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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 43 弹簧钢晶粒超细化轧制技术研究 张 宇 （东北特殊钢集团有限责任公司 大连 116031） 摘摘 要要：本文根据新型高强、高韧弹簧钢 38SiMnVB 的相变点，利用高精度合金钢高速线材连轧机，采用控制轧制 技术生产出超细晶粒钢。通过力学性能对比实验，得出超细晶粒钢比常规轧制钢的力学性能有大幅度提高。同时合 理控制的热轧超细晶粒钢可以不用退火直接拉拔，适用于生产轿车悬挂弹簧或油淬火钢丝。 关键词关键词：弹簧钢；晶粒细化；控制轧制；高强高韧 Study on the Rolling Technology of Sup
2、er Fine Grain Spring Steel ZHANG Yu (Dong Bei Special Steel group Co，Ltd Dalian 116031 ) Abstract: According to the point of transformation phase of spring steel 38SiMnVB, super fine grain spring steel is produced by the modern mill and controlling rolling technology and theory. Test match provide t
3、hat It has not only the super high strength (tensile and yield) but also very high toughness . Hot finished coil rod steel can be cold draw without annealing .Such super fine grain steel is suitable to produce spring of car and quenching wire . Key words: Spring Steel；Fine Grain；Control Rolling； Hig
4、h Strength and Toughness 1 前言 新一代钢铁材料重大基础研究课题的基本思想是钢的纯净化、均匀化和晶粒超细化1。晶粒细 化显著提高钢的力学性能。随着中国汽车工业的发展，特别是轿车产量的高速增长，对弹簧的质量 提出高强、高韧的要求。弹簧的高强度、高韧性是弹簧材料研究的重要方向2。稳定杆、扭力杆和 螺旋悬挂弹簧对轿车轻量化具有重要意义。 38SiMnVB 弹簧钢通过采用微合金化的方法3， 初步具备 高强、高韧的特性。为了充分发挥该钢种潜能，结合控制轧制理论，研究了微合金弹簧钢的生产工 艺。通过控制轧制获得超细化晶粒，超细化晶粒使钢在超高强度下保持更高的塑韧性。 2 试验材料
5、及生产工艺 2.1 试验材料的主要技术要求 2.1.1 化学成分:试验材料 38SiMnVB 化学成分如表 1 所示 表 1 试验材料化学成分% Table 1 Chemical compositions of test steel % 元素 C Mn Si V B 主要成分 0.39 1.48 1.21 0.09 0.0019 2.1.2 主要技术要求 （1） 力学性能 热处理后力学性能符合表 2 规定。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 44 表 2 热处理后机械性能 Table 2 Quench-tempering Heat treatment
6、mechanical properties 钢号 屈服强度 抗拉强度 延伸 面缩 38SiMnVB 0.21600MPa、 b1800MPa 59%、 40%。 （2） 非金属夹杂物 成品材料非金属夹杂物符合表 3 表 3 非金属夹杂物 Table 3 Nonmetallic inclusion 指标标准 A1.5 B2.0 C0.5 D1.0 实际 1.0 1.0 0 0 （3）其它技术要求符合表 4 表 4 其它技术要求 Table 4 Other technical requirements 氧含量 PPm 晶粒度 全脱碳层 总脱碳层 标准基本要求 O20 7 0 1%D 2.2 主要生
7、产工艺 2.2.1 生产工艺流程 电炉（EBT）炉外精炼（LF+VD）模铸（3T）红转开 150mm 方坯 钢坯缓冷探伤 钢坯喷丸探伤钢坯机械修磨棒线材连轧机热轧材成品 2.2.2 生产装备 冶炼：40 吨 EBT 电炉、钢包炉及真空炉。 开坯：750mm 轧机。 探伤：国产超声波设备和德国引进的磁粉探伤设备。 加热炉：日本中外炉公司步进式可控气氛加热炉。 连轧机：德国西马克公司(SMS)高精度合金钢棒线材连轧机组， 具有控轧、控冷功能，配有 Block 机组，Stelmor 线和 PF 线。 2.2.3 工艺控制 冶炼：电炉出钢温度 1660，钢包中部分合金化，LF 炉完成合金化。VD 真空
8、处理时间 22 分钟.真 空度 0.5 乇保持 12 分钟，然后浇铸钢锭。 开坯：钢锭红转，经加热炉加热到规定温度，由七五轧机轧成 150mm 方坯，然后转入保温坑缓冷， 消除轧制应力，杜绝应力裂纹和白点缺陷。 修磨：钢坯经喷丸清理、探伤及机械修磨，有效地保证了内外部坯料的质量，完成了坯料的准备工 作。 轧制：合格钢坯由步进式加热炉加热，该炉气氛可控，有效地限制了合金弹簧钢的脱碳程度，整个 钢坯温度控制均匀、准确。 3 试制结果 在加热温度和均热温度不变的情况下，选用常规轧制工艺和控制轧制工艺进行轧制。两种工艺 对比的具体工艺如表 5 所示。根据两种不同的轧制工艺，获得的组织、晶粒度、硬度及脱
9、碳等质量 差异情况如表 6 所示。轧制工艺对力学性能的影响如表 7 所示。 控制轧制不同于常规轧制，控制轧制时钢的精轧温度低，轧后先是快冷到低的吐丝温度，然后 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 45 延迟缓冷。应用这种工艺轧制状态的金相组织发生变化，对应的硬度存在大的差别。变化最显著的 是晶粒度出现超细化，达到 10 级以上。晶粒超细化最终体现为控制轧制的优越力学性能指标。 表 5 常规轧制与控制轧制工艺 Table 5 Normal rolling and Control rolling technology 控制点 加热温度 均热温度 精轧温度 吐
10、丝温度 Stelmor 冷却 常规轧制 1014-1018 980 850900 800850 标准冷却 控制轧制 1014-1018 980 控制 控制 延迟冷却 控制轧制与常规轧制工艺主要区别：控制轧制比常规轧制的精轧温度低，吐丝温度也低，同时 控制轧制速度和减面率以及 Stelmor 冷却速度和方法等。 表 6 金相和硬度检验对比 Table 6 Comparison of metallographic test and hardness test 项目 金相组织 硬度(HRC) 全脱碳层(mm) 总脱碳层(mm) 晶粒度 常规轧制 M+B+P 4145 0 0.070.10 78 控制
11、轧制 P+F 26 0 0.030.05 10 常规轧制钢的晶粒度主要以 8 级为主，金相组织以贝氏体+珠光体为主，硬度较高。控制轧制钢 的晶粒度大于 10 级（平均 57） ，金相组织是铁素体+珠光体，硬度不高。本钢种不易于脱碳。 表 7 性能对比 Table 7 Comparison of mechanical properties 轧制制度 试验状态 抗拉强度 Mpa 屈服强度 Mpa延伸% 面缩% 屈强比 常规轧制 热轧态 13101670 56 1219 不能拔丝 控制轧制 热轧态 9251010 615740 19.524 4558 直接拔丝 两种轧制指标平均差 300500 14
12、18 2530 控制轧制比常规轧制的强度低 300500MPa，延伸高 14%以上，面缩高 25%以上，所以控制轧 制的钢可以不用退火就可以满足减面率为 45%的拉拔。而常规轧制拉拔前必须退火。 4 分析讨论 38SiMnVB 钢的相变点 AC1、AC3、Ar1 和 Ar3 分别为 740、835、625、7004。制定 控制轧制工艺的重点是根据相变点进行控温轧制。轧制是在奥氏体相区进行形变，运用动态再结晶 与静态再结晶理论特点，使之形核数量快速增加5，随后控制冷却速度，抑制晶粒张大，使晶粒细 化。得到理想的细晶组织和良好的力学性能。 在 850以上的高温晶粒细化是利用热变形与再结晶规律细化奥
13、氏体，主要是以动态再结晶为 主,细化作用不明显。在 850形变，主要以静态再结晶细化奥氏体。这是细化奥氏体晶粒的主要阶 段。上道次晶粒的再结晶为下道次提供了原始细的奥氏体晶粒，通过再结晶又进一步细化。 在 835（AC3）再结晶困难。而由奥氏体再结晶温度以下至 Ar3=700这段（过冷奥氏体）温 度轧制时，过冷奥氏体形变不发生再结晶，但在晶内形成大量变形带，冷却时不仅在奥氏体晶界形 成铁素体核心，在晶内变形带处由于形变导致相变，也产生大量相变核心。通过延迟缓冷，发生相 变，结果晶粒细化。在低温吐丝也抑制相变的晶粒张大，结果得到更细晶粒的珠光体组织。图 1 为 超细晶粒的珠光体组织。超细晶粒的珠
14、光体组织通过淬火处理，得细到的板条马氏体组织如图 2 所 示。常规轧制如图 3 所示。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 46 控制轧制-热轧 100 控制轧制- 热轧状态 500 Control rolling-hot roll steel 100 Control rolling-hot roll steel 500 图 1 控制轧制超细晶粒钢组织 Fig 1 Structure of control rolling super fine grain steel 880 淬火 100 880 淬火 500 Quench at 880 100 Quen
15、ch at 880 500 图 2 控制轧制超细晶粒的钢淬火组织 Fig 2 Quench Structure of control rolling super fine grain steel 100 400 图 3 常规轧制组织-热轧状态 Fig 3 Structure of normal rolling hot roll steel 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 47 38SiMnVB 钢虽然有 V、B 的微合金化，具备现代钢组织细化和性能控制元素，起到推迟珠光 体转变，增强奥氏体稳定性作用。但在常规轧制工艺中得不到超细晶组织。由于常规轧制基
16、本全部 在高温进行，轧制变形过程是升温过程。研究表明，在 930晶粒急剧张大。高温吐丝，冷却速度 相对过快，过冷奥氏体发生珠光体转变变得困难，大部分转变成贝氏体、马氏体的混合组织。这样 轧制状态下钢的强度高，塑性差，同时晶粒也相对粗大。硬度、脆性都明显增加。这种组织状态不 利于直接拉拔，热处理后强度指标的提升受到限制。为了避免该组织状态出现，必须执行控轧、控 冷工艺，以改善其综合性能。 表 8 热处理后力学性能 Table 8 Quench-tempering Heat treatment mechanical properties 轧制制度 试验状态 抗拉强度 Mpa 屈服强度 Mpa延伸%
17、 面缩% 屈强比 常规轧制 18801850 16401600 1212 4847 0.860.87 控制轧制 870淬火 320回火 20302140 19002010 1215 4855 0.930.94 控轧与常规的平均差 180260 300370 相当 略高 0.07 38SiMnVB 钢综合性能另一体显，是控制轧制的超细化晶粒钢经 870淬火 320回火热处 理后，抗拉强度、屈服强度、延伸、面缩技术指标全面提高，屈强比也增大，体现出弹簧材料必备 的特性。而常规轧制的 38SiMnVB 钢同样经 870淬火 320回火热处理后，除延伸、面缩指标与 控制轧制基本相当外，其抗拉强度低 1
18、80260Mpa，特别是屈服强度低 300Mpa 以上、屈强比也低。 所以常规轧制钢的综合力学性能大幅度低于控轧的细晶粒钢。热处理后力学性能如表 8 所示。 通过对力学性能分析及金相组织检验对比，合理的控制轧制可以得到超细晶粒钢。超细晶粒钢 既提高强度，又提高了屈强比。同时也得到较高的延伸和面缩。这样的控制轧制技术使钢得到如此 良好的机械性能指标在国内钢铁材料中报道不多。38SiMnVB 弹簧钢的控制轧制技术的研究是所有 弹簧所追求的高强、高韧弹簧材料发展的方向。为轿车工业弹簧材料更新换代开辟了新的途径。 5 结论 (1) 在工业化大生产中，利用合理的控制轧制工艺，可以获得超细化晶粒钢。 (2) 利用合理的控温轧制工艺，热轧38SiMnVB线材可以省去退火直接进行拉拔。 (3) 38SiMnVB超细化晶粒钢经调质处理后比普通晶粒钢体现出显著的综合力学性能。 参考文献 1 翁宇庆，钢铁组织材料的组织细化。钢铁，2003（5）. 2 高伟，38SiMnVB弹簧钢的强韧化与应用研究，汽车技术2002年 第11期. 3 韩建中，高性能新型弹簧材料在汽车弹簧上的应用研究。汽车技术2000（12）. 4 2003，11，14 冶金工业部钢铁研究总院试验报告. 5 刘国勋 ，金属学原理，冶金工业出版社，1980.