鉚螺鋼ML20 電爐冶煉、連鑄及熱處理工藝研究

供稿|李維華 / LI Weihua

內容導讀

鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝為：廢鋼加入超高功率直流電爐中熔煉形成鋼液，在鋼液中加入鑭和鈰，對鋼液進行球化處理，通過連鑄機將鋼液澆鑄成鋼坯，將成型的鋼坯經過退火處理，退火鋼坯溫度降低過程中加入鋁粉，最終獲得產品。冶煉加入的鑭和鈰可中和鋼液中的反球化元素，避免反球化元素影響鋼液的球化效果，在球化劑中加入燒堿，去除鋼液中的硫，避免鋼坯形成之后內部氣泡過多，影響鉚螺鋼的質量，同時設置兩個退火爐，輪流冷卻鋼材，提高了鋼材的退火效率，節省了工藝處理時間。

鉚螺鋼，又稱冷頂鍛鋼、冷鐓鋼或冷鐓鉚螺鋼，主要用來制造互換性較高的標準件用鋼（比如螺栓、螺母、螺釘等各類緊固件），一般基于該鋼種的可塑性，采用冷鐓成型工藝來批量生產。冷鐓生產工藝具有產品質量好、生產效率高、制造成本低、金屬損耗少優點；缺點是對所加工的原材料性能和質量具有較高的要求，例如需要原材料具有良好的冷鐓性能（特別是較大的變形量）和表面質量，才能具有盡可能小的阻力和高的變形能力以及更小的表面開裂幾率[1-6]。

鉚螺鋼按照熱處理工藝類型主要分為：非熱處理型、調質型、表面硬化型和非調質型，按照用途可以分為：軸承鋼、優質碳鋼、雙相鋼、合金結構鋼和不銹鋼。鉚螺鋼ML20 為高強度緊固件常用鋼種之一，主要用于制造自攻螺釘和緊固螺釘，成品螺釘需經滲碳、滲氮等表面硬化處理。而現今鉚螺鋼ML20 在冶煉的過程中，退火用時較長，影響冶煉的效率；原料鋼液中含有很多反球化元素，導致鉚螺鋼球化不充分，破壞球化效果[7-9]。因此，開展鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝研究，針對鉚螺鋼ML20 球化技術問題進行深入探析，具有一定的指導意義。

研究概述

鉚螺鋼ML20 電爐冶煉及熱處理工藝研究基于70 t 電爐冶煉工藝的基礎上進行研發，該電爐匹配四機四流方坯連鑄機，軋鋼工序采用三切分高剛度短應力軋機軋制工藝。結合公司現有的生產技術和裝備情況，本文按照工藝路線（如圖1 所示）主要從電爐冶煉、球化處理、退火熱處理等幾個方面來研究影響鉚螺鋼ML20 性能的因素，確定合理的電爐冶煉、球化處理和退火熱處理工藝等參數，最終獲得合格的鉚螺鋼ML20。

圖1 鉚螺鋼ML20 生產工藝

主要工藝研究

化學成分設計

根據各元素在鋼中的作用并參考鉚螺鋼ML20 設計規范，鉚螺鋼ML20 化學成分設計如表1 所示，其中分別設計了試驗樣1 和試驗樣2 的化學成分，來研究化學成分對鉚螺鋼ML20 性能的影響。

表1 鉚螺鋼ML20 化學成分（質量分數） %

冶煉和球化工藝研究

將冷拉鋼材廢鋼作為主要原料在超高功率電爐中進行初煉熔化，出鋼溫度控制在1550～1600 ℃，鋼液化學成分按照表1 控制，初煉鋼液在鋼包精煉爐（LF）中進行成分微調和球化處理，之后將鋼液澆鑄成鋼坯。精煉完畢后軟吹一段時間，在鋼液溫度降到1510～1540 ℃的時候，對鋼液進行球化處理，球化劑采用球化粉料合金包芯線的形式裝入喂絲機中，設置好喂絲機喂絲的速度、長度、模式、時間等參數，通過包蓋上預留的喂絲孔持續將球化劑和鑭鈰包芯線喂入鋼液中，球化處理操作過程中相關工藝參數控制如表2～3 所示，1#試樣使用球化劑1，2#試樣使用球化劑2。

表2 球化工藝參數控制

表3 球化劑成分（質量分數） %

鋼坯退火工藝研究

將以上成型的連鑄鋼坯放入退火爐中，并緩慢加熱到750～800 ℃，在退火的過程中，當鋼坯溫度降低到660～700 ℃的時候，往鋼坯上面加入鋁粉，控制鋁粉的質量分數為0.030%～0.050%。另外準備一個退火爐，并將退火爐加熱到430～450 ℃，等到第1 個退火爐鋼坯溫度降到650 ℃以下的時候，將鋼坯放入準備好的第2 個退火爐中，從鋼坯底部開始吹氮氣，控制氮氣壓力為0.30～0.55 MPa，當鋼坯冷卻至60～70 ℃，保持溫度40～50 min，試樣1#和試樣2#具體控制工藝參數如表4 所示。

表4 退火工藝參數控制

鉚螺鋼ML20 性能檢測

通過控制以上關鍵工藝參數制造出來的鉚螺鋼ML20 性能檢測如表5 所示，由表5 可以看出，1#試樣的抗拉強度和延伸率較2#試樣好，而屈服強度和硬度較2#試樣差，說明1#試樣所代表的鉚螺鋼ML20 塑性較好，具有良好的綜合機械性能。2#試樣所代表的鉚螺鋼ML20 硬度較強具有較大的抵抗變形的能力，使用中抗變形能力較強。

表5 鉚螺鋼ML20 性能參數均值

分析與討論

（1）球化劑的作用是使鉚螺鋼中形成細小、圓整、均勻的球狀石墨形態。

（2）通過控制鑭和鈰的加入量，將反球化元素含量控制在不影響球化處理的范圍，適當的保留鎳、鉬、鉻等金屬元素，可以減小厚斷面鑄件中心的石墨畸變，使鑄件中心石墨形狀改善，鎳、鉬、鉻等金屬元素也可以提升鉚螺鋼中碳化物的穩定性，從而提升鉚螺鋼的強度，同時提升鉚螺鋼的抗氧化性和韌性。

（3）將鋼坯緩慢加熱，然后以適應的速冷卻度冷卻至60～70 ℃，保持溫度40～50 min，在鋼坯內部形成晶粒較細、片層較厚、組織均勻的珠光體，退火的過程中，使內部形成的粒狀珠光體分布均勻，增強鋼坯的強度和韌性。

（4）利用退火爐之間的溫度差加速鋼坯的退火，避免降溫時間過長影響退火的質量，將鋼坯進行熱處理，使鋼坯中的化學成分均勻化，經過退火消除網狀碳化物，細化晶粒，形成強化析出碳化物，提高鋼坯的塑性，便于機加工和冷變形加工。

結論

（1）通過主要控制冶煉、球化和退火熱處理工藝相關工藝參數，成功制備了1#和2#兩種不同性能的鉚螺鋼ML20 試樣，其中前者具有良好的綜合機械性能，后者具有較大的抵抗變形的能力，使用中抗變形能力較強。

（2）球化劑和鑭、鈰可提升鉚螺鋼中碳化物的穩定性和鉚螺鋼的強度、抗氧化性和韌性。

（3）退火熱處理工藝可提高鋼坯中粒狀珠光體的比例，細化了晶粒，增強了鋼坯的強度和韌性，便于機加工和冷變形加工。