（信息來源：中天鋼鐵集團(tuán)特鋼公司）

一、研究的背景與問題

在國家“碳達(dá)峰”及“碳中和”的雙碳政策下，特鋼生產(chǎn)技術(shù)向“綠色化、節(jié)約化”發(fā)展，其核心是資源節(jié)約型鋼鐵產(chǎn)品的研發(fā)和廣泛應(yīng)用，滿足減免工序、減少碳排放、降低成本等要求。

我國基礎(chǔ)件用鋼年產(chǎn)量超過3000萬噸，約占特殊鋼總量的30%，是量大面廣的特殊鋼品種?；A(chǔ)件產(chǎn)品種類豐富、制造工序繁多且質(zhì)量要求逐步提升，對(duì)原材料的組織和性能提出特殊要求，但目前中高碳特鋼線材在線組織性能精準(zhǔn)調(diào)控仍是突出的技術(shù)難題，典型代表有：1）彈簧鋼51CrV4等淬透性較強(qiáng)，小規(guī)格線材常規(guī)工藝易出現(xiàn)M+B組織，直接深拉拔時(shí)材料心部易發(fā)生“人字型”裂紋；2）8.8級(jí)緊固件用免退火冷鐓鋼市場(chǎng)需求量大，但當(dāng)前產(chǎn)品球化/退化珠光體比例小，變形抗力大，模具損耗高而應(yīng)用受限；3）工具鋼S2（67SiCrNiMoV）淬透性高，軋后易形成M組織，在儲(chǔ)運(yùn)及加工過程易發(fā)生脆斷導(dǎo)致報(bào)廢；4）因低溫變形抗力大，軸承鋼100Cr6傳統(tǒng)工藝不利于碳化物網(wǎng)狀控制，顯著影響滾動(dòng)體軸承疲勞壽命；5）高強(qiáng)簾線鋼LX86A要求原材料具有高索氏體化率、無封閉網(wǎng)碳，以保證深拉拔及捻股及疲勞性能，因此通常采用離線熱處理（球化退火、鹽浴或鉛?。┘岸鸩牡裙に噥斫鉀Q，帶來成本增加、成材率低、能耗高、環(huán)境污染等一系列問題。

中天鋼鐵集團(tuán)特鋼公司通過在線組織調(diào)控技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新是有效解決上述問題的有效途徑。傳統(tǒng)控軋控冷技術(shù)（TMCP）主要應(yīng)用于板帶及型材生產(chǎn)，相關(guān)研究及技術(shù)成果較多。相比之下，基礎(chǔ)件用特殊鋼線材的在線組織調(diào)控技術(shù)研究相對(duì)薄弱，缺乏系統(tǒng)性，應(yīng)用受限。因此當(dāng)前特鋼廠亟需結(jié)合下游用戶的需求，加強(qiáng)研究力度，加快推進(jìn)我國特鋼線材的高品質(zhì)、綠色化、節(jié)約化發(fā)展進(jìn)程。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目發(fā)揮中天鋼鐵集團(tuán)特鋼公司的先進(jìn)技術(shù)和裝備優(yōu)勢(shì)，針對(duì)彈簧鋼51CrV4、緊固件用鋼ZT35K-M、工具鋼S2（67SiCrNiMoV）、軸承鋼100Cr6以及簾線鋼LX86A的個(gè)性化需求開展在線組織調(diào)控技術(shù)及機(jī)理研究。

解決的思路和方案包括：1）采用連鑄輕重壓下160mm²優(yōu)質(zhì)方坯進(jìn)行生產(chǎn)；2）借助數(shù)值模擬研究摩根MINI/RSM機(jī)組軋制溫升、載荷和軋速的關(guān)系，探索軋制溫度和速度的Z佳匹配；3）對(duì)水箱和風(fēng)機(jī)實(shí)施技術(shù)改造，突破現(xiàn)有冷卻能力；4）根據(jù)不同鋼種特性、二次加工及服役性能要求，研究試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)相變行為和規(guī)律，闡明形變誘導(dǎo)相變、離異共析/退化珠光體轉(zhuǎn)變、變形強(qiáng)化相變等機(jī)理，通過反復(fù)驗(yàn)證與工藝優(yōu)化，利用多元組合控軋控冷工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)51CrV4、ZT35K-M及S2等亞共析鋼的在線“軟化”，以及100Cr6和LX86A的低級(jí)別網(wǎng)狀滲碳體和高索氏體化率控制，形成高品質(zhì)基礎(chǔ)件用鋼的在線組織調(diào)控技術(shù)開發(fā)集成創(chuàng)新。所采用的工藝技術(shù)如圖1所示。

①彈簧鋼；②工具鋼；③冷鐓鋼；④簾線鋼；⑤軸承鋼

圖1 特鋼線材在線組織調(diào)控工藝技術(shù)圖

二、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、開發(fā)出亞共析鋼在線“軟化”新技術(shù)

（1）ZT35K-M在線“軟化”技術(shù)

基于設(shè)備升級(jí)改造突破低溫大變形量軋制及軋后“超慢冷”的工藝，開發(fā)了DIFT、離異共析及退化珠光休相變的工藝技術(shù)，技術(shù)原理如圖2所示，精軋和終軋控制在未再結(jié)晶區(qū)+兩相區(qū)累積大變形軋制，以獲得累積變形儲(chǔ)能ΔGD，制造大量晶體“缺陷”提供相變形核核心，促進(jìn)DIFT；鋼中超平衡鐵素體來源除了DIFT促進(jìn)鐵素體析出外，DIF過飽和碳，減少未轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)；另一方面，DIF與奧氏體界面處形成富碳膜，過飽和碳從DIF中析出作為富碳奧氏體離異共析的形核質(zhì)點(diǎn)，在吐絲后控制超慢冷卻（冷速≤0.15℃/s）過程中誘發(fā)離異共析/退化珠光體相變。隨著奧氏體碳含量降低，鐵素體進(jìn)一步向奧氏體中推移，因尺寸效應(yīng)及硬化奧氏體中的形核核心促進(jìn)其發(fā)生退化珠光體轉(zhuǎn)變，形成短桿狀滲碳體，根據(jù)杠桿原理，得到遠(yuǎn)超平衡量的鐵素體。

圖2 ZT35K-M在線“軟化”機(jī)理示意圖

本項(xiàng)目ZT35K-M 控軋控冷工藝的盤條指標(biāo)：鐵素體含量達(dá)85%，球化率高達(dá)90%，硬度≤76HRC，強(qiáng)度≤530Mpa，面縮≥55%，延伸率≥30%，根據(jù)JB/T 5074-2007評(píng)級(jí)可達(dá)4.0級(jí)，1/3冷頂鍛合格率達(dá)到100%，如圖3所示。

（a）普通工藝，F(xiàn)=54%；（b）本項(xiàng)目，F(xiàn)=85%

圖3 本項(xiàng)目免退火ZT35K-M與普通工藝的顯微組織對(duì)比

（2）彈簧鋼51CrV4在線“軟化”技術(shù)

通過熱模擬研究了51CrV4動(dòng)態(tài)相變行為，如圖4。結(jié)果表明，道次820℃+第二道次700℃變形時(shí)（變形速率10s-1）發(fā)生明顯DIFT。隨著變形溫度降低，變形儲(chǔ)能增加，獲得大量晶體“缺陷”并成為相變形核核心，產(chǎn)生形變強(qiáng)化相變效應(yīng)。實(shí)際軋制過程中，需綜合考慮軋機(jī)的負(fù)荷、水箱穿水后的芯表溫差和高應(yīng)變速率條件下的芯部溫升等因素，因此為獲得目標(biāo)組織，需匹配好軋制溫度、軋前水箱和軋后冷卻速率等參數(shù)。

（a）820-700℃；（b）820-850℃；（c）920-700℃；（d）920-850℃

圖4 51CrV4雙道次變形后的顯微組織

根據(jù)熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用DIFT及奧氏體強(qiáng)化相變?cè)?，結(jié)合鋼種CCT曲線，采用低溫大變形軋制+緩慢冷卻的控軋控冷工藝。使彈簧鋼51CrV4獲得100%F+P組織、硬度≤290HB，可滿足下游用戶直接深拉拔加工，如圖5所示。

（a）改進(jìn)前Φ5.5mm；（b）改進(jìn)前Φ12mm；（c）改進(jìn)后Φ5.5mm；（d）改進(jìn)后Φ12mm

圖5 熱軋盤條51CrV4的顯微組織

（3）工具鋼S2在線“軟化”技術(shù)

S2合金含量較高、變形抗力較大，傳統(tǒng)采用高溫軋制和軋后緩冷工藝，如Φ8mm，由于輥道速率低，盤條搭接點(diǎn)與中間點(diǎn)散熱不均勻，入罩/出罩后搭接點(diǎn)與中間點(diǎn)溫度相差≥100℃，顯微組織難以均勻控制，通常獲得B+M+F+P混合組織，且在緩冷過程中產(chǎn)生明顯的全脫碳，因而造成脆斷及工具表面軟點(diǎn)，如圖6。

（a） B+M+F+P混合顯微組織；（b）脫碳層

圖6 普通工藝生產(chǎn)的S2盤條

根據(jù)CCT曲線及熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，為解決馬氏體脆斷及全脫碳問題，需在貝氏體相變區(qū)實(shí)現(xiàn)“等溫”處理。利用形變強(qiáng)化相變的技術(shù)方案，在未再結(jié)晶區(qū)低溫大變形軋制，獲得具有高位錯(cuò)密度及變形帶的硬化奧氏體，提高相變驅(qū)動(dòng)力，縮短貝氏體相變?cè)杏?。軋后水冷減少在線回復(fù)軟化，將硬化奧氏體“凍結(jié)”至相變前。吐絲后結(jié)合CCT曲線采用分段冷卻方式，快速穿過脫碳敏感溫度區(qū)抑制脫碳，縮小搭接點(diǎn)與中間點(diǎn)的溫差≤20℃，關(guān)閉保溫罩使得盤條在貝氏體區(qū)長時(shí)間充分相變，如圖7所示，終軋溫度工藝1＞工藝2＞工藝3，控冷工藝相同。

工藝3盤條截面邊緣與1/2R處平均硬度42HRC，心部硬度為44HRC。而由于原工藝盤條顯微組織以馬氏體為主，盤條邊緣硬度HRC平均達(dá)51，心部達(dá)60，極差達(dá)到9HRC。通過在線組織調(diào)控工藝，獲得高比例的貝氏體組織（＞90%）而降低硬度及提高韌塑性。

（a） 工藝1；（b）工藝2；（c）工藝3

圖7 不同控軋控冷工藝的顯微組織

2、軸承滾動(dòng)體用100Cr6在線組織調(diào)控

當(dāng)軸承鋼中夾雜物尺寸、數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，影響疲勞性能的關(guān)鍵指標(biāo)取決于碳化物的不均勻性。網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重時(shí)易引起熱處理時(shí)淬火開裂，也是服役過程中疲勞裂紋的發(fā)源地，顯著影響軸承的疲勞壽命。

模擬實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行兩道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)研究變形對(duì)顯微組織的影響，道次850℃變形速率10s-1變形量50%后，第二道次從850℃降溫至700℃壓縮變形35%，變形速率10s-1，碳化物呈網(wǎng)狀分布逐漸減薄，700℃變形時(shí)，二次滲碳體晶界晶內(nèi)斷續(xù)分布，網(wǎng)狀基本消除。

基于熱力模擬試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)組織演變規(guī)律研究，利用裝備改造升級(jí)，開展在線組織調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新，工藝如圖8~圖10所示。通過低溫大變形控軋?zhí)岣咦冃蝺?chǔ)能，利用大量晶體“缺陷”提供相變形核核心，促進(jìn)誘導(dǎo)滲碳體晶界和晶內(nèi)析出，精確控制軋后冷卻速率、冷卻起訖溫度和路徑，Φ10mm以上規(guī)格采用強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷組合將加工硬化奧氏體“凍結(jié)”至索氏體相變開始溫度，增加過冷度提高形核率細(xì)化晶粒及珠光體片層間距提高塑性，并通過輥速、佳靈等調(diào)節(jié)使搭接點(diǎn)和中間點(diǎn)溫差≤20℃，提高組織均勻性。

圖8 100Cr6控冷工藝原理圖

(a) 強(qiáng)風(fēng)冷；（b）“強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷”

圖9 100Cr6軋后控冷工藝

（a）常規(guī)軋制+風(fēng)冷工藝；（b）低溫大變形軋制+“強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷”工藝

圖10 不同軋制工藝的熱軋態(tài)顯微組織

采用低溫大變形軋制+“強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷”工藝的晶粒度由7.0級(jí)細(xì)化至10.0級(jí)，誘導(dǎo)滲碳體晶界及晶內(nèi)“缺陷”處析出，吐絲至相變開始的冷卻速率≥15℃/s，二次滲碳體細(xì)薄彌散未成網(wǎng)，塑性指標(biāo)面縮從＜22%提高至31%以上，可實(shí)現(xiàn)輕拉拔加工，減少用戶工序，熱處理后網(wǎng)碳從3.0級(jí)下降至2.0級(jí)以下，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，如圖11。

（a） 常規(guī)軋制+風(fēng)冷工藝；（b）低溫大變形軋制+“強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷”工藝

圖11 不同軋制工藝的熱處理后的網(wǎng)碳

3、高強(qiáng)度簾線鋼LX86A在線組織調(diào)控

鋼簾線作為汽車輪胎的骨架材料，在拔絲及捻股等生產(chǎn)過程中，除夾雜物和表面缺陷外，組織不良（尤其是網(wǎng)狀碳化物）也會(huì)導(dǎo)致斷線，降低生產(chǎn)效率。結(jié)合LX86A的CCT曲線，再結(jié)晶溫度以上終軋以適當(dāng)粗化奧氏體尺寸、提高奧氏體穩(wěn)定性，軋后采用分段冷卻（“強(qiáng)風(fēng)冷+霧冷”+“等溫”相變）方式精確控制冷卻起止溫度、冷卻速率達(dá)到30℃/s以上，與常規(guī)相比穿過兩相區(qū)的時(shí)間縮短了約30%，在索氏體區(qū)調(diào)節(jié)各段風(fēng)量，使相變潛熱釋放與風(fēng)冷降溫相消，以近似“等溫”冷卻；調(diào)節(jié)佳靈、輥速優(yōu)化風(fēng)量分配，搭接點(diǎn)中間點(diǎn)溫差≤20℃。軋后冷卻越快，越有利于抑制碳化物網(wǎng)狀析出，提高索氏體化率，但需要避免形成魏氏組織、過熱組織。溫度控制曲線如圖12所示。

圖12 簾線鋼LX86A控冷工藝溫度曲線

采用在線組織調(diào)控新工藝開發(fā)的LX86A高強(qiáng)簾線鋼，網(wǎng)碳析出和珠光體相變受到有效的抑制，索氏體化率從平均84.1%提升至92.8%，網(wǎng)碳≥2級(jí)的比例從3.2%降低至0.2%，≤0.5級(jí)比例達(dá)到93.7%，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)值1200-1250Mpa，面縮≥40%，索氏體片層間距0.10~0.20 μm，如圖13。

圖13 LX86A工藝改進(jìn)后的顯微組織

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目發(fā)揮中天鋼鐵集團(tuán)特鋼公司的先進(jìn)技術(shù)和裝備優(yōu)勢(shì)，針對(duì)彈簧鋼51CrV4、緊固件用鋼ZT35K-M、工具鋼S2（67SiCrNiMoV）、軸承鋼100Cr6以及簾線鋼LX86A的個(gè)性化需求開展在線組織調(diào)控技術(shù)及機(jī)理研究。解決了特鋼線材組織性能精確控制的技術(shù)難題，開發(fā)出多種機(jī)理組合應(yīng)用的高品質(zhì)特鋼線材在線組織調(diào)控技術(shù)，并2021年冶金科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量達(dá)到先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平，廣泛應(yīng)用于緊固件、彈簧、軸承、工具及輪胎子午線等，實(shí)現(xiàn)下游工序減化、低碳減排、降低成本等成效，項(xiàng)目成果可推廣至同類產(chǎn)品的生產(chǎn)，滿足基礎(chǔ)件制造的需求，近三年總產(chǎn)值達(dá)31億元，利稅7.5億元，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景好。