35CrMo盘条的控冷工艺研究

尹桃源

摘要：通过调整斯太尔摩风冷线的散冷辊道速度、风机及保护盖开启状况来控制35CrMo盘条的轧后冷却，目的是消除或尽量减少热轧态盘条的贝氏体、马氏体组织，并获得良好的力学性能和冷镦性能。对比分析了几组不同控冷工艺控制下的组织、性能检测结果，确定出最佳的控冷工艺参数，结果表明：提高吐丝温度(850-860℃)和盘卷入罩温度、延长在保护罩内停留时间的控冷效果最好。

关键词：35CrMo盘条；控冷工艺；组织；力学性能；冷镦性能

我司生产的35CrMo线材是制作高强度级别紧固件的原料，对盘条的化学成分、夹杂物控制水平及表面质量有较高要求。通过对下游客户加工工艺的了解，对热轧态盘条的组织性能也有一定的要求。虽然客户大都在冷镦成形前对盘条进行退火处理，但是前期仍会有一些冷变形加工，如冷拉变形等，所以要求原材料的塑性尽量要好，强度、硬度要低。此外，35CrMo盘条的热轧态组织对后续退火处理也会有一定影响：如果控制冷却的冷却速度控制得当，能够得到细化的铁素体+珠光体组织，用户可以经过不完全退火甚至不经过退火即可生产标准件，但是马氏体和贝氏体的产生，不但要求线材完全退火，而且退火的时间大大增加，影响了退火炉的生产效率，增加了生产成本[1]。

通过上述说明，不管是从性能要求还是组织控制上，贝氏体与马氏体在热轧态组织中都是极不希望被看见的。然而35CrMo中由于合金元素Cr、Mo的加入导致其控冷过程难以控制， 因为Cr、Mo元素显著提高了钢种过冷奥氏体的稳定性，强烈抑制珠光体转变，尤其是Mo元素，当达到一定含量时会明显促进贝氏体转变；而且由于Cr、Mo元素的偏聚，线材心部出现马氏体组织的几率更大[2]。

1 生产流程及控制现状

1.1生产流程

我司对于35CrMo线材的化学成分内控标准见表1。

表1  35CrMo盘条化学成分

元素/wt.%	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
内控标准	0.32-0.40	0.17-0.37	0.40-0.70	≤0.025	≤0.025	0.80-1.10	0.15-0.25

35CrMo盘条的生产流程为：转炉→LF炉精炼→方坯连铸160mm×160mm×12000mm→高线轧制→斯太尔摩控制冷却。

1.2 控制现状

目前我司35CrMo的轧制工艺采用低温控轧(进精轧机组或减定径机组的温度为830±20℃)；吐丝温度偏低，为820±15℃；采用延迟型冷却。按此工艺轧制，常规检验时常会发现盘条存在异常组织，如图1所示。

(a)×100                              (b) ×500

图1 35CrMo盘条异常组织(规格：Φ14mm)

金相组织形貌为铁素体+珠光体+贝氏体+少量马氏体，力学拉伸检验多出现脆断现象，断口呈平直状。

除35CrMo外，包括我司一些其他Cr、Mo系列合金钢的生产，如何消除热轧盘条组织中的马氏体和贝氏体一直是我们面临的一个技术考验。

2 轧钢工艺

2.1 控冷工艺设计思路

控冷工艺设计目的是通过控制吐丝温度、冷却速度得到铁素体+珠光体组织，同时保证得到均匀适中的晶粒度。工艺设计思路是通过轧后缓冷，尽可能使盘条在保护盖内以缓慢的冷却速度完成平衡相变[3]。

为此，共设计3组控冷工艺，设计思路分别如下：

⑴控冷工艺1：仍采用低温吐丝和延迟型冷却，在现有基础上进一步降低散冷辊道速度，延长盘条在保护盖内的缓冷时间，使其尽可能的发生平衡相变。

⑵控冷工艺2：仍采用低温吐丝和延迟型冷却，吐丝后进行吹风冷却，降低进罩温度，尽量使盘卷在散冷线上完成平衡相变过程。

⑶控冷工艺3：仍采用延迟型冷却，将吐丝温度提高并提高进罩温度，使盘条在“高温”下充分发生先共析铁素体及珠光体转变，其转变量越大，则残余奥氏体量越少，转变成的贝氏体及马氏体量也就越少。

其中控冷工艺3是参照杭钢的工艺设计参数，在提高吐丝温度的基础上，控冷工艺3根据辊道速度及保护盖开启状况的不同又设计了3组对比试验。

2.2 控冷工艺1—降低斯太尔摩辊道速度

试验工艺除降低斯太尔摩辊道速度外，其余轧制参数均按照现行工艺执行，散冷辊道速度参数对比见表2，试验轧制规格为Φ14.0mm。

表2 正常工艺与试验工艺斯太尔摩辊道速度参数(m/min)

	入口段	Z1	Z2	Z3	Z4	Z5	Z6	Z7	Z8	Z9	Z10	Z11	出口段
正常工艺	12	12	12	12	12	12	12	12	15	18	22	26	30
试验工艺	10	10	10	10	11	11	12	14	16	18	22	26	30

轧制工艺参数：

(1)吐丝温度：820±15℃；(2)进精轧温度：830±20℃；

(3)风机及保温盖：开启前3台及最后2台保温盖。

2.2.1现场测温情况

从现场测温结果来看，正常工艺与试验工艺在散冷线前温度控制基本一致，具体现场测量温度见表3。

表3 35CrMo轧制及吐丝温度(℃)

进精轧温度		吐丝温度
阴面	阳面
825-853	850-887	825~853	正常工艺
813-847	852-896	810~832	试验工艺
830±20		820±15	工艺要求

现场测量Stelmor线上热轧盘条的冷却过程如表4所示。

表4热轧盘条在Stelmor线上温度测量结果(℃)

	入罩温度		出罩温度		集卷温度		吐丝-入罩		保温罩内
	D	F	D	F	D	F	理论	实测	理论	实测
正常工艺	757-776	754-763	676-703	656-673	652-667	585-608	83s	81s	338s	347s
试验工艺	750-771	746-757	682-703	647-668	643-703	573-610	99s	99s	351s	361s

从现场测温结果来看，降低辊道速度对盘卷的入罩温度及出罩温度影响并不大，而且辊速降低后，盘条在保护罩内停留的时间也仅多了14s。

2.2.2 成品材组织性能检验情况

对两种工艺分别进行取样，并区分搭接点与非搭接点位置，其力学性能检测结果及金相组织分析检测结果分别见如表5和表6。

表5力学性能检测结果

正常工艺							试验工艺
搭接点			非搭接点			硬度	搭接点			非搭接点			硬度
Rm	A%	Z%	Rm	A%	Z%	(HBW)	Rm	A%	Z%	Rm	A%	Z%	(HBW)
737		46	908	18.5	36	198	711		44	741		55	218
774		49	770		40	194	753	26.5	65	734		55	216
688	23.5	54	737		49	209	699	26	52	949			213
702		57	696		49	242	750		54	699	25	57	218
725	23.5	52	778	18.5	44	211	728	26	54	781	25	56	216

表6 金相组织

样品描述		心部组织	半径二分之一处组织	边缘
正常 工艺	D	铁素体+珠光体+少量贝氏体+极少量马氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体
	F	铁素体+珠光体+少量贝氏体+少量马氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体
试验 工艺	D	铁素体+珠光体+少量贝氏体+极少量马氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体
	F	铁素体+珠光体+少量贝氏体+极少量马氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体	铁素体+珠光体+少量贝氏体

从力学检测结果来看，两种工艺的抗拉强度相差不大，但试验工艺的塑性指标断后伸长率与断面收缩率明显好于正常工艺。两种工艺的平均硬度相差也并不明显。

两种工艺对应各个部位的金相组织也基本相同，边缘及半径1/2处组织均为为铁素体+珠光体+少量贝氏体，心部仍都有少量马氏体。

正常工艺 半径二分之一处-500x      试验工艺 半径二分之一处-500x

图2 35CrMo盘条组织

2.2.3小结

⑴从测温结果来看，降低辊道速度对散冷线上的温度影响不大，可能是盘卷搭接更加密集，降低了散热效果。

⑵试验工艺的塑性较好，可能是辊道速度降低使盘卷在出保温罩之前多停留了32s，使组织中析出的铁素体晶粒度更均匀细小，如图2所示。

⑶组织中仍存在一定量的贝氏体和马氏体，说明出罩后仍有残余奥氏体存在，而且出罩温度偏高(高达650-700℃)，出罩后由于冷速变快，发生了非平衡转变。

2.3 控冷工艺2-开启部分风机

根据控冷工艺1的试验结果，测量显示盘卷出保温罩的温度过高，因此，我们希望盘卷以相对较低的温度进入保温罩，从而降低出罩温度。

此次工艺调整降低辊道速度的同时开启部分风机，其余轧制参数按照现行工艺执行，具体参数对比如表7，试验轧制规格为Φ13.0mm。

表7  试验工艺参数

	入口段	Z1	Z2	Z3	Z4	Z5	Z6	Z7	Z8	Z9	Z10	Z11	出口段
正常工艺	12	12	12	12	12	12	12	12	15	18	22	26	30
试验工艺	10	10	10	10	11	11	12	14	16	18	22	26	30
	风机及保温盖：开启前3台及最后2台保温盖；开启前2台风机，风量20%。

轧制工艺参数：

(1)吐丝温度：820±15；(2)进精轧温度：830±20；

(3)正常工艺开启前2台及最后2台保温盖。

2.3.1现场测温情况

本次现场测量Stelmor线上热轧盘条的冷却过程如表8。

表8热轧盘条在Stelmor线上温度测量结果(℃)

	吐丝温度	入罩温度		出罩温度
		D	F	D	F
正常工艺	818-837	696-726	699-705	636-678	542-585
试验工艺	815-826	597-629	592-604	620-659	487-506

由表8可以得出以下几点结论：

①由于吹风冷却带走更多的热量，试验工艺的入罩温度较正常工艺降低了100℃左右，其入罩温度在600℃左右；出罩温度也得到降低。

②由于吹风冷却使得盘卷非搭接点降温更快，试验工艺盘卷出保温罩时的同圈温度差相差更大，冷却的更不均匀。

2.3.2成品材组织性能检验情况

对两种工艺分别进行取样，并区分搭接点与非搭接点，对其进行力学性能检测及金相组织分析，检测结果如表9和表10。

表9  力学性能检测结果

试验样品						正常样品
搭接点			非搭接点			搭接点			非搭接点
Rm	A%	Z%	Rm	A%	Z%	Rm	A%	Z%	Rm	A%	Z%
946	13.0	31	948	16.0	47	944	13.5	31	792	/	48
927	/	/	933	14.5	38	901	/	36	938	/	41
939	/	40	947	14.5	38	900	/	41	919	13.5	32
892	13.5	43	910	17.0	48	926	/	/	936	/	35
939	13.5	34	927	/	35
907	15.5	37	886	17.0	43
925	13.9	37	925	15.8	42	918	13.5	36	896	13.5	39

表10  金相及硬度检测结果

样品描述	边缘	半径二分之一处	心部	硬度
实-2-W-F	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+极少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	266
实-3-W-F	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+极少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	269
实-4-W-F	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+极少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	262
实-2-W-D	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	275
实-3-W-D	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	278
实-4-W-D	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+极少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	269
正-W-D	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+极少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	262
正-W-F	贝氏体+少量铁素体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	贝氏体+少量铁素体+少量马氏体	277

从检测结果来看：

⑴两种工艺的抗拉强度相近且都很高，基本都在900MPa以上；断面收缩率与伸长率偏低。力学检测结果明显比控冷工艺1差，并且拉伸试样多断裂在钳口处，断口颈缩不明显，表现出“硬”且“脆”。

⑵两种工艺的金相组织均以贝氏体组织为主，见图3。且心部与半径二分之一处均出现不同程度的马氏体，因此测量硬度值也普遍偏高，都在260(HBW)以上，也明显高于控冷工艺1的测量结果。

正常工艺 半径二分之一处-500x        试验工艺 半径二分之一处-500x

图3 35CrMo盘条组织

2.3.3小结

盘卷入罩前进行吹风冷却，虽降低了入罩及出罩温度，但会使得盘条提前进入贝氏体转变区，从而导致金相组织以贝氏体为主，抗拉强度与硬度明显提高，而塑性下降。另外，在轧制更小规格线材时，如果散冷辊道速度较慢的话，吹风会使得同圈的冷却强度相差更为明显。

2.4 控冷工艺3-提高吐丝温度

参照杭钢的控冷参数，决定提高吐丝温度并提高进罩温度，使盘条在高温段充分进行先共析铁素体和珠光体转变，尽量在散冷线上完成平衡相变。

本次试验轧制规格为Φ13mm，借鉴杭钢的辊道速度，共设计3组控冷工艺进行对比试验，具体参数如下表。

表11  风机及保护罩开启情况

	保护罩开启状况	风机
工艺1	开启第1台及最后4台保护罩	所有风机及风门全部关闭
工艺2	开启第1台及最后4台保护罩	所有风机及风门全部关闭
工艺3	开启第1台及最后8台保护罩	开启第16号风机，风量50%，其余风机及风门全部关闭

   表12  斯太尔摩散冷辊道速度  单位：m/min

	入口段	Z1	Z2	Z3	Z4	Z5	Z6	Z7	Z8	Z9	Z10	Z11	出口段
工艺1	12	12	12	12	12	12	12	12	15	18	22	26	30
工艺2	16	16.8	17.6	18.4	19.2	20	20.8	21.6	22.4	23.2	24.8	26.56	30
工艺3	16	16.8	17.6	18.4	19.2	20	20.8	21.6	22.4	23.2	24.8	26.56	30

轧制工艺参数：

(1)开轧温度：980±10℃；(2)进精轧温度：900-910℃；

(3)吐丝温度：850-860℃；

工艺1的辊道速度是目前我们现场工艺卡上的参数；工艺2和工艺3的辊道速度为杭钢辊道速度。

2.4.1现场测温情况

测量进精轧机的温度多在860-880℃之间，尾部测量的温度偏高，在900℃左右，如表13所示。

表13  35CrMo轧制温度(℃)

	进精轧温度
工艺要求	900-910
实际测量值	856-887(尾部880-902)

斯太尔摩线上现场测温结果如表14所示。

表14  热轧盘条在Stelmor线上温度测量结果 单位：℃

	吐丝 温度	入罩温度		出罩温度		出16#风机温度		集卷温度
		非搭接点	搭接点	非搭接点	搭接点	非搭接点	搭接点	非搭接点	搭接点
工艺1	864-877	775-784	775-820	620-630	680-690	/	/	570-580	630-640
工艺2	851-870	773-787	785-823	660-670	680-690	/	/	590-610	640-650
工艺3	854-867	773-789	790-822	680-690	680-690	620-630	640-650	500-520	550-580

注：工艺1、2出罩温度为18#保温罩末温度，工艺3的出罩温度为14#保温罩末温度。

由表14中测量的数据可以看出：

①3种工艺的入罩温度相差不大，而且非搭接点与搭接点的温度相差也不大；由于工艺2和工艺3的辊速更快，盘条排列相对疏松，同圈冷却强度比较均匀，工艺2、3出罩后搭接点与非搭接点的温度相差不大，而工艺1相对较差。

②3种工艺出罩后搭接点处温度基本一致，都在680-690℃，而非搭接点温度逐渐升高。

③工艺1与工艺2的集卷温度相差并不大，由于吹风的作用和出罩后暴露在空气中的时间较长，工艺3的集卷温度最低。

由于3种工艺在散冷辊道上参数差异较大，因此记录了各工艺温度节点所经过时间，计算出平均冷却速度，见表15。

表15  保护罩内平均冷却速率

/	保护罩内温降:℃		保护罩内停留时间:s		平均冷却速率:℃/s
	非搭接点	搭接点	理论计算值	实际测量值	非搭接点	搭接点
工艺1	154-155	95-130	366.48	364	0.420-0.422	0.259-0.355
工艺2	113-117	105-133	234.60	232	0.482-0.499	0.448-0.567
工艺3	93-99	110-132	188.24	184	0.494-0.526	0.584-0.701

①工艺1盘条在保护罩内停留的时间最长，为364s。

②工艺2和工艺3在保护罩2#-14#之间的冷却过程是一样的，但是后者的平均冷却速率高于前者，说明盘条在保护罩内的冷却速率到后续会有所降低，这可能与释放相变潜热有关。

③从工艺1到工艺3，盘条在保护罩内的平均冷却速率逐渐升高，其中工艺2盘条各处的平均冷却速率最均匀。

2.4.2成品材组织性能检验情况

3种工艺力学性能检测结果如表16所示。

表16  35CrMo力学性能

		抗拉强度/MPa			伸长率/%			断面收缩率/%
工艺1	D	698	704	703	23.5	23.5	24	58	57	57
	F	711	698		23.5	25		55	56
工艺2	D	713	729	727	25	23.5	23	57	50	52
	F	730	734		23.5	18.5		50	50
工艺3	D	871	833	838	/	13.5	15	22	24	24
	F	810	839		15	16.5		22	28

①工艺1的测量结果最佳；3种工艺的拉伸力学性能对比层次感很明显，从工艺1到工艺3，抗拉强度逐渐升高，塑性指标呈下降趋势；即随着冷却速率的提高，强度增加、塑性降低。

②对比之前35CrMo线材的力学检测数据，本次检测结果明显较好。首先检测结果的波动性较小，如本次检测的抗拉强度值最大相差61MPa(工艺3)；其次，此次工艺1、2的面缩率均在50%以上。

取样分别做1/2冷镦与1/3冷镦，检测结果见表17。

表17 冷镦性能检测

	工艺1			工艺2			工艺3
冷镦级别	冷镦个数	合格数	合格率/%	冷镦个数	合格数	合格率/%	冷镦个数	合格数	合格率/%
1/2	4	4	100	4	4	100	2	2	100
1/3	4	3	75	2	2	100	2	0	0

3种工艺的1/2冷镦检测结果合格率均为100%，而且工艺1和工艺2的1/3冷镦合格率也比较高；工艺3的1/3冷镦开裂比较严重，均是斜裂，变形能力不如另外两种控冷工艺。

表18   金相组织及硬度检测结果

		组织			硬度
		近表面	半径1/2处	心部	半径1/2处		心部
工艺1	D	F+P	F+P	F+P+极少量M	188	182	194	187
		F+P	F+P	F+P极少量M	183		185
	F	F+P	F+P	F+P极少量M	180		185
		F+P	F+P	F+P+极少量M	175		182
工艺2	D	F+P	F+P	F+P+极少量M	199	198	197	198
		F+P	F+P	F+P+M	200		201
	F	F+P	F+P	F+P+M	195		197
		F+P	F+P	F+P+M
工艺3	D	F+P+B	F+P+B	F+P+B+少量M	242	234	237	228
		F+B+P	F+P+B	F+P+B+少量M	218		211
	F	F+P+B	F+P+B	B+ F+P+少量M	236		232
		F+P+B	F+P+B	F+P+M+少量B	240		232

①随着冷却速率的提高，硬度逐渐升高。

②相比之下，控冷工艺1、2金相组织较好，只有心部出现极少量的马氏体。

③工艺3组织中贝氏体含量较多，一方面是由于工艺3的整体冷却速率比较快；另一方面是工艺3在保护盖内的停留时间最短，盘卷在出罩时相变并没有完全结束，残余奥氏体易转变为贝氏体和马氏体组织。

工艺1 1/2半径处(F+P)-500x             工艺3 1/2半径处(F+P+B)-500x

图4  35CrMo盘条组织

2.4.3小结

提高吐丝温度和进保护罩温度，并延长盘卷在保护罩内的时间，可以使盘条在“高温区”充分的析出先共析铁素体和发生珠光体转变，进而减少产生贝氏体和马氏体的量。如工艺1的检测结果，性能上不仅明显降低了抗拉强度和硬度、提升了塑性、改善了冷镦性能，而且组织上极大地减少了贝氏体、马氏体量，控冷效果明显好于控冷工艺1、控冷工艺2和控冷工艺3中的工艺3。

3 结论

通过3组控冷工艺的结果对比分析，可以得出如下结论：

⑴通过加强吐丝到盘卷入罩这一阶段的冷却，来使得盘卷入罩时的温度尽量接近珠光体转变的“鼻温”，由于35CrMo钢种的自身特性和斯太尔摩散冷线自身的缺陷，在实际控冷操作中并不容易实现，材料组织中很容易出现贝氏体和马氏体组织，控冷工艺2就是例证。

⑵析出先共析铁素体及发生珠光体转变均属于扩散性相变，不仅需要满足相变的热力学条件，也需要满足动力学条件。盘条在“高温”区停留的时间长，则相变可以长时间内有更大的扩散激活能，发生平衡相变的速度会越快、转变量也越大。所以虽然控冷工艺1停留在保护盖内的时间也比较长，但是其组织和性能却不如控冷工艺3的工艺1和工艺2好。

⑶本文几种控冷工艺中，吐丝温度为850-860℃、保护罩开启前1后4、散冷辊道速度采用现行工艺参数的控冷效果最好。