35crmo鋼超厚壁鋼管熱軋工藝研究

35crmo鋼超厚壁鋼管熱軋工藝研究

高速列車是各行業(yè)鐵路科技發(fā)展的重要標(biāo)志。經(jīng)過(guò)六個(gè)階段的快速啟動(dòng)，主干線列車的速度超過(guò)200公里。因而,列車上許多材料,特別是車軸材料需要改進(jìn)和提高。國(guó)內(nèi)外普通列車車軸廣泛使用的淬透性差的中碳鋼在高速列車上已不適用。為解決此問(wèn)題,考慮軸重、失效原因、應(yīng)力分布特點(diǎn)和運(yùn)行中的應(yīng)力狀態(tài),所要求的綜合力學(xué)性能及熱處理工藝等諸多因素后,據(jù)國(guó)外車軸材料及其熱處理的發(fā)展現(xiàn)狀,提出用35CrMo鋼熱軋成超厚壁無(wú)縫管作為高速列車車軸材料。文中介紹了用305mm×305mm的35CrMo鋼精鍛方坯經(jīng)熱定型成圓柱形管坯后在Ф216mm皮爾格周期軋管機(jī)組上熱軋成Ф215mm×72.5mm超厚壁無(wú)縫管的試驗(yàn)過(guò)程。先用同尺寸規(guī)格的20鋼管坯進(jìn)行了2批次(每批次各12件)試軋。檢測(cè)發(fā)現(xiàn),第1批次試軋管的壁厚偏心較大。注意加熱溫度的均勻性、沖中心孔的質(zhì)量、調(diào)整了設(shè)備及工藝參數(shù)、適當(dāng)修正軋輥孔型和送入量,最終軋制出符合該種尺寸規(guī)格要求的35CrMo鋼超厚壁無(wú)縫鋼管。對(duì)軋出的Ф215mm×72.5mm超厚壁管進(jìn)行幾何尺寸、橫截面上不同半徑處的金相組織、力學(xué)性能等分析和測(cè)定后,確認(rèn)熱軋出的35CrMo超厚壁無(wú)縫鋼管合符技術(shù)要求。1試驗(yàn)材料1.1氧含量高材料為35CrMo鋼,除基本化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外,為盡量減少疲勞裂紋源和避免氫損傷,對(duì)鋼中的氫、氧含量要求很嚴(yán),即氫含量≤20×10-6,氧含量≤30×10-6。此外,還對(duì)鋼中的S、P作了嚴(yán)格的規(guī)定。表1為35CrMo鋼鋼錠化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。1.2終鍛溫度將合格的鋼錠加熱到1175～1200℃后出爐于1150～1175℃始鍛,而終鍛溫度≥850℃。用800T精鍛機(jī)開(kāi)成305mm×305mm的管坯,鍛造比應(yīng)達(dá)到8∶1以上,以破壞鑄錠中的柱狀晶層。2試驗(yàn)與制造工藝2.1鋼管截面尺寸除鋼的化學(xué)成分外,對(duì)35CrMo熱軋超厚壁無(wú)縫鋼管的主要技術(shù)要求為:管子截面尺寸Ф215mm×72.5mm,定尺長(zhǎng)度2500mm;偏心≤3mm,內(nèi)徑Φ70±5mm;管壁厚誤差S為±10%;長(zhǎng)度誤差L為0～+20mm;定尺鋼管全長(zhǎng)彎曲度≤3mm;晶粒度級(jí)別≥5級(jí)。2.2氧割皮品格軋管壓焦?fàn)t皮爾巴初步確定的熱軋工藝流程是:尺寸為305mm×305mm的35CrMo鋼方形管坯→環(huán)形爐加熱至1200～1260℃→定形成圓柱坯并沖中心孔→延伸(去除沖孔杯底)→皮爾格軋機(jī)軋管→氧割皮爾格頭→830±10℃室式爐退火→1000T油壓機(jī)壓力校直→去頭定尺→檢驗(yàn)入庫(kù)。2.3加熱時(shí)間和加熱時(shí)間據(jù)35CrMo鋼的相關(guān)物理常數(shù),在微機(jī)控制的環(huán)形爐內(nèi)將管坯加熱到1200～1260℃,加熱時(shí)間150～180min。為使其有優(yōu)良的高溫塑性變形能力,應(yīng)保證加熱溫度均勻,管坯沿?cái)嗝婧烷L(zhǎng)度溫差≤10℃,嚴(yán)防過(guò)熱過(guò)燒,且爐內(nèi)的均熱段應(yīng)保持弱還原性火焰。2.4心心坯沖孔加工在臥式水壓機(jī)上,用140mm的沖頭,把加熱好并經(jīng)過(guò)定型的坯料裝入?？诪閳A形的沖孔模內(nèi),由沖頭壓入坯料中,以反擠壓方式將實(shí)心坯沖擠成空心帶杯底的環(huán)狀坯,應(yīng)盡量使沖出的中心孔在坯料的中心并保證斜度誤差≤2mm。沖孔結(jié)束后,用推桿將杯狀坯從模內(nèi)推出。2.5管機(jī)軋軋的工藝設(shè)計(jì)由于該管的直徑(D)與管壁厚度(S)之比達(dá)2.97,系超厚壁管。即使在皮爾格周期軋機(jī)上逐段軋制,軋機(jī)負(fù)荷也很大。在攀成鋼只能用Ф216mm皮爾格周期軋機(jī)機(jī)組進(jìn)行軋制。設(shè)計(jì)孔型為220mm,芯棒直徑為64mm,以保證需方有適當(dāng)?shù)募庸び嗔?。該軋管機(jī)組是帶有送料機(jī)構(gòu)的二輥式不可逆軋機(jī),在軋管機(jī)的上下軋輥上,對(duì)稱地刻有變截面的軋槽(即可變孔型),軋輥孔型由空軋區(qū)和輥軋區(qū)組成?？哲垍^(qū)屬于非工作帶,而輥軋區(qū)是軋管時(shí)的工作帶,它由鍛軋段、精軋段和出口區(qū)3段組成。軋制時(shí)上下軋輥同步運(yùn)行,選用的芯棒直徑為64mm。軋輥每轉(zhuǎn)1圈,毛管進(jìn)入軋機(jī)的一段被碾軋,該段長(zhǎng)度稱為軋制送進(jìn)量,其大小取決于設(shè)備能力、鋼管尺寸、鋼種、軋輥直徑和孔型等因素,通常不超出30mm。由于軋輥的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和毛管的逐段送進(jìn),使坯料漸漸地被軋成長(zhǎng)鋼管。周期軋制時(shí),除加工于軋輥上的孔型周期性變化外,軋輥的施轉(zhuǎn)方向與毛管的送進(jìn)方向相反。為確認(rèn)所設(shè)計(jì)的孔型和所制定的軋制工藝的合理性,先用12件同尺寸規(guī)格20鋼坯料進(jìn)行了試軋,20鋼坯料加熱溫度同前述,但加熱時(shí)間取下限,即150min。軋后空冷并校直,以觀察并分析軋制效果,修正孔型,調(diào)整相應(yīng)工藝參數(shù)。軋時(shí)先吹去荒管內(nèi)孔中的氧化皮,并加入石墨和MoS2混合潤(rùn)滑劑,插入芯棒,進(jìn)入軋機(jī)軋制。始軋溫度約為1150℃,終軋溫度為≥890℃,一次加熱軋成。2.6試樣尺寸測(cè)定將軋出的長(zhǎng)2500mm的20鋼超厚壁管等分切斷成4節(jié),從管子軋制的前端到末端為序,測(cè)得其內(nèi)孔直徑數(shù)據(jù)如表2所列。內(nèi)孔表面光滑、平直、直徑偏小,但隨軋制的進(jìn)行,其直徑微有增加。再將測(cè)內(nèi)徑時(shí)等分切成的4段每段再等分成4節(jié),同樣按軋制的先后為序,從前端測(cè)至尾端,測(cè)得管壁厚數(shù)據(jù)如表3所示。顯然,管壁厚偏差較大。但總的趨勢(shì)是隨著周期軋機(jī)軋制長(zhǎng)度的增加,壁厚偏差量增大。尺寸誤差較大的主要原因是周期軋制時(shí)間較長(zhǎng),軋制前段和后段有一定的溫差,變形抗力逐漸增大,軋機(jī)負(fù)載提高,機(jī)架彈跳加大,軋輥及輥瓦磨損快等原因造成。故除了應(yīng)當(dāng)盡量使加熱溫度控制準(zhǔn)確,坯料受熱均勻,使其有相同的塑性變形能力等外,還應(yīng)使孔型上的開(kāi)口角盡可能小,適當(dāng)延長(zhǎng)精軋段,重軋系數(shù)盡可能取大一些。第二次試軋時(shí),重軋系數(shù)由本來(lái)就較大的2.6取到2.9,此外,送料時(shí)由始軋段的30mm逐漸縮短,最后一段僅約15mm。采取上述措施后,再用12件20鋼管坯進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)第二批試軋出的超厚壁無(wú)縫鋼管按前述方法再次進(jìn)行了幾何尺寸測(cè)定,結(jié)果如表4和表5所示。將表4和表5與表2和表3對(duì)照知,孔型調(diào)整后,不僅內(nèi)徑的精度得到了很好的保證,而且壁厚均勻性也得到了顯著改善。3實(shí)際控制3.1均勻加熱、終軋介于35CrMo鋼雖為中碳低合金鋼,但其含碳量較20鋼高,且有合金元素Cr和Mo,軋制時(shí)變形抗力會(huì)更大,除調(diào)整好設(shè)備和孔型外,應(yīng)切實(shí)做到管坯的均勻加熱,并將加熱溫度和時(shí)間均取上限,即加熱溫度1250～1260℃,加熱時(shí)間增至180min,保證坯料沖出的中心孔與圓柱形坯料中心偏差在1mm內(nèi),且傾斜度小于2mm。軋制時(shí)喂入量在30～15mm范圍內(nèi)逐段減少并保證終軋溫度≥900℃。采取上述措施后,正式用35CrMo鋼坯料軋制出24支超厚壁無(wú)縫鋼管。3.2空冷氧割+膜過(guò)分法35CrMo鋼超厚壁無(wú)縫管出皮爾格軋機(jī)后,在冷床上空冷氧割去除皮爾格頭,再據(jù)圖1所示的熱處理工藝曲線進(jìn)行相變重結(jié)晶退火,以細(xì)化組織和消除應(yīng)力。熱處理后需用1000T油壓機(jī)進(jìn)行校直,檢驗(yàn)合格后包裝入庫(kù)。4質(zhì)量分析4.1鋼管內(nèi)部表面粗糙度鋼管外徑均偏大,在Φ216mm～Φ218mm范圍;內(nèi)徑則均略偏小,且每支鋼管都抱緊了芯棒;管子內(nèi)壁因有芯棒限制,其表面光滑、平直,尺寸偏小,極差≤1.5mm,氧化層厚度<1.0mm;定尺鋼管(2500mm)的最大彎曲度小于2.5mm,最大壁厚偏差值如表6所列。4.2金相組織檢測(cè)考慮到軋制過(guò)程中鋼管外圓、內(nèi)孔壁及不同半徑等處因變形程度和冷卻速度不同,其動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶情況不一樣,可能產(chǎn)生的組織差異,金相試樣取自管壁厚的不同半徑處,即偏外壁、壁厚中部(略偏內(nèi))和偏內(nèi)壁3處。制樣后拍得此3處的金相照片如圖2所示。經(jīng)830±10℃相變重結(jié)晶退火處理后,組織均為鐵素體+珠光體。由細(xì)小而較為均勻的鐵素體網(wǎng),參照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》評(píng)定,其晶粒度大于5級(jí),滿足技術(shù)要求。4.3力學(xué)能力4.3.1拉伸試驗(yàn)結(jié)果從管壁厚的不同半徑處沿長(zhǎng)度方向取樣,按GB6394-86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》的規(guī)定,加工成δ5拉伸試樣。據(jù)GB228-87《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表7所列。顯然,表7中的數(shù)據(jù)符合GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,且材料的斷面收縮率ψ明顯較其延伸率δ5大,表明材料的塑韌性很好,且數(shù)據(jù)分散度小,這說(shuō)明熱軋退火管材在不同壁厚處組織均勻,與金相分析結(jié)果相吻合。4.3.2口沖擊試驗(yàn)沿軋向取樣,按GB2975-98《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》加工成夏比U形缺口沖擊試樣,按GB/T299-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》在沖擊試驗(yàn)機(jī)上,分別于室溫為0℃,-20℃,-40℃和-60℃5個(gè)溫度點(diǎn)作沖擊試驗(yàn),將結(jié)果列于表8內(nèi)。表8內(nèi)的數(shù)據(jù)表明,材料的沖擊韌度高