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2.可以省略离线退火工序的冷镦钢高线用线材

另外一种新产品,可以省去离线退火工序的冷镦钢高线用线材,具有低的抗拉强度以及很好的韧性特点,它的特性相当于那些通过离线软化退火(700℃保温7小时)的传统

产品。这些优越的特性都来自于在线特殊热处理软化方式,而不用改变传统线材产品(如日本工业标准的优质碳素钢(SWRCH 45K)、铬钼合金钢(SCM 435H))的化学成分。图表4.将辅助工作流程所需的改进钢种与传统钢种的作比较。参考示例一,鉴于传统线材在拉丝、冷镦前需要离线退火,改进后的线材基于在线特殊热处理手段(可被视为热轧中的部分工序),可以直接跳过退火工序,而在工作性能方面与离线软化退火的一样好。图表5.显示了优质碳素钢(SWRCH 45K)、铬钼合金钢(SCM 435H)在盘卷不同部位的抗拉强度;通过在线软化手段得到的改进钢种(DS)在轧制期间的抗拉强度要比通过离线软化退火得到的传统钢种(SA)的小。低合金钢如铬钼合金钢(SCM 435H)在普通热轧下,往往会表现出与贝氏体混合的铁素体、珠光体结构;而新的在线特殊热处理手段得到的组织结构中只有不含贝氏体的铁素体、珠光体稳定结构。

如照片1.所示,传统的优质碳素钢(SWRCH 45K)在热轧中,可以清楚看到显铁素体、珠光体的层状结构。而通过在线热处理工序改进后的优质碳素钢(SWRCH 45K),组织结构中同样含有铁素体、珠光体,但是渗碳体将部分未被完全分离以及球化的珠光体薄层联结在一起,如照片2.所见。

另一个改进钢的特点在于,所有型号线材轧机轧制需要的产品都具有低的抗拉强度,而不受轧件尺寸的影响。新日铁钢厂的传统产品(低碳合金钢),以它的低抗拉强度而著称,由于低温轧制以及慢冷手段而得到的奥氏体晶粒,从而加速了铁素体的形成。如图表6.所见,低碳合金钢的晶粒尺寸范围在13mm以上;由于在13mm以下,很难得到单一的材质,因此无法保证稳定的得到低的抗拉强度。

在另一方面,由于在线热处理技术,可稳定的获得低的抗拉强度,改进钢的晶粒的直径范围在5.5 毫米以下。图表7.和8.分别显示了优质碳素钢(SWRCH 45K)、铬钼合金钢(SCM 435H)的压缩变形表现。在优质碳素钢(SWRCH 45K)中,可以看出改进后的优质碳素钢要比传统工艺的优质碳素钢(SWRCH 45K)抗变形应力小将近50MPa,而在铬钼合金钢(SCM 435H)中,要小到大约150MPa。

接下来,图表9.显示了铬钼合金钢(SCM 435H)以及低碳合金的改进钢与传统钢的最大镦粗率(韧性指数)的差异,镦粗率的计算公式: ,沿垂直轴绘制的方向,用带有凹槽的压铸模具挤压光滑的圆柱形试件两端得到实验结果。鉴于低碳合金钢的最大镦粗率大约在65%,实质上与没有经过软化退火的传统铬钼合金钢(SCM 435H)形态比率一样,然而改进合金钢(在线软化)在镦粗率达到80%的时候仍然没有裂痕出现,与传统工艺的离线软化退火工艺的材料镦粗率一样。

这些测试结果表明,冷镦用线材,不需要经过离线退火工序,特殊的在线热处理手段也解决了线材长期受尺寸限制的问题,抗拉强度甚至比传统的离线退火工序还要小。因此,改进后的线材工序应用将有待推广。

图表10.以传统工艺产品与改进工序(在线软化)后产品作对比,显示了碳钢线材中碳当量(Ceq)与抗拉强度间的关系;图表11.为低合金钢;图表12.为硼钢。虚线和实线分别表示传统工艺线材与改进后线材的数据结果。通过这些图表显示,在线软化改进工序可以降低各种级别以及各种碳当量的线材的抗拉强度。尤其是在低合金钢中,由于没有贝氏体结构,其抗拉强度强度要比传统工艺线材的低200—300MPa。在碳钢和硼钢中,虽然传统线材与改进工序后的线有着同样的铁素体、珠光体显微晶相组织结构,但是经过在线软化改进工序后的线材抗拉强度要比传统工艺的小50—100MPa。因此,新改进工艺的线材产品能够提高锻模的使用寿命以及省略离线软化退火工艺流程。


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冷镦钢高线所用高性能线材

1.用于延长锻造期的硼钢

螺栓大多都是用中碳钢、或者中碳低合金钢如日本工业标准的优质碳素钢(SWRCH 45K)、铬钼合金钢(SCM 435H),通过软化,球化退火,冷锻成螺栓的形状,再经淬火,回火制作而成。近年来为了降低螺栓制造成本,硼钢已经逐步取代了优质碳素钢(SWRCH 45K)。硼钢是一种降低了碳含量以及其他合金元素的钢种,其可以降低热轧制过程中的抗拉强度,同时由于硼元素的加入,减少了钢中其他合金元素的含量,从而降低了钢种的硬度。硼钢的优势在于它降低了生产及后处理工艺流程的成本,但是它的热轧抗拉强度并没有优质碳素钢(SWRCH 45K)在球化退火后的低,因此在延长锻模寿命效果上并没有达到预期效果。为了得到相当于或者比优质碳素钢(SWRCH 45K)的球化退火效果更低的抗拉强度,新日铁公司运用了他们自创的在线特殊热处理工艺流程来解决这一问题。

图表1.将改进后的硼钢与传统的硼钢的抗拉强度作比较。鉴于热轧抗拉强度的图表,可以看出传统的硼钢要比经过球化退火的优质碳素钢(SWRCH45K-SA)高出将近50MPa,而通过在线热处理技术改进后的硼钢的抗拉强度只有500MPa,效果相当于经过球化退火的优质碳素钢(SWRCH45K-SA)。从图表2.的结果可以看出,改进后的硼钢抗压缩变形力要比传统工艺的硼钢压力小50Mpa。由图表3.可见,改进后的硼钢锻模的使用寿命是传统热轧硼钢的三倍。通过在线热处理手段得到的硼钢,解决了长期以来锻模寿命较短的问题,正如上所述;同时预计这种应用范围将会被推广。


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改进铝镇静冷镦钢高线的可铸性

在钢包炉中精炼铝镇静冷镦钢高线的实验研究显示:在精炼结束时钢水中钙含量增加到了大约0.0010%,铝还原产物由Al2O3变为复合夹杂物CaO-MgO-Al2O3, 因高碱度其熔点较低,高Al2O3和强还原渣。夹杂物呈液态,在钢包精炼和连续浇铸过程中能使之流畅地向上漂浮。钢中的总氧含量下降至约0.0020%。实验工艺对80吨钢水只使用50米钙线,甚至不进行钙处理。与传统的使用更多量钙进行处理的工艺相比,后者会形成高熔点的CaO-MgO-Al2O,实验工艺能改进可铸性并降低生产成本。


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改进ML35冷镦钢高线炼钢质量的措施

ML35是一种常见的冷镦钢高线钢种,生产中容易出现铸坯中心等轴晶率不发达、中心缩孔、中心偏析明显,钢中Als含量控制不稳定,连铸中间包水口结瘤频繁等质量问题。需要加以控制,具体改进质量措施为:

1、铸坯质量控制

1)采用“典型拉速”工艺。规定中包温度与拉速匹配,稳定拉坯速度,改善了铸坯疏孔、缩孔。需要严格控制钢水过热度。LF升温先将温度升至高目标10-20℃,然后软吹一定时间;再升温至钙处理温度,从而实现过热度的稳定控制。

2)优化结晶器电磁搅拌参数,保证结晶器弯月面的平稳,使结晶器内钢水温度分布更加均匀,提高了铸坯中心等轴晶率,改善了铸坯中心缩孔、中心偏析。

2、控制Als含量

三步控制Als含量。出钢过程对钢液进行沉淀脱氧;在吹氩喂丝站对钢液进行一次深脱氧;在LF对钢液进行扩散脱氧。

3、解决水口结瘤措施

引流二次开浇或保护浇注不好,都易造成Al2O3堵塞水口。为此:

1)开浇操作。通过积累经验、加强中包烘烤等,准确把握“出苗”时间与“试棒”时机,使开浇成功率达到100%。

2)采取大包长水口加密封垫并吹氩密封,开浇第1炉中包吹氩直至覆盖剂铺满整个中包液面、脱锭后在中包两节水口咬合处涂抹密封胶泥、结晶器使用保护渣的保护方式,基本杜绝了浇铸过程的二次氧化。


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免退火中碳钢冷镦钢高线(SWRCH35K-M、CH35A-M)特点

马钢免退火SWRCH35K-M(CH35A-M)中碳冷镦钢高线线材,是用经过微合金化处理的精炼优质钢坯,采用热机轧制工艺技术,使线材组织中铁素体晶粒度适当,铁素体比例提高,珠光体所占的比例减少,珠光体团小而分散,珠光体中的渗碳体片变薄、变碎并部分粒状化。这种铁素体加部分粒状化的珠光体组织使线材强度、硬度降低,塑性提高,冷镦时金属流动性好、冷作硬化率低,可以免去球化退火,直接打内六角螺栓和法兰面螺栓,可省去退火费用,节约能源,保护环境。退火冷镦钢高线SWRCH35K-M、CH35A-M的淬透性好,满足工业生产热处理的要求,其中SWRCH35K-M、Φ16规格钢淬火、回火特性见图6。

从工厂生产的产品抽样检验,螺栓的淬火性能很好,表面和芯部全部淬成马氏体组织,高温回火为回火索氏体组织,硬度均匀,显微硬度差:最大20HV,洛氏硬度C差:1度。


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冷镦钢高线生产线工艺特点:

冷镦钢高线引进了世界上最先进的设备技术,并与外商共同研发了具有马钢专利的独特工艺布置,改选成为世界一流的高速线材轧机生产线,其主要特点可以归纳为:单线,高速、高效、高新、高质(单线:单线、多通道柔性生产;高速:最高轧制速度120m/s,保证速度112m/s;高效:采取了许多提高作业率的技术,轧机作业率高,产量高;高新:采用先进的世界前沿技术,单孔型系列,精轧机组和减定径机的最低轧制温度达到700℃,热机轧制技术;高质:规格从Φ6.5mm-20mm,尺寸精度高,线材的组织性能控制能力世界一流。根据不同的生产规格和产品质量的要求,可以分为四条路径进行生产


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冷镦钢高线的组织性能研究

冷镦钢高线是指在常温条件下利用金属塑性成形工艺生产互换性较高的标准件用钢,可用于生产各种紧固件如螺栓、螺母、螺钉、铆钉等紧固件和冷镦成型的零部件等,这些标准件在汽车、拖拉机和船舶制造中以及建筑等行业得到广泛应用。采用冷镦成形工艺生产标准件的优点是,金属的利用率比切削加工高一倍,劳动生产率高几十倍甚至上百倍,同时产品尺寸精度高,表面光洁度好,适于大批量生产。目前,我国冷镦钢高线的开发生产虽然已经形成了一定的批量和规模,但对高纯净度、高性能和高质量的冷镦钢高线的需求更为迫切,我国高质量冷镦钢高线仍以进口为主。SCM435冷镦钢高线线材主要用于制作10.9~12.9级高强、超高强度级别六角头螺栓、螺柱、内六角螺钉和六角螺母等,标准件用高强度SCM435冷镦钢高线既要有足够的强度,又要有良好的韧性和塑性。鉴于此,本文对SCM435冷镦钢高线的组织和性能进行了研究。

SCM435冷镦钢高线线材的生产工艺流程为100t转炉→LF炉精炼→小方坯连铸→高速线材轧制→斯太尔摩线控冷,其化学成分为0.35%C、0.27%Si、0.76%Mn、0.95%Cr、0.15Mo、0.012%P、0.003%S,所轧制的线材规格为Φ10mm。对相变冷却速度为0.8、2℃/s的热轧态冷镦钢高线分别进行球化退火,球化退火工艺为780℃×4h→缓冷到350℃→空冷。球化退火后,片层状珠光体将转变为粒状珠光体,但原多边形铁素体晶粒的存在会造成冷镦过程中变形不均匀,导致应力集中而易出现裂纹,使SCM435冷镦钢高线的冷镦性能下降。而球化退火后,获得均匀、单一的粒状珠光体组织是SCM435钢获得良好冷镦性能的关键。


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冷镦钢高线作为生产紧固件的主要材料,在加工过程中,钢坯变形量很大,所承受的变形速率也很高,因此要求冷镦钢高线必须具有良好的冷镦加工性能,尤其是冲击韧性和变形率。冷墩钢多为铝镇静钢,在铝脱氧的过程中不可避免地会生成Al2O3夹杂,残留在钢中的簇状Al2O3夹杂会大大降低钢的塑性、韧性、疲劳强度、抗腐蚀能力,特别是破坏了钢基体的连续性,在静荷载和动荷载的作用下,往往成为冷墩开裂的起点,从而造成冷墩开裂,降低冷墩成品率和产品质量。

北京科技大学的学者通过多种分析手段系统研究了40Cr冷镦钢高线LF精炼过程夹杂物的变化,得到LF精炼过程钢中夹杂物面积比与T.O含量变化规律相一致,从LF进站到LF出站,钢中夹杂物面积比由1.41%减小到0.45%;并且LF精炼能够有效地去除当量直径大于10μm的大颗粒夹杂物$绝大部分夹杂物的当量直径都落在2~5μm。LF采用高碱度、强还原性炉渣精炼,结合钙处理技术,可以有效地使钢中Al2O3夹杂转变为MgO- Al2O3系、CaO-Al2O3系和CaO-MgO- Al2O3系夹杂,改善钢的可浇性和冷镦性能;但需进一步合理的控制钙处理工艺,减少钢液的卷渣和二次氧化,提高钢液的洁净度。


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神户制钢高附加值冷镦钢高线生产工艺

神户制钢冷镦钢高线生产工艺路线为:铁水预处理。转炉→LF精炼→RH精炼→连铸(2流,300mm×430mm)→超声探伤、涡流探伤、板坯清理→加热炉→高速线材轧机轧制→在线处理。冷镦钢高线在二次加工过程中,若质量控制不佳会使紧固件产生裂纹甚至断裂,因此对盘条的内在和外在质量要求非常高。冶炼冷镦钢高线的关键是要提高钢水的纯净度,即控制钢中非金属夹杂物种类,降低夹杂物含量和尺寸。同时要有较高的塑性指标(断面收缩率应不小于50%、屈强比应不大于0.70)、优异的表面质量(冷镦开裂的80%是由钢丝表面缺陷造成)、晶粒要细小,组织为“铁素体+珠光体”。为此,神户制钢在质量控制方面主要采取了以下措施:

①采用公司开发的超洁净钢冶炼工艺稳定钢水质量,该工艺将钢中的P、S含量分别控制在0.01%以下,大幅减少夹杂物含量并使夹杂物无害化;②、采用立-弯型大方坯连铸机,在结晶器内和凝固末端采用电磁搅拌,改善铸坯的中心偏析;③、对方坯(115mm×155mm)进行全长、全断面的表面和内部质量检查;④、线材在2次加工中经过全长表面缺陷检查和缺陷清理后拉拔成钢丝;⑤、将电机由500kw增加至700kw,实现低温轧制,⑥、采用精密轧机技术,尺寸公差控制在±0.1mm。


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金属制品生产用冷镦钢高线的冶炼工艺

在金属制品生产中广泛使用ML35和ML45冷镦钢高线,结合各钢厂的生产工艺和产品开发,首钢和包钢用转炉生产ML35钢,莱钢和江阴兴澄用电弧炉生产ML35钢。ML35钢的生产按照GB6478-86标准生产,主要用于制造8.8级高强度标准件。首钢提出:ML35冷镦钢高线屈服强度平均值为380MPa,合格的屈服强度≥380MPa;ML35冷镦钢高线抗拉强度的平均值为576MPa,合格的抗拉强度≥576MPa;ML35冷镦钢高线断面收缩率的平均值为56%,合格的面缩率≥56%。

首钢和包钢生产ML35冷镦钢高线采用80吨转炉冶炼。包钢造渣制度是用单渣法,供氧制度定氧压、变枪位,终点控制是拉碳补吹,炉后增碳。装入制度是造渣分批、多次加入,严格控制好过程温度,防止钢水过氧化。钢包内的钢水在全程吹氩状态下进行精炼。用低级速到高级速逐渐提高升温速度的方式加热并适时加入造渣料,配加CaC215~30kg,Al粒25~50kg。在还原性气氛下深脱硫,脱硫率平均为59.2%。  江阴兴澄钢铁有限公司开发了ML35钢并形成批量生产。30t电弧炉冶炼→40t钢包炉精炼→R8m连铸140方坯→坯料精整合格后轧制成材。该钢厂为提供纯净度高、温度、成分均匀合适的钢水采取的措施:(1)加强电弧炉出钢过程及精炼前期预脱氧工作。电弧炉出钢时顺流加吨钢1kg硅钡,LF前期吨钢喂0.3kg铝丝,同时保证1600℃左右的精炼温度,使脱氧产物有时间充分上浮。(2)精炼后期补喂铝丝,由于此时钢水含氧量较低,补喂的铝大部分以溶解铝的形式存在于钢中。(3)加铝完毕后再喂入吨钢1kg硅钙,能防止连铸过程中的结瘤并改善夹杂物的形态和分布。


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浇注冷镦钢高线的关键技术

冷镦钢高线对线材的表面质量、内在质量、成分的均匀性、冷加工性能及尺寸精度均有较高的要求。尽量减轻连铸过程中钢水的二次氧化、确保铸坯表面质量是连铸冷镦钢高线的重点,为此采用以下一些关键技术:

(1)采用全程保护浇注,同时采用设置挡渣堰的中间包,确保浇注时夹杂物能充分上浮、吸收。

(2)为确保铸坯的表面质量,采用高频小振幅的振动模式,并控制结晶器液面波动不超过±5mm,同时选择合适的保护渣。

(3)为确保铸坯的低倍质量,严格控制中间包过热度在20~35℃以内,优化二冷配水制度,采用气水雾冷却技术进行弱冷,严格控制拉速,使铸坯不产生大的缩孔,以及表面凹陷、皮下裂纹等缺陷。


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冷镦钢高线开裂控制措施:

1、减少金属内部不良因素。通过提高钢水纯净度,减少有害杂质元素,降低夹杂物数量和尺寸;通过连铸合理操作,减轻气泡、缩孔和偏析;通过控制轧钢冷却、吐丝缓冷的温度,消除有害组织和得到需要的晶粒度以及减轻线材氧化铁皮的不利影响,进而提高金属塑性,降低加工硬化状态,增加顶锻合格率。

2、消除线材表面的裂纹源。加强对钢坯表面缺陷的清除,控制钢坯加热温度和时间以及加热炉内的气氛,严格贯彻轧制工艺规程,对在线设备和轧件勤于检查,杜绝和减少折叠、划伤等缺陷。

3、质检。按标准规定进行化验、低倍、高倍和力学等项目检测,加强表面检验,发现坯料表面有缺陷要快速判定、及时清除,不合格品不能向下工序流动;线材成品在线顶锻开裂也要快速判定、分析原因,避免缺陷产品大量产生。


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冷镦钢高线表面开裂的两种形式

冷镦钢高线又称铆螺钢,是利用金属材料塑性在常温下通过镦制工艺生产紧固件的一种专用钢种,其产品具有表面质量好、尺寸精度高、金相组织易于控制、盘重大等优点。开裂是影响冷镦钢高线使用质量的关键因素之一。冷镦钢高线开裂主要有两种形式:

1、冷镦内部塑性型开裂

塑性型开裂其表面主要特点是裂纹没有贯通现象。表现形式通常有2种:一种是试样开裂裂纹相对轴线呈45°,裂纹较深,但金属肉不外翻。另一种是试样沿圆周呈密集、无规则、不贯通、向纵向延长的微细型裂纹。

2、冷镦表面裂纹源型开裂

裂纹源型开裂其表面特点是裂纹沿纵向直线贯通。表现形式有2种:一种是试样上出现的裂纹沿纵向贯通开裂,裂口处有新鲜的金属肉内翻,这是冷镦开裂最常见的形式。另一种是试样出现的裂纹呈断续纵向贯通开裂,裂口处有片状微翻的毛刺。


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冷镦钢高线的技术要求

冷镦钢高线盘条一般为低、中碳优质碳素结构钢和优质合金结构钢,用来冷镦成型制造各种机械标准件和紧固件。合格的冷镦钢高线线材盘条必须满足以下要求。

1、化学成分对于合金结构钢而言,O、P、S容易造成夹渣物,造成冷顶锻裂纹,所以应以中下限为宜。2、表面质量冷镦钢高线盘条要求很严,尺寸公差为±0.15mm;不圆度≤0.10mm;表面裂纹、划痕最深≤0.07mm。3、脱碳冷镦钢高线盘条直径≤14mm,铁素体全脱碳层深度≤0.015mm,不完全脱碳层总深度≤0.10mm;直径16-24mm,铁素体全脱碳层深度≤0.02mm,不完全脱碳层总深度≤0.12mm;直径27-42mm,铁素体全脱碳层深度≤0.03mm,不完全脱碳层总深度≤0.15mm。4、非金属夹杂冷镦钢高线盘条要求B类夹杂物距表面2mm之内应不大于15μm。B类和D类夹杂物一般控制在2级内。5、金相组织金相组织为铁素体+粒状珠光体。理想的组织是珠光体晶粒大小相近并均匀地分布在铁素体基体上。6、低倍组织冷镦钢高线盘条低倍不应有缩孔、分层、白点、裂纹、气孔等缺陷,对中心疏松、方框偏析不允许大于2级。7、晶粒度10.9级以上螺栓晶粒度在7-8级较佳,保证成品强度外,其余级别冷锻钢线材的晶粒度可控制在5-7级。8、冷镦性能冷镦钢高线盘条的断面收缩率应不小于50%、屈强比应不大于70%,同时冷加工强化系数越低越好,这样不易产生加工硬化。



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