（信息來源：中天鋼鐵集團特鋼公司）

一、研究的背景與問題

在國家“碳達峰”及“碳中和”的雙碳政策下，特鋼生產技術向“綠色化、節約化”發展，其核心是資源節約型鋼鐵產品的研發和廣泛應用，滿足減免工序、減少碳排放、降低成本等要求。

我國基礎件用鋼年產量超過3000萬噸，約占特殊鋼總量的30%，是量大面廣的特殊鋼品種。基礎件產品種類豐富、制造工序繁多且質量要求逐步提升，對原材料的組織和性能提出特殊要求，但目前中高碳特鋼線材在線組織性能精準調控仍是突出的技術難題，典型代表有：1）彈簧鋼51CrV4等淬透性較強，小規格線材常規工藝易出現M+B組織，直接深拉拔時材料心部易發生“人字型”裂紋；2）8.8級緊固件用免退火冷鐓鋼市場需求量大，但當前產品球化/退化珠光體比例小，變形抗力大，模具損耗高而應用受限；3）工具鋼S2（67SiCrNiMoV）淬透性高，軋后易形成M組織，在儲運及加工過程易發生脆斷導致報廢；4）因低溫變形抗力大，軸承鋼100Cr6傳統工藝不利于碳化物網狀控制，顯著影響滾動體軸承疲勞壽命；5）高強簾線鋼LX86A要求原材料具有高索氏體化率、無封閉網碳，以保證深拉拔及捻股及疲勞性能，因此通常采用離線熱處理（球化退火、鹽浴或鉛浴）及二火材等工藝來解決，帶來成本增加、成材率低、能耗高、環境污染等一系列問題。

中天鋼鐵集團特鋼公司通過在線組織調控技術的持續創新是有效解決上述問題的有效途徑。傳統控軋控冷技術（TMCP）主要應用于板帶及型材生產，相關研究及技術成果較多。相比之下，基礎件用特殊鋼線材的在線組織調控技術研究相對薄弱，缺乏系統性，應用受限。因此當前特鋼廠亟需結合下游用戶的需求，加強研究力度，加快推進我國特鋼線材的高品質、綠色化、節約化發展進程。

二、解決問題的思路與技術方案

本項目發揮中天鋼鐵集團特鋼公司的先進技術和裝備優勢，針對彈簧鋼51CrV4、緊固件用鋼ZT35K-M、工具鋼S2（67SiCrNiMoV）、軸承鋼100Cr6以及簾線鋼LX86A的個性化需求開展在線組織調控技術及機理研究。

解決的思路和方案包括：1）采用連鑄輕重壓下160mm²優質方坯進行生產；2）借助數值模擬研究摩根MINI/RSM機組軋制溫升、載荷和軋速的關系，探索軋制溫度和速度的Z佳匹配；3）對水箱和風機實施技術改造，突破現有冷卻能力；4）根據不同鋼種特性、二次加工及服役性能要求，研究試驗鋼的動態相變行為和規律，闡明形變誘導相變、離異共析/退化珠光體轉變、變形強化相變等機理，通過反復驗證與工藝優化，利用多元組合控軋控冷工藝創新，實現51CrV4、ZT35K-M及S2等亞共析鋼的在線“軟化”，以及100Cr6和LX86A的低級別網狀滲碳體和高索氏體化率控制，形成高品質基礎件用鋼的在線組織調控技術開發集成創新。所采用的工藝技術如圖1所示。

①彈簧鋼；②工具鋼；③冷鐓鋼；④簾線鋼；⑤軸承鋼

圖1 特鋼線材在線組織調控工藝技術圖

二、主要創新性成果

1、開發出亞共析鋼在線“軟化”新技術

（1）ZT35K-M在線“軟化”技術

基于設備升級改造突破低溫大變形量軋制及軋后“超慢冷”的工藝，開發了DIFT、離異共析及退化珠光休相變的工藝技術，技術原理如圖2所示，精軋和終軋控制在未再結晶區+兩相區累積大變形軋制，以獲得累積變形儲能ΔGD，制造大量晶體“缺陷”提供相變形核核心，促進DIFT；鋼中超平衡鐵素體來源除了DIFT促進鐵素體析出外，DIF過飽和碳，減少未轉變奧氏體的體積分數；另一方面，DIF與奧氏體界面處形成富碳膜，過飽和碳從DIF中析出作為富碳奧氏體離異共析的形核質點，在吐絲后控制超慢冷卻（冷速≤0.15℃/s）過程中誘發離異共析/退化珠光體相變。隨著奧氏體碳含量降低，鐵素體進一步向奧氏體中推移，因尺寸效應及硬化奧氏體中的形核核心促進其發生退化珠光體轉變，形成短桿狀滲碳體，根據杠桿原理，得到遠超平衡量的鐵素體。

圖2 ZT35K-M在線“軟化”機理示意圖

本項目ZT35K-M 控軋控冷工藝的盤條指標：鐵素體含量達85%，球化率高達90%，硬度≤76HRC，強度≤530Mpa，面縮≥55%，延伸率≥30%，根據JB/T 5074-2007評級可達4.0級，1/3冷頂鍛合格率達到100%，如圖3所示。

（a）普通工藝，F=54%；（b）本項目，F=85%

圖3 本項目免退火ZT35K-M與普通工藝的顯微組織對比

（2）彈簧鋼51CrV4在線“軟化”技術

通過熱模擬研究了51CrV4動態相變行為，如圖4。結果表明，道次820℃+第二道次700℃變形時（變形速率10s-1）發生明顯DIFT。隨著變形溫度降低，變形儲能增加，獲得大量晶體“缺陷”并成為相變形核核心，產生形變強化相變效應。實際軋制過程中，需綜合考慮軋機的負荷、水箱穿水后的芯表溫差和高應變速率條件下的芯部溫升等因素，因此為獲得目標組織，需匹配好軋制溫度、軋前水箱和軋后冷卻速率等參數。

（a）820-700℃；（b）820-850℃；（c）920-700℃；（d）920-850℃

圖4 51CrV4雙道次變形后的顯微組織

根據熱模擬實驗結果，利用DIFT及奧氏體強化相變原理，結合鋼種CCT曲線，采用低溫大變形軋制+緩慢冷卻的控軋控冷工藝。使彈簧鋼51CrV4獲得100%F+P組織、硬度≤290HB，可滿足下游用戶直接深拉拔加工，如圖5所示。

（a）改進前Φ5.5mm；（b）改進前Φ12mm；（c）改進后Φ5.5mm；（d）改進后Φ12mm

圖5 熱軋盤條51CrV4的顯微組織

（3）工具鋼S2在線“軟化”技術

S2合金含量較高、變形抗力較大，傳統采用高溫軋制和軋后緩冷工藝，如Φ8mm，由于輥道速率低，盤條搭接點與中間點散熱不均勻，入罩/出罩后搭接點與中間點溫度相差≥100℃，顯微組織難以均勻控制，通常獲得B+M+F+P混合組織，且在緩冷過程中產生明顯的全脫碳，因而造成脆斷及工具表面軟點，如圖6。

（a） B+M+F+P混合顯微組織；（b）脫碳層

圖6 普通工藝生產的S2盤條

根據CCT曲線及熱模擬實驗結果可知，為解決馬氏體脆斷及全脫碳問題，需在貝氏體相變區實現“等溫”處理。利用形變強化相變的技術方案，在未再結晶區低溫大變形軋制，獲得具有高位錯密度及變形帶的硬化奧氏體，提高相變驅動力，縮短貝氏體相變孕育期。軋后水冷減少在線回復軟化，將硬化奧氏體“凍結”至相變前。吐絲后結合CCT曲線采用分段冷卻方式，快速穿過脫碳敏感溫度區抑制脫碳，縮小搭接點與中間點的溫差≤20℃，關閉保溫罩使得盤條在貝氏體區長時間充分相變，如圖7所示，終軋溫度工藝1＞工藝2＞工藝3，控冷工藝相同。

工藝3盤條截面邊緣與1/2R處平均硬度42HRC，心部硬度為44HRC。而由于原工藝盤條顯微組織以馬氏體為主，盤條邊緣硬度HRC平均達51，心部達60，極差達到9HRC。通過在線組織調控工藝，獲得高比例的貝氏體組織（＞90%）而降低硬度及提高韌塑性。

（a） 工藝1；（b）工藝2；（c）工藝3

圖7 不同控軋控冷工藝的顯微組織

2、軸承滾動體用100Cr6在線組織調控

當軸承鋼中夾雜物尺寸、數量達到一定程度時，影響疲勞性能的關鍵指標取決于碳化物的不均勻性。網狀碳化物嚴重時易引起熱處理時淬火開裂，也是服役過程中疲勞裂紋的發源地，顯著影響軸承的疲勞壽命。

模擬實際生產進行兩道次熱壓縮實驗研究變形對顯微組織的影響，道次850℃變形速率10s-1變形量50%后，第二道次從850℃降溫至700℃壓縮變形35%，變形速率10s-1，碳化物呈網狀分布逐漸減薄，700℃變形時，二次滲碳體晶界晶內斷續分布，網狀基本消除。

基于熱力模擬試驗及動態組織演變規律研究，利用裝備改造升級，開展在線組織調控技術創新，工藝如圖8~圖10所示。通過低溫大變形控軋提高變形儲能，利用大量晶體“缺陷”提供相變形核核心，促進誘導滲碳體晶界和晶內析出，精確控制軋后冷卻速率、冷卻起訖溫度和路徑，Φ10mm以上規格采用強風冷+霧冷組合將加工硬化奧氏體“凍結”至索氏體相變開始溫度，增加過冷度提高形核率細化晶粒及珠光體片層間距提高塑性，并通過輥速、佳靈等調節使搭接點和中間點溫差≤20℃，提高組織均勻性。

圖8 100Cr6控冷工藝原理圖

(a) 強風冷；（b）“強風冷+霧冷”

圖9 100Cr6軋后控冷工藝

（a）常規軋制+風冷工藝；（b）低溫大變形軋制+“強風冷+霧冷”工藝

圖10 不同軋制工藝的熱軋態顯微組織

采用低溫大變形軋制+“強風冷+霧冷”工藝的晶粒度由7.0級細化至10.0級，誘導滲碳體晶界及晶內“缺陷”處析出，吐絲至相變開始的冷卻速率≥15℃/s，二次滲碳體細薄彌散未成網，塑性指標面縮從＜22%提高至31%以上，可實現輕拉拔加工，減少用戶工序，熱處理后網碳從3.0級下降至2.0級以下，達到行業領先水平，如圖11。

（a） 常規軋制+風冷工藝；（b）低溫大變形軋制+“強風冷+霧冷”工藝

圖11 不同軋制工藝的熱處理后的網碳

3、高強度簾線鋼LX86A在線組織調控

鋼簾線作為汽車輪胎的骨架材料，在拔絲及捻股等生產過程中，除夾雜物和表面缺陷外，組織不良（尤其是網狀碳化物）也會導致斷線，降低生產效率。結合LX86A的CCT曲線，再結晶溫度以上終軋以適當粗化奧氏體尺寸、提高奧氏體穩定性，軋后采用分段冷卻（“強風冷+霧冷”+“等溫”相變）方式精確控制冷卻起止溫度、冷卻速率達到30℃/s以上，與常規相比穿過兩相區的時間縮短了約30%，在索氏體區調節各段風量，使相變潛熱釋放與風冷降溫相消，以近似“等溫”冷卻；調節佳靈、輥速優化風量分配，搭接點中間點溫差≤20℃。軋后冷卻越快，越有利于抑制碳化物網狀析出，提高索氏體化率，但需要避免形成魏氏組織、過熱組織。溫度控制曲線如圖12所示。

圖12 簾線鋼LX86A控冷工藝溫度曲線

采用在線組織調控新工藝開發的LX86A高強簾線鋼，網碳析出和珠光體相變受到有效的抑制，索氏體化率從平均84.1%提升至92.8%，網碳≥2級的比例從3.2%降低至0.2%，≤0.5級比例達到93.7%，抗拉強度波動值1200-1250Mpa，面縮≥40%，索氏體片層間距0.10~0.20 μm，如圖13。

圖13 LX86A工藝改進后的顯微組織

四、應用情況與效果

本項目發揮中天鋼鐵集團特鋼公司的先進技術和裝備優勢，針對彈簧鋼51CrV4、緊固件用鋼ZT35K-M、工具鋼S2（67SiCrNiMoV）、軸承鋼100Cr6以及簾線鋼LX86A的個性化需求開展在線組織調控技術及機理研究。解決了特鋼線材組織性能精確控制的技術難題，開發出多種機理組合應用的高品質特鋼線材在線組織調控技術，并2021年冶金科技進步獎。

產品實物質量達到先進、國內領先水平，廣泛應用于緊固件、彈簧、軸承、工具及輪胎子午線等，實現下游工序減化、低碳減排、降低成本等成效，項目成果可推廣至同類產品的生產，滿足基礎件制造的需求，近三年總產值達31億元，利稅7.5億元，經濟社會效益顯著，推廣應用前景好。