SWRCH35K冷镦钢球化退火工艺优化

徐愧儒

(浙商中拓集团股份有限公司,浙江 杭州 310005)

随着我国科技的进步与发展,对金属材料的性能要求越来越高,为保障材料具有更好的加工性能,很多企业在金属材料加工过程中都会进行一定的热处理。合理的热处理工艺不仅能使材料的物理、化学和力学性能得到改善,满足市场和客户需求,还可以改善金属材料的内部组织和应力状态,并为产品的生产、加工及制造节省成本。热处理型冷镦材料因冷成型性能良好,在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工,这种工艺的优点是在节约大量工时的同时,金属消耗可以降低10%～30%,而且产品尺寸精度高,表面光洁度好,生产率高,是近年来兴起的较先进的机加工工艺。SWRCH35K冷镦盘条主要用于加工8.8级螺栓、螺钉和螺帽等紧固件、套筒工具及各类非标件等。在冷拔过程中,由于变形量大需要对材料进行球化退火,以降低材料的硬度,提高材料的塑性和加工性能。若球化工艺不当,则可能引起表面脱碳缺陷,使表面硬度降低,形成软点,导致成品失效。因此,本文对SWRCH35K冷镦钢在球化退火过程中出现的脱碳现象进行了分析,并通过工艺改进降低了脱碳,提升了产品质量,满足了下游客户的需求。

1 简介

目前,冷镦线材的球化退火采用井式球化退火炉,天然气作为燃料。在生产过程中,发现规格φ8 mm以下的SWRCH35K冷镦钢盘条,由于线径规格较小,相同质量下相对表面积大,在球化退火过程中与氧化介质的接触面积增大,易造成线材表面脱碳,进而影响后续的表面处理工序,同时降低材料的表面硬度、耐磨性和强度,无法满足产品的性能要求。因此,需要对SWRCH35K冷镦钢的球化退火工艺进行改进。

2 球化退火工艺分析

通常线材在高温井式炉内进行球化退火极易发生脱碳现象。一般来说,脱碳过程包含两个基本过程:一是物理反应,C原子从金属内部向外部扩散;二是化学反应,表面C原子与O2发生反应。C原子与O2发生化学反应也有两个过程: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浓度降低。两个过程的化学反应方程式如下:

在以天然气为燃料进行球化退火的过程中,环境气氛中的O2、CO2和H2O等属于氧化性气体,可以与线材中的C原子发生氧化和脱碳反应,引起线材表面的脱碳;而CO和H2则是还原性气体,可使线材表面氧化层和脱碳层得到还原,恢复线材表面的原始成分状态。根据化学反应的平衡原理,线材表面的氧化反应和还原反应是同时进行的,氧化反应的速度大于还原反应,则会导致材料表面脱碳;反之则会发生增碳现象,即材料表面出现碳含量富集的现象。

将规格φ6.5 mm的SWRCH35K冷镦钢,重18 t,放入井式球化退火炉中进行球化退火,现有球化退火工艺如图1所示。

图1 现有球化退火工艺

球化退火后线材表面出现明显的脱碳现象,其表面十分粗糙,失去光泽,如图2(a)所示。产生脱碳的线材易形成麻面,黏连模具,热处理后会因表面脱碳而形成软点,表面强度不足,导致其在使用过程中易发生早期失效。将表面脱碳的盘条经冷镦成型加工成螺栓,由于表面软点的存在,在受力的情况下软点处产生裂纹,导致螺栓发生断裂失效,如图2(b)所示。

图2 (a)线材表面脱碳及(b)成品螺栓断裂

钢的脱碳是一个复杂的物理冶金过程,影响球化退火盘条脱碳的因素很多,如氧化速度、钢的致密性、盘条的原始脱碳程度、钢种特性、加热温度、加热时间、保温时间、炉内气氛和冷却工艺等。但在实际生产中,最主要的影响因素为:钢种特性、加热温度、加热时间和加热炉内气温。

根据现有的球化退火工艺进行分析,对于一个特定的钢种来说,在加热炉气氛基本不变的情况下,主要对加热时间、加热温度和冷却时间等因素进行调整和优化。加热温度是脱碳层深度的直接影响因素,从分子学理论上来讲,随着加热温度的升高,碳原子的活动能力增加,使碳原子更容易扩散到盘条表面,与加热炉内的氧原子发生反应,使表层一定范围内的碳原子散失,从而产生脱碳现象。在加热温度一定的情况下,加热时间越长,钢的脱碳现象就越严重。

3 工艺改进方案及效果

通过对球化退火工艺进行分析,主要对退火温度、保温时间和冷却速度进行调整和优化。

1)退火温度:退火温度过高,则碳化物溶解较多,奥氏体均匀化程度增大,将减少或失去球化的核心,退火后易获得片状珠光体;退火温度过低,组织中片状珠光体较难溶解,不能达到球化的目的。

2)保温时间:保温时间过长,会促使奥氏体均匀化,不利于球化;保温时间过短,则原组织中的片状组织难以完全破坏,达不到球化的效果。

3)冷却速度:球化退火的冷却速度不影响珠光体的形状,但决定碳化物的弥散度,进而决定退火后的硬度。冷却速度过大,碳化物来不及聚集长大,在冷却中会产生新晶核,因而可得到弥散度大的细粒状或点状珠光体,硬度将偏高;冷却速度过小,得到弥散度小、硬度低的粗粒状珠光体。

改进后的球化退火工艺如图3所示。采用改进后的球化退火工艺对SWRCH35K冷镦钢盘条进行球化退火,其表面脱碳和显微组织如图4所示。由图4可知,工艺改进后盘条表面没有脱碳,其球化级别保持不变。

图3 改进后的球化退火工艺

图4 工艺改进后盘条表面脱碳(a)和显微组织(b)

对工艺改进前后的SWRCH35K冷镦钢线材和螺栓进行性能测试,结果见表1。由表1可知,由于降低退火温度和减少保温时间,材料的强度和硬度略有提高,球化等级良好,且晶粒细化,对后续加工性能无明显影响。

表1 工艺改进后的机械性能及组织

通过调整球化退火温度、保温时间和冷却时间等工艺参数,有效解决了φ6.5 mm的SWRCH35K冷镦线材脱碳问题,避免发生断裂。同时降低了能源消耗,经统计每年可节约1000 m3天然气和10000度电。

4 结语

1)通过适当降低加热温度和减少加热、冷却时间,可有效改善SWRCH35K冷镦钢盘条球化退火过程中产生的脱碳现象。

2)改进球化退火工艺后,SWRCH35K冷镦钢盘条的强度和硬度略有提高,球化级别不变,晶粒度减小;SWRCH35K冷镦钢盘条加工性能满足拉拔需求,冷镦性能也满意客户要求。