冷镦钢所用的高性能特钢线材

冷镦钢所用的高性能特钢线材

摘要

特殊钢线棒材的最终主要用途是在汽车使用中的重要安全部分。为了得到最终产品，后续工序如：退火，拉拔，加工，锻造成型过程的热、冷温度区域的二次加工；以及热处理过程如淬火、回火都是必需的。为了降低成本以及节约能源，特钢线棒材非常需要省略退火工序和延长锻模的寿命。本文概述了可以省去离线退火过程的那些“在线软化（DS）-硼钢”、“DS-碳钢”和“DS-低合金钢”材料的主要属性。在线软化(DS)热处理技术的改进制造手段首先由NSC（美国国家安全委员会）提出。

1.介绍

那些大部分被用于与汽车安全有关部位的特钢线棒材都要通过后处理工艺流程步骤如退火、拉拔、加工、热冷锻造；以及热处理过程如淬火、回火等。为了降低总的生产制造成本，这些钢需要在转变为最终产品的时候，尽可能的减少一系列的加工工序以及减少锻造过程中的模具损耗量。本文将介绍新日铁公司冷锻用高性能线材产品，基于起源于该公司的在线特殊热处理，能够取消离线软化退火工序，以及延长锻模的使用寿命。

2.冷镦钢所用高性能线材

（在线软化线材）

2.1．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。

2.1．可以省略离线退火工序的冷镦钢用线材

另外一种新产品，可以省去离线退火工序的冷镦钢用线材，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

图表. 1 硼钢和优质碳素钢的抗拉强度

图表. 2 改进后硼钢与传统硼钢塑性变形比例

图表.3 硼钢的锻模寿命

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。

<示例1.>

传统产品

改进产品 <示例2.>

传统产品 改进产品 图表. 4 传统的与改进的线特钢的辅助工艺流程

图表. 5 优质碳素钢和铬钼合金钢的抗拉强度

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。

照片1. 传统的的组织

照片2. 在线软化改进的组织