反應(yīng),C原子從金屬內(nèi)部向外部擴(kuò)散;二是化學(xué)反應(yīng),表面C原子與O2發(fā)生反應(yīng)。C原子與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也有兩個(gè)過程:一是表面的C原子被氧化;二是表面的C原子失去,引起表面C濃度降低。兩個(gè)過程的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

在以天然氣為燃料進(jìn)行球化退火的過程中,環(huán)境氣氛中的O2、CO2和H2O等屬于氧化性氣體,可以與線材中的C原子發(fā)生氧化和脫碳反應(yīng),引起線材表面的脫碳;而CO和H2則是還原性氣體,可使線材表面氧化層和脫碳層得到還原,恢復(fù)線材表面的原始成分狀態(tài)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的平衡原理,線材表面的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的,氧化反應(yīng)的速度大于還原反應(yīng),則會(huì)導(dǎo)致材料表面脫碳;反之則會(huì)發(fā)生增碳現(xiàn)象,即材料表面出現(xiàn)碳含量富集的現(xiàn)象。

將規(guī)格φ6.5 mm的SWRCH35K冷鐓鋼,重18 t,放入井式球化退火爐中進(jìn)行球化退火,現(xiàn)有球化退火工藝如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有球化退火工藝

球化退火后線材表面出現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象,其表面十分粗糙,失去光澤,如圖2(a)所示。產(chǎn)生脫碳的線材易形成麻面,黏連模具,熱處理后會(huì)因表面脫碳而形成軟點(diǎn),表面強(qiáng)度不足,導(dǎo)致其在使用過程中易發(fā)生早期失效。將表面脫碳的盤條經(jīng)冷鐓成型加工成螺栓,由于表面軟點(diǎn)的存在,在受力的情況下軟點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂失效,如圖2(b)所示。

圖2 (a)線材表面脫碳及(b)成品螺栓斷裂

鋼的脫碳是一個(gè)復(fù)雜的物理冶金過程,影響球化退火盤條脫碳的因素很多,如氧化速度、鋼的致密性、盤條的原始脫碳程度、鋼種特性、加熱溫度、加熱時(shí)間、保溫時(shí)間、爐內(nèi)氣氛和冷卻工藝等。但在實(shí)際生產(chǎn)中,最主要的影響因素為:鋼種特性、加熱溫度、加熱時(shí)間和加熱爐內(nèi)氣溫。

根據(jù)現(xiàn)有的球化退火工藝進(jìn)行分析,對于一個(gè)特定的鋼種來說,在加熱爐氣氛基本不變的情況下,主要對加熱時(shí)間、加熱溫度和冷卻時(shí)間等因素進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。加熱溫度是脫碳層深度的直接影響因素,從分子學(xué)理論上來講,隨著加熱溫度的升高,碳原子的活動(dòng)能力增加,使碳原子更容易擴(kuò)散到盤條表面,與加熱爐內(nèi)的氧原子發(fā)生反應(yīng),使表層一定范圍內(nèi)的碳原子散失,從而產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象。在加熱溫度一定的情況下,加熱時(shí)間越長,鋼的脫碳現(xiàn)象就越嚴(yán)重。

3 工藝改進(jìn)方案及效果

通過對球化退火工藝進(jìn)行分析,主要對退火溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

1)退火溫度:退火溫度過高,則碳化物溶解較多,奧氏體均勻化程度增大,將減少或失去球化的核心,退火后易獲得片狀珠光體;退火溫度過低,組織中片狀珠光體較難溶解,不能達(dá)到球化的目的。

2)保溫時(shí)間:保溫時(shí)間過長,會(huì)促使奧氏體均勻化,不利于球化;保溫時(shí)間過短,則原組織中的片狀組織難以完全破壞,達(dá)不到球化的效果。

3)冷卻速度:球化退火的冷卻速度不影響珠光體的形狀,但決定碳化物的彌散度,進(jìn)而決定退火后的硬度。冷卻速度過大,碳化物來不及聚集長大,在冷卻中會(huì)產(chǎn)生新晶核,因而可得到彌散度大的細(xì)粒狀或點(diǎn)狀珠光體,硬度將偏高;冷卻速度過小,得到彌散度小、硬度低的粗粒狀珠光體。

改進(jìn)后的球化退火工藝如圖3所示。采用改進(jìn)后的球化退火工藝對SWRCH35K冷鐓鋼盤條進(jìn)行球化退火,其表面脫碳和顯微組織如圖4所示。由圖4可知,工藝改進(jìn)后盤條表面沒有脫碳,其球化級(jí)別保持不變。

圖3 改進(jìn)后的球化退火工藝

圖4 工藝改進(jìn)后盤條表面脫碳(a)和顯微組織(b)

對工藝改進(jìn)前后的SWRCH35K冷鐓鋼線材和螺栓進(jìn)行性能測試,結(jié)果見表1。由表1可知,由于降低退火溫度和減少保溫時(shí)間,材料的強(qiáng)度和硬度略有提高,球化等級(jí)良好,且晶粒細(xì)化,對后續(xù)加工性能無明顯影響。

表1 工藝改進(jìn)后的機(jī)械性能及組織

通過調(diào)整球化退火溫度、保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間等工藝參數(shù),有效解決了φ6.5 mm的SWRCH35K冷鐓線材脫碳問題,避免發(fā)生斷裂。同時(shí)降低了能源消耗,經(jīng)統(tǒng)計(jì)每年可節(jié)約1000 m3天然氣和10000度電。

4 結(jié)語

1)通過適當(dāng)降低加熱溫度和減少加熱、冷卻時(shí)間,可有效改善SWRCH35K冷鐓鋼盤條球化退火過程中產(chǎn)生的脫碳現(xiàn)象。

2)改進(jìn)球化退火工藝后,SWRCH35K冷鐓鋼盤條的強(qiáng)度和硬度略有提高,球化級(jí)別不變,晶粒度減小;SWRCH35K冷鐓鋼盤條加工性能滿足拉拔需求,冷鐓性能也滿意客戶要求。