ML40Cr合金冷镦钢线材的质量控制

仇东丽 罗德信 蒋跃东 帅习元

（武汉钢铁（集团）公司研究院 湖北 武汉：430080）

ML40Cr合金冷镦钢线材是国标调质型冷镦用线材，作为国内10.9级标准件的原材料，广泛应用于机械、电气、汽车、交通运输、航空航天的发动机及各种传动链条等关键部位［1］。产品具有成分稳定、有害元素低、钢质纯净度高、脱碳层小、表面缺陷少等优点，使用时易进行球化退火、冷镦开裂率低、热处理质量稳定、硬度均匀、正火、退火和调质后可切削性好等特点。

经过几年的试验研究和生产实践，结合用户的需求摸索出了该钢的质量控制要点和产品性能指标。产品以其优异的实物性能及冶金质量获得金属制品行业的好评，用户对产品的冷加工性能评价好，对钢的化学成分控制和钢的纯净度给予了很高的认可。

1 ML40Cr合金冷镦钢线材质量控制

影响ML40Cr合金冷镦钢线材产品质量的因素主要包括化学成分、非金属夹杂物、表面质量、组织结构和力学性能等方面。

冶炼过程应保证生产时间，使得夹杂物能充分上浮；精炼过程应准确控制合金的加入量和时间，将不同炉钢水的成分波动控制到很小的范围，有利于用户加工后的标准件和其他制品的性能稳定；连铸时保护渣浇注，优化拉速、配水的关系，同时使结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌的工况正常，减少各种合金元素的微区偏析，最终得到较好的铸坯组织。

1.1 成分及非金属夹杂物控制

合金控制作为线材生产主要指标之一，需要对主要成分控制准确，保证线材能够适应不同行业的需要。Cr对热处理后的产品性能有明显的影响，Cr的添加不但提高了钢的强度和淬透性，而且提高了标准件等制品的耐高温性能，保证了在高温下能够保持常温时所具有的强度、韧性等力学性能。但Cr长时间服役在较高温度环境下，会促使钢中的杂质元素如P、Sb、Sn等向晶界处偏聚，并引起晶界内微量化学成分变化而产生回火脆性，因此在生产中采用炉外精炼和具有电磁搅拌的连铸工艺。该工艺能保证钢中的C、Si、Mn、Cr等主要元素可控制在较通常更窄的范围内，钢材均匀性好和产品性能波动范围减小，能减少P、S、O、N等杂质含量以及对其冷加工性能的影响。

钢中非金属夹杂物数量多、尺寸大、不易变形是直接影响标准件冷镦开裂的一个重要原因，尤其是非金属夹杂中的B类和D类脆性夹杂，对产品质量影响更为关键［2］。冶炼合金冷镦钢的关键是要提高钢水的纯净度，降低钢水非金属夹杂物的污染度。钢水终点碳含量稳定在规定范围内是降低钢水氧化程度和减少钢水非金属夹杂污染的主要措施；炉外精炼期间向钢液加入铝丸，来降低钢中氧含量，铝与氧化合生成Al2O3类夹杂，起到脱氧作用，其余部分溶入固态铁中，形成弥散分布的AlN，起到细化晶粒作用。同时，在精炼过程中采用了钙处理工艺，通过加入SiCa线对脆性夹杂物进行变性处理，使得钢中高熔点的Al2O3夹杂物与CaO结合生成低熔点12CaO·7Al2O3。

1.2 表面质量控制

统计数据表明，80%～85%的冷镦开裂是由于冷镦钢表面存在折叠、划伤、微裂纹、结疤等缺陷造成的［3］。冷镦钢线材的表面质量一直是控制的难题，尤其是对冷镦性能影响较大的结疤和表面线状缺陷。这些缺陷的存在，会直接导致标准件出现开裂、裂纹、成型不均匀等缺陷。产生表面裂纹的主要原因有两个：1）钢坯质量不合格。生产高质量连铸坯关键技术措施是尽量减轻连铸过程中钢水的二次氧化并确保连铸坯低倍表面质量，采用保护浇铸，中包钢水过热度在20～35℃以内，防止中包钢水温度波动过大；2）轧制过程控制不当［4］。生产过程控制很关键，要严格执行工艺监督，各工序应及时检查，按要求对线材进行压缩比为1／2和1／3的冷镦试验，及时反馈信息，确保为下一个工序生产合格的产品。

1.3 组织结构控制

由于ML40Cr合金冷镦钢中含有C、Mn、Cr等合金元素，其中Cr能有效推迟相变，使C曲线发生变化并右移，显著地提高过冷奥氏体的稳定性，防止奥氏体晶粒粗大［5］。但这些元素极易在铸坯凝固过程中产生偏析，这些偏析又会在轧制冷却过程中由于冷却不均造成心部贝氏体或马氏体等异常组织的产生。因此该钢的轧制工艺制定原则是：在生产时采用控制轧制和控制冷却工艺，避免生产中出现马氏体、贝氏体和魏氏体组织，使钢材具有细晶和碳化物球化组织，以提高钢材的塑性和冷顶锻性能。通过选用合理的加热温度、轧制温度、吐丝温度及轧后缓慢冷却工艺，确保了产品具有良好的组织结构。

轧制过程中开轧温度控制在950℃～1100℃，保证Cr能够充分固溶到奥氏体中；轧制中利用控轧技术，充分保证晶粒在奥氏体未再结晶区的变形量，细化原奥氏体晶粒；吐丝温度控制在720℃～760℃，使其在相变前有一定的过冷度；斯太尔摩辊道采用延迟冷却方式，保证相变的结束和组织的球化。

2 ML40Cr合金冷镦钢线材的实物质量

2.1 成分及夹杂物控制情况

从冷镦钢相关标准来看，没有对钢中铝含量有要求，该厂开发的ML40Cr线材，通过在钢中加入铝来细化晶粒，提高冷加工性能，从生产统计情况来看，各项成分的控制远远高于GB／T6478－2001的要求，Als基本上以0.02%含量为基准上、下波动，总体情况控制较好。具体控制水平见表1。

表1 ML40Cr合金冷镦钢线材元素质量分数（wt%）

从表2中夹杂物的检验情况来看，线材中夹杂物平均直径＜3.81μm，单位面积上的夹杂物颗粒数≤62个，数据表明ML40Cr钢夹杂物控制水平是好的，钢质纯净。

表2 ML40Cr合金冷镦钢线材夹杂物定量分析

2.2 热检性能分析

对ML40Cr合金冷镦钢线材的强度要求并非越高越好，相反强度低些有利于减少标准件生产企业的退火时间，减少用户的模具损耗，降低标准件的开裂率。表3是批量生产ML40Cr合金冷镦钢线材的检验结果。从表3可见，实际生产线材的力学性能为抗拉强度725MPa～965MPa、延伸率12%～25%、面缩率27%～60%，满足用户的使用要求，表明ML40Cr钢的轧制工艺是有效果的。

表3 ML40Cr合金冷镦钢线材力学性能

ML40Cr线材出厂检验项目之一——冷顶锻试验，用于检验线材的内在质量和表面质量，由于合金钢强度高，通常要求是以1／2变形量来判别，根据GB6478规定，样品冷镦开裂是不合格品。产品经过冷顶锻1／2变形，均没有出现开裂的情况，1／3变形少量有细小缺陷。表明线材质量符合检验要求。

2.3 表面质量与金相组织

由于线材在生产高强紧固件过程中要经过大变形量的镦压变形，线材微小缺陷会在加工中开裂，为此，对生产的线材进行多批次随机取样，进行表面酸洗检验，观察表面质量，存在轻微划伤的盘条进行了深度检测，实验结果见图1。采用光学显微镜观察了ML40Cr合金冷镦钢线材的组织。从金相组织来看，生产线材的组织为铁素体＋珠光体，由于生产的直径粗细不一，钢中珠光体的形貌不完全相同，直径越粗，铁素体量越大，典型组织见图2。

图1 ML40Cr合金冷镦钢线材表面划伤深度散点图

图2 ML40Cr合金冷镦钢线材典型组织

3 用户使用情况

ML40Cr合金冷镦钢线材用于生产10.8级以上的高强度标准件，典型用户生产工艺为：线材进行酸洗磷化、干燥、拉拔、退火、酸洗磷化、干燥、冷镦、热处理、成品检验、成品入库。从用户使用情况来看，入厂检验化学成分稳定、表面质量、力学性能指标均满足条件，钢中夹杂物含量低，产品拉拔、退火、热处理生产正常，成品检验合格。经用户生产10.9级高强度紧固件，产品达到高强紧固件的标准。图3展示了国内某标准件厂用该钢制造的部分产品。

图3 某标准件厂产品

4 结束语

ML40Cr合金冷镦钢线材的化学成分、非金属夹杂、表面质量、组织结构和力学性能，对其质量均有重要的影响，其各项指标的好坏会直接影响标准件企业的冷镦开裂率。通过合理的化学成份设计，有效的工艺和技术控制手段，确保了产品各项指标的最佳化。ML40Cr合金冷镦钢线材S、P含量低，钢质纯净，提高了该钢的的冷加工能力；生产工艺成熟，质量稳定，产品得到了用户的好评，达到了试制目标。

［1］申 勇.ML40Cr合金冷镦钢线材的开发［J］.金属制品，2008，（4）：20－21.

［2］庞 波，高秀华，邱春林，等.影响冷镦钢质量因素的研究［J］.金属制品，2006，（6）：31－34.

［3］张先鸣.我国冷镦钢的现状和发展［J］.金属制品，2009，（2）：44－45.

［4］吴瑞祥.影响冷镦钢质量的主要因素及控制措施研究［J］.湖南冶金，2002，（2）：22－24.

［5］宋维锡.金属学［M］.北京：冶金工业出版社，1989：324－328.