热轧10B21钢盘条冷镦开裂的原因及预防措施

苏振伟 周 淼 赵 赟 屠兴圹 林 俊 万文华

(中天钢铁集团有限公司 技术中心，江苏 常州 213011)

10B21钢为含硼低碳钢，铁素体含量较高，变形抗力小，冷镦和拉拔性能良好，不易脱碳，淬透性也较高[1- 2]，其逐步用于替代SWRCH35K、SWRCH45K、40Cr、20CrMo钢等制造8.8级法兰螺栓等紧固件。8.8级法兰螺栓的生产工艺为两球(球化退火)两拉(拉拔)、一球两拉或一球一拉。为节能减排，部分紧固件用户开始尝试取消球化退火，盘条拉拔后直接冷镦成形，但紧固件冷镦时易开裂。导致紧固件冷镦开裂的原因有很多，如裂纹、折叠、结疤、深划伤等表面缺陷[3- 5]，马氏体、贝氏体、魏氏组织、粗大晶粒、混晶、脱碳、夹杂物等异常组织[6- 10]。另外，如果变形道次安排不合理、模具安装或润滑不良或损坏等也可能导致紧固件冷镦开裂。

本文分析了采用未退火的热轧10B21钢盘条制造法兰螺栓时频繁发生冷镦开裂的原因，并提出了相应的预防措施。

1 螺栓及盘条的生产工艺

法兰螺栓生产工艺为热轧盘条(φ12 mm)→酸洗→磷化→拉拔(φ11 mm)→冷镦成形(法兰直径为27 mm)→调质→表面处理。可见，将盘条加工成法兰的变形量较大。经检验，约有10%的法兰螺栓冷镦时开裂。

热轧10B21钢盘条的生产工艺为高炉铁水→120 t转炉→120 t LF精炼→160 mm×160 mm钢坯连铸→钢坯加热→轧制→斯太尔摩线控冷。

2 理化检验

2.1 化学成分分析

对冷镦开裂的螺栓的化学成分进行检验，结果如表1所示，符合标准要求。

表1 冷镦开裂的10B21钢法兰螺栓的化学成分(质量分数)

2.2 宏观检验

开裂的法兰螺栓的宏观形貌如图1所示，裂纹均位于法兰边缘，该部位的冷镦变形量最大，变形应力较大。变形量较小的螺杆和螺栓六角头部未开裂，盘条无折叠和划伤等表面缺陷。

图1 冷镦开裂的法兰螺栓

2.3 金相检验

制备金相试样，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后进行金相检验，结果如图2、图3所示。可见裂纹开口较大，为穿晶裂纹，开裂部位变形严重，裂纹两侧无明显脱碳；螺栓六角头部及杆部均无表面缺陷和脱碳。开裂部位组织均为铁素体和珠光体，无异常组织，但铁素体粗细不均匀。行业内对热轧10B21钢盘条的显微组织要求为铁素体和珠光体，铁素体晶粒度应不低于7级。

图2 热轧盘条的显微组织

图3 法兰螺栓裂口部位(a)和杆部(b)的显微组织

2.4 盘条冷顶锻性能复检

对同批次10B21钢盘条进行1/3和1/4冷镦试验，即将盘条试样冷镦至1/3和1/4高度，以检验其冷镦成形性能。结果表明，1/3冷镦试样合格，而1/4冷试样开裂，如图4所示，与法兰螺栓的开裂情况相同。

图4 冷镦至1/3(a)和1/4(b)高度的10B21钢热轧盘条试样

3 分析讨论与工艺改进

3.1 螺栓开裂原因

由于制作法兰螺栓的盘条及变形量较小的螺杆和螺栓六角头无表面缺陷，开裂仅发生在变形量最大的法兰边缘，因此可排除表面缺陷方面的原因。开裂螺栓显微组织为铁素体和珠光体，无异常组织，螺栓冷镦开裂与其显微组织无关。螺栓冷镦开裂后，紧固件厂更换了冷镦成形模具并进行了安装校对，不存在成形道次安排不合理的问题。此外，模具原因造成开裂的螺栓比例通常都超过50%甚至全部开裂，而本批次冷镦开裂的螺栓比例约为10%，并且成形后的螺栓尺寸符合要求，因此冷镦成形工艺及模具也不是造成螺栓开裂的原因。

螺栓开裂均出现在其法兰边缘，为穿晶斜裂。盘条试样仅能被冷镦至1/3高度不开裂，冷镦至1/4高度发生开裂。铁素体晶粒大小不均匀，导致材料塑性较差。按传统工艺加工的盘条在拉拔前或拉拔后会进行球化退火，盘条的塑性较好。但取消退火后，盘条的冷镦成形性能基本完全取决于热轧盘条的塑性。

上述检验结果和分析表明，较粗的铁素体晶粒和混晶导致盘条冷镦性能恶化，冷拉拔进一步降低了材料塑性，导致螺栓在冷镦成形变形量最大的法兰部位开裂。细化热轧盘条铁素体晶粒，避免出现混晶，能有效改善热轧盘条的冷镦成形性能，使之冷拉拔后不经球化退火即可用于制作冷镦法兰螺栓。

3.2 轧制工艺改进及效果

为解决因盘条塑性不良造成的法兰螺栓冷镦开裂问题，需优化盘条的轧制工艺，细化铁素体晶粒，避免混晶。对轧钢工艺进行优化，即适当降低加热温度，能有效避免奥氏体晶粒粗大，获得细小的铁素体组织；降低终轧速率，防止轧后出现混晶；降低吐丝温度，提高冷却速率，抑制先共析铁素体粗化，细化铁素体晶粒。原工艺和改进工艺如表2所示。

表2 改进前后10B21钢盘条的轧制工艺

轧制工艺改进后10B21钢盘条的显微组织如图5所示，为铁素体和珠光体，铁素体晶粒度为10～11级，无混晶。冷镦试验结果表明，轧制工艺改进后盘条试样能被冷镦至1/5高度而不开裂，如图6所示。

图5 轧制工艺改进后的10B21钢盘条显微组织

图6 冷镦至1/5高度的10B21钢热轧盘条试样

4 结论

(1)未进行退火的10B21钢盘条铁素体晶粒大小不均匀，导致塑性较差，造成了冷镦时法兰螺栓开裂。

(2)适当降低钢坯加热温度、终轧速率和吐丝温度，并提高轧后冷却速率，可使铁素体晶粒细化至10～11级，并避免出现混晶。

(3)晶粒细小且均匀无混晶的10B21钢盘条具有良好的冷镦性能，可冷拉拔后不经球化退火而用于制作法兰螺栓。