铆螺钢ML20 电炉冶炼、连铸及热处理工艺研究

供稿|李维华 / LI Weihua

内容导读

铆螺钢ML20 电炉冶炼及热处理工艺为：废钢加入超高功率直流电炉中熔炼形成钢液，在钢液中加入镧和铈，对钢液进行球化处理，通过连铸机将钢液浇铸成钢坯，将成型的钢坯经过退火处理，退火钢坯温度降低过程中加入铝粉，最终获得产品。冶炼加入的镧和铈可中和钢液中的反球化元素，避免反球化元素影响钢液的球化效果，在球化剂中加入烧碱，去除钢液中的硫，避免钢坯形成之后内部气泡过多，影响铆螺钢的质量，同时设置两个退火炉，轮流冷却钢材，提高了钢材的退火效率，节省了工艺处理时间。

铆螺钢，又称冷顶锻钢、冷镦钢或冷镦铆螺钢，主要用来制造互换性较高的标准件用钢（比如螺栓、螺母、螺钉等各类紧固件），一般基于该钢种的可塑性，采用冷镦成型工艺来批量生产。冷镦生产工艺具有产品质量好、生产效率高、制造成本低、金属损耗少优点；缺点是对所加工的原材料性能和质量具有较高的要求，例如需要原材料具有良好的冷镦性能（特别是较大的变形量）和表面质量，才能具有尽可能小的阻力和高的变形能力以及更小的表面开裂几率[1-6]。

铆螺钢按照热处理工艺类型主要分为：非热处理型、调质型、表面硬化型和非调质型，按照用途可以分为：轴承钢、优质碳钢、双相钢、合金结构钢和不锈钢。铆螺钢ML20 为高强度紧固件常用钢种之一，主要用于制造自攻螺钉和紧固螺钉，成品螺钉需经渗碳、渗氮等表面硬化处理。而现今铆螺钢ML20 在冶炼的过程中，退火用时较长，影响冶炼的效率；原料钢液中含有很多反球化元素，导致铆螺钢球化不充分，破坏球化效果[7-9]。因此，开展铆螺钢ML20 电炉冶炼及热处理工艺研究，针对铆螺钢ML20 球化技术问题进行深入探析，具有一定的指导意义。

研究概述

铆螺钢ML20 电炉冶炼及热处理工艺研究基于70 t 电炉冶炼工艺的基础上进行研发，该电炉匹配四机四流方坯连铸机，轧钢工序采用三切分高刚度短应力轧机轧制工艺。结合公司现有的生产技术和装备情况，本文按照工艺路线（如图1 所示）主要从电炉冶炼、球化处理、退火热处理等几个方面来研究影响铆螺钢ML20 性能的因素，确定合理的电炉冶炼、球化处理和退火热处理工艺等参数，最终获得合格的铆螺钢ML20。

图1 铆螺钢ML20 生产工艺

主要工艺研究

化学成分设计

根据各元素在钢中的作用并参考铆螺钢ML20 设计规范，铆螺钢ML20 化学成分设计如表1 所示，其中分别设计了试验样1 和试验样2 的化学成分，来研究化学成分对铆螺钢ML20 性能的影响。

表1 铆螺钢ML20 化学成分（质量分数） %

冶炼和球化工艺研究

将冷拉钢材废钢作为主要原料在超高功率电炉中进行初炼熔化，出钢温度控制在1550～1600 ℃，钢液化学成分按照表1 控制，初炼钢液在钢包精炼炉（LF）中进行成分微调和球化处理，之后将钢液浇铸成钢坯。精炼完毕后软吹一段时间，在钢液温度降到1510～1540 ℃的时候，对钢液进行球化处理，球化剂采用球化粉料合金包芯线的形式装入喂丝机中，设置好喂丝机喂丝的速度、长度、模式、时间等参数，通过包盖上预留的喂丝孔持续将球化剂和镧铈包芯线喂入钢液中，球化处理操作过程中相关工艺参数控制如表2～3 所示，1#试样使用球化剂1，2#试样使用球化剂2。

表2 球化工艺参数控制

表3 球化剂成分（质量分数） %

钢坯退火工艺研究

将以上成型的连铸钢坯放入退火炉中，并缓慢加热到750～800 ℃，在退火的过程中，当钢坯温度降低到660～700 ℃的时候，往钢坯上面加入铝粉，控制铝粉的质量分数为0.030%～0.050%。另外准备一个退火炉，并将退火炉加热到430～450 ℃，等到第1 个退火炉钢坯温度降到650 ℃以下的时候，将钢坯放入准备好的第2 个退火炉中，从钢坯底部开始吹氮气，控制氮气压力为0.30～0.55 MPa，当钢坯冷却至60～70 ℃，保持温度40～50 min，试样1#和试样2#具体控制工艺参数如表4 所示。

表4 退火工艺参数控制

铆螺钢ML20 性能检测

通过控制以上关键工艺参数制造出来的铆螺钢ML20 性能检测如表5 所示，由表5 可以看出，1#试样的抗拉强度和延伸率较2#试样好，而屈服强度和硬度较2#试样差，说明1#试样所代表的铆螺钢ML20 塑性较好，具有良好的综合机械性能。2#试样所代表的铆螺钢ML20 硬度较强具有较大的抵抗变形的能力，使用中抗变形能力较强。

表5 铆螺钢ML20 性能参数均值

分析与讨论

（1）球化剂的作用是使铆螺钢中形成细小、圆整、均匀的球状石墨形态。

（2）通过控制镧和铈的加入量，将反球化元素含量控制在不影响球化处理的范围，适当的保留镍、钼、铬等金属元素，可以减小厚断面铸件中心的石墨畸变，使铸件中心石墨形状改善，镍、钼、铬等金属元素也可以提升铆螺钢中碳化物的稳定性，从而提升铆螺钢的强度，同时提升铆螺钢的抗氧化性和韧性。

（3）将钢坯缓慢加热，然后以适应的速冷却度冷却至60～70 ℃，保持温度40～50 min，在钢坯内部形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体，退火的过程中，使内部形成的粒状珠光体分布均匀，增强钢坯的强度和韧性。

（4）利用退火炉之间的温度差加速钢坯的退火，避免降温时间过长影响退火的质量，将钢坯进行热处理，使钢坯中的化学成分均匀化，经过退火消除网状碳化物，细化晶粒，形成强化析出碳化物，提高钢坯的塑性，便于机加工和冷变形加工。

结论

（1）通过主要控制冶炼、球化和退火热处理工艺相关工艺参数，成功制备了1#和2#两种不同性能的铆螺钢ML20 试样，其中前者具有良好的综合机械性能，后者具有较大的抵抗变形的能力，使用中抗变形能力较强。

（2）球化剂和镧、铈可提升铆螺钢中碳化物的稳定性和铆螺钢的强度、抗氧化性和韧性。

（3）退火热处理工艺可提高钢坯中粒状珠光体的比例，细化了晶粒，增强了钢坯的强度和韧性，便于机加工和冷变形加工。