控轧控冷技术在35CrMo钢弯曲度控制上的应用

杨迎君

（河钢宣钢有限责任公司）

0 前言

CrMo系列作为汽车和机械重载的传动部件，要求其具有良好的强韧性、耐磨性、弯曲疲劳、耐接触性等性能[1-2]。这就要求其合金含量较高，但是在生产使用过程中，轧后组织的相变过程往往被推迟。再加之轧制生产中需先将材料加热到奥氏体化温度，从变形方面考虑，钢的加热温度应尽可能地高，这样不仅有利于轧制，而且高温下微合金元素能大量的固溶于基体中，有利于在随后的轧制过程中大量弥散析出，从而有助于强度的提高；但加热温度高会造成初始奥氏体晶粒粗大[3]。奥氏体组织粗大，合金钢的珠光体相变过程往往被推迟，在冷床上珠光体相变还没有完成，组织转变进入贝氏体相区[4]。同时，由于轧材组织心部和边部温度差异很大，加之冷床上下温度的差异，使棒材通条上下表面出现很大的组织应力不均匀性，在冷剪剪切后，圆钢出现侧向弯曲[4]。出现这种问题，往往需要对圆钢进行矫直，但棒材作业二区由于厂房空间限制无法增加矫直设备，且为降低生产成本，实现“绿色制造”[5]，因此通过优化生产工艺解决35CrMo钢的弯曲问题至关重要。如何控制轧材心部和边部的组织差异，减少贝氏体组织[6-7]和组织应力，是解决侧向弯曲的关键。

在不同阶段采用不同的冷却制度对其组织和性能都有直接影响，钢材的各部位冷却不均匀将引起不同的组织变化,相变时间与轧后冷却方式不同，所得组织及粗细程度也不同[8]。通过控制加热温度、轧制温度、变形制度、冷却条件等工艺参数，来控制奥氏体状态、相变条件、碳化物析出行为、相变后钢的组织和性能，从而达到控制钢材组织性能的目的[9]。

宣钢与东北大学合作，根据35CrMo钢控轧控冷技术要求，组织了一系列实验，解决了侧向弯曲问题，取得显著效果。

1 实验方案

1.1 宣钢轴承钢轧线工艺设施布置

宣钢棒材生产线共有18架轧机，粗轧4架、一中轧6架、二中轧4架、精轧4架，主要生产规格为Φ22 ～70 mm，在线水箱6套，每个水箱有6条不同内径的穿水管道，可以根据不同的生产规格组合运用。水箱采用圆环喷射式冷却装置，冷却管和反水管靠调整环缝尺寸来控制进水量，进入冷却器中的水经环形喷头以高速沿着钢材前进的方向定向喷射。1#、3#水箱各长5.63 m（其中6个正吹，2个反吹，1个气吹），2#、4#水箱各长7.3 m（其中4个正吹，2个反吹，1个气吹），水压1.5～1.8 MPa，小时水流量最大1 100 L，5#水箱、6#水箱不投入使用，轧线的平面布置如图1所示。

图1 轧线的平面布置

1.2 实验方案确定

35CrMoA加热炉高温段的温度控制在1 120～1 220 ℃之间，开轧温度设定为1 070～1 130 ℃，为保证钢坯充分加热，合金元素充分扩散，加热时间必须达到90 min以上。采用1段水箱对棒材进行冷却，控制棒材入精轧的温度，红钢进入水箱前温度控制在980～1 020 ℃，水箱温降控制在100 ℃左右，出口温度控制在880～900 ℃；精轧后采用两组水箱冷却，水箱温降控制在280～350 ℃，出口温度控制在600～700 ℃，上冷床温度控制在750 ℃左右[10]。共轧制Φ20 mm、Φ28 mm、Φ32 mm三个规格的35CrMoA钢棒材，并对其进行弯曲度检测，实验方案见表1。

表1 不同规格35CrMoA钢圆钢冷却生产方案

具体生产方案：（1）对Φ20 mm规格的35CrMoA钢进行轧后超快冷，成品速度分别为11.0 m/s、12.5 m/s的冷却实验，观察最终组织及弯曲度情况；（2）对Φ28 mm规格的35CrMoA钢进行轧后超快冷，使表面冷却温度降到690～700 ℃，观察最终组织及弯曲度情况；（3）对Φ32 mm规格35CrMoA钢进行冷却，出水箱的最低温度分别降到700～720 ℃和600～620 ℃，观察两种冷却温度下的最终组织及弯曲度情况。

2 实验结果

2.1 20规格35CrMoA实验结果分析

将成品速度分别设定为11.0 m/s、12.5 m/s，表面超快冷却最终温度均为680～700 ℃、700～720 ℃，最高返红温度分别为790～810 ℃、800～810 ℃，选取不同位置检测其显微组织，如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出，1#试样、2#试样边部和心部的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，平均贝氏体比例为25%，贝氏体比例较未穿水的有较大改善（未穿水前为70%～80%），弯曲度得到了有效控制。20规格35CrMoA实物如图4所示。

图2 1#试样（成品速度11 m/s）金相组织 200×

图3 2#试样（成品速度12.5 m/s）金相组织 500×

2.2 28规格35CrMoA实验结果分析

成品速度设定为9 m/s，1号水箱出口温度为880～890 ℃，4号水箱出口超快冷后的最终温度为700～720 ℃，选取不同位置检测其显微组织，如图5所示。

从图5可以看出，3#试样边部和心部的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，平均贝氏体比例为35%，贝氏体比例较未穿水的有较大改善，弯曲度得到了控制。3#试样28规格35CrMoA实物如图6所示。

图4 20规格35CrMoA实物

图5 3#试样的金相组织 200×

图6 3#试样28规格35CrMoA实物

2.3 32规格35CrMoA实验结果分析

成品速度设定为7.5 m/s，1号水箱出口温度为930～960 ℃，4号水箱出口超快冷后的最终温度为700～720 ℃，剪切温度为420～490 ℃，选取不同位置检测其显微组织差异，如图7所示。

从图7可以看出，4#试样边部和心部的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，平均贝氏体比例为35%～45%，成品材弯曲明显，弯曲度未得到有效控制。4#试样32规格35CrMoA实物如图8所示。

图7 4#试样的金相组织 200×

图8 4#试样32规格35CrMoA实物

成品速度设定为7.5 m/s，1号水箱出口温度为920～950 ℃，4号水箱出口超快冷后的最终温度为600～620 ℃，剪切温度降至300 ℃以下，选取不同位置检测其显微组织差异，如图9所示。

从图9可以看出，5#试样边部和心部的金相组织为贝氏体+铁素体+珠光体，平均贝氏体比例为21.4%，贝氏体比例较未穿水有较大改善，弯曲度得到明显控制。5#试样32规格35CrMoA实物如图10所示。

图9 5#试样的金相组织 200×

图10 5#试样32规格35CrMoA实物

3 结论

（1） 成 品 速 度 分 别 为 11 m/s、12.5 m/s的Φ20 mm棒材，表面超快冷却后的最终温度为680～700 ℃、700～720 ℃，最高返红温度分别为790～810 ℃、800～810 ℃，贝氏体组织由之前的70%～80%降低到25%，成品表面弯曲度控制良好，满足国家标准要求。

（2）Φ28 mm规格35CrMoA钢，表面超快冷温度为680～720 ℃，最高返红温度为790～810 ℃，贝氏体组织由之前的70%～80%降低到35%～45%，成品表面弯曲度控制良好，满足国家标准要求。

（3）Φ32 mm规格35CrMoA冷却后，出水箱最低温度分别降到700～720 ℃、600～620 ℃。当出水箱的最低温度为700～720 ℃时，成品表面弯曲度未得到有效控制，不符合国家标准；当出水箱的最低温度为600～620 ℃时，成品表面弯曲度控制良好，符合国家标准。