低温高强度螺栓用42CrMoA钢的开发生产实践

2021-01-04孙后金孙少楠李宝霈

山东冶金 2020年6期

孙后金，孙少楠，李宝霈

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光262711）

1 前言

随着各类机械、设备、建筑工程的不断大型化，以及功率、转速的不断提高，螺栓类零件的工作条件更加恶劣，工作应力明显提高，各方面要求也日趋严格。其中，低温高强风电螺栓用钢有更高的综合机械性能要求，在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的条件。目前我国高强度螺栓的研究水平与国外先进水平还存在较大差距，特别是低温高强度螺栓不能满足国内使用需求，仍需大量从国外进口；因此山东寿光巨能特钢公司研究开发低温高强度螺栓用钢42CrMoA，满足国内对低温高强度用钢的使用需求。

2 产品设计及工艺流程

2.1 化学成分设计

低温高强度螺栓42CrMoA 用钢是在国标42CrMo 钢化学成分允许的范围内，按中上限控制钢中的Mn 元素含量，增强钢的淬透性和珠光体含量，增加抗拉强度；通过添加 Ni 元素，Ni 与 Fe 以互溶的形式存在于α 相和γ 相中，使之强化，并通过细化α 相的晶粒，改善钢的低温冲击韧性；通过控制钢中Al 的含量，形成AlN 钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒作用［1-2］；冶炼过程中控制有害元素P、S 含量使钢达到较高的纯净度。低温高强度螺栓用42CrMoA 钢协议及内控要求成分如表1 所示。

表1 42CrMoA钢协议及内控要求成分 %

2.2 工艺路线

50%高炉铁水热装→70 t 超高功率电炉熔炼→70 t LF 炉外精炼→VD 真空脱气→R8 m 四机四流连铸机连铸→冷装→双蓄热步进梁式加热炉→高压水除鳞→Φ950+Φ750+Φ500 连轧机→穿水冷却→减定径机组→冷床→无齿锯锯切→入坑缓冷→矫直→倒棱→抛丸→表面+内部联合探伤→包装→计量、标识、入库。

2.3 关键工艺

1）熔炼过程成分的精确控制。减少碳含量、增加锰或镍含量，能显著降低钢材的韧脆转变温度，锰碳比越高，韧脆转变温度越低，Ni元素可以延缓钢材脆化的趋势，消除突发的韧脆转变现象；为此熔炼过程要加强各成分的精确控制保证进入内控，减少各炉次之间的成分波动，保证产品质量的稳定性。

2）有害元素P、S 去除及夹杂物的控制。钢材在调质过程中，有害元素P、S 易偏聚于晶界，形成网状或者片状化合物，降低晶界处强度，使钢材在低温使用时强度和韧性变差，产生失效；为此，在工艺设计时要求严控铁水P、S含量，减轻精炼脱硫压力，转炉出钢时高拉碳，减轻精炼脱氧压力。钢中的氧化物、硫化物等夹杂物对钢材的连续性具有破坏作用，夹杂物数量越多，尺寸越大，钢材的各项力学性能指标越低；特别是在低温下，夹杂物与基体之间容易形成裂纹，对力学性能的影响更加明显；并且夹杂物对于带状组织的形成有一定的促进作用，使纵向和横向的力学性能差值增大。精炼时要做好“白渣”控制及氩气的搅拌，保证夹杂物的吸附效率；加强真空脱气，保证真空度＜100 Pa 保持时间＞15 min。

3）连铸过程中钢水过热度的控制，减轻成分偏析，使用电磁搅拌破坏柱状晶。低过热度浇铸可以提高铸坯内部质量，消除中心缩孔，减轻成分偏析，为此连铸过热度应保证在（20±5）℃。根据许伟阳［3］等人的研究，结晶器电磁搅拌强度对白亮带（偏析）的位置具有重要的影响，电磁搅拌强度越大，白亮带外移，导致锭形偏析区域越大；但是一味的降低结晶器内电磁搅拌强度，会使铸坯中间碳偏析增大［4］，因此结晶器电磁搅拌参数设置为150 A/2 Hz。

4）大压下量改善钢材低倍质量。大压缩比、大压下量改善钢材低倍质量，加强内部孔隙性缺陷的焊合，同时低速、大压下轧制利于破碎坯料中的树枝晶，连轧单道次最大压下量达到70 mm以上。

图1 钢材室温组织

5）通过控轧控冷，使钢中均匀析出细小的第二相质点，细晶强化并提高低温冲击韧性。合适的控轧控冷工艺，保证钢材在奥氏体未再结晶区轧制，使奥氏体晶粒被压扁拉长，晶内形成大量变形带和位错。AlN等应变诱发沉淀，于变形带和位错处优先形核析出，细化铁素体晶粒，从而得到细的铁素体和珠光体组织，使得钢的强度和韧性都得到适当的提高。