高品质汽车用冷镦钢关键技术研发及产业化
来源： 中国金属学会 发布时间：2024-01-11
一、研究背景与问题
冷镦钢是在室温条件下，利用金属冷顶锻成型工艺生产标准紧固件及非标准紧固件的钢材，可用于制造螺钉、螺栓、螺母、套筒等各类紧固件，通常也叫铆螺钢。由于采用冷镦工艺制造紧固件不仅改善质量、提高效率，而且节约用料、降低成本，因此其在汽车、机械、建筑、轻工业等行业得到广泛应用。
近年来国内工业、汽车等相关产业均在飞速发展。中国汽车自2009年起就以产销量超过1300万辆的规模达到世界第一，并连续十余年保持全球第一。根据中汽协数据显示，2018年全年汽车总销量达2800万辆。中国汽车工业的发展也相应带动了中国汽车零部件行业的发展和汽车用钢量的提升，目前大部分汽车用钢都可以替代进口材料，但仍有部分钢材依赖进口，尤其是汽车紧固件用高品质冷镦钢。
湘钢根据国家发展战略的需要，根据市场工业用材的实际需求，我们利用自己先进的生产设备和雄厚的技术力量开发高品质冷镦钢。尤其是采用适合于湘钢实际生产条件的成分设计、工艺配备，节约成本，降低能耗，开发研究、批量生产高品质冷镦系列钢种，不但使高品质冷镦用钢国产化，也降低了国内汽车零部件的生产省本，而且可为公司创造极其可观的经济效益，可以大幅度提公司产品的市场竞争力，对公司“做精做强”战略目标的早日实现有着极其重要的意义。
二、解决问题的思路与技术方案
湘潭钢铁集团有限公司针对高品质冷镦钢生产中存在的冷镦性能及拉拔性能不稳定，夹杂物评级波动性较大，表面质量待提高等问题，与北京科技大学合作开发了包括冷镦钢夹杂物窄窗口化控制精炼制度调控关键技术、冷镦钢连铸坯质量控制关键技术、冷镦钢夹杂物影响下的服役性能预测及夹杂物体系设计、冷镦钢高质量轧制关键技术在内的高品质冷镦钢关键冶金技术集成。通过建立冷镦钢微观结构性能预测模型，详细分析夹杂物对服役性能的量化影响，形成针对湘钢冷镦钢的定制化夹杂物体系，并配合热力学及数值模拟计算等，精确控制精炼过程中包括钙处理、吹氩制度等在内的关键工艺，有效提升湘钢冷镦钢的夹杂物控制水平。通过对冷镦裂纹的系统解剖，判断冷镦钢铸坯裂纹质量对冷镦性能的影响，经过对冷镦钢铸坯的系统解剖及热力耦合测试，探究铸坯缺陷的形成机理，并通过适当的工艺改进优化铸坯质量。此外，通过优化保护浇铸和稳态浇铸工艺，最大程度的降低夹杂物水平，提高铸坯成材率。通过低温轧制、控轧控冷技术改善组织均匀性，氧化铁皮及脱碳层的质量，通过设备的改进和研发进一步提升湘钢冷镦钢轧材性能，并应用于质量要求较高的内六角螺栓、外六角法兰面螺栓等标准件或其它异型冷镦件。
三、主要创新性成果
通过对冷镦钢生产技术的不断创新优化，融合了国外先进的材料设计理念，通过系统的研究工作，形成了以下关键技术：
1、针对精炼过程中的lf精炼，缩短成渣时间，尽快形成高碱度精炼渣，最大限度实现lf炉脱氧及洁净化作用，并通过对钢种的针对性计算，实现钙处理的精准化控制，包括加入时间、加入量等，提升钙处理效果，控制钙处理后的夹杂物成分，降低夹杂物对服役性能的影响。
2、改善钢包吹氩制度并提升rh真空控制，依托数值模拟对冷镦钢生产中钢包吹氩制度进行调整，改善钢包中夹杂物运动及去除动力学，提高钢包中夹杂物去除比例，达到铸坯中t.o含量在12ppm以内，各类夹杂物均在1.5级以下，夹杂物总量小于2.5级。
3、针对特种含硫/含钛/含硼类冷镦钢铸坯表面缺陷问题（表面裂纹、角部裂纹、纵向凹陷等），通过对缺陷的三维系统解剖及材料的性能测试，探究铸坯表面缺陷的形成机理，定位表面缺陷产生的关键工艺措施，进而提出铸坯缺陷的工艺控制措施，降低铸坯修磨率，轧材裂纹发生率降低至0.16%。
4、针对冷镦钢铸坯内部质量缺陷问题（缩孔、疏松、晶区比例等），通过将工艺参数赋值于数值模拟的方式确定液相穴的位置，并合理定制轻压下方案，配合适当的二冷工艺，进而提出最优的铸坯内部质量控制工艺，提高铸坯的内部质量性能。
5、针对冷镦钢铸坯夹杂物控制不佳的问题，通过优化保护浇铸的设备、工艺，并提高稳态浇铸的比例，降低生产工艺参数的波动，进而降低铸坯中大尺寸夹杂物的比例，提升铸坯氧氮含量控制水平，尤其可大幅减少头尾坯的长度，大幅提升成材率至98%以上。
6、建立包含夹杂物的微观结构疲劳寿命预测模型，预测不同夹杂物在外加应力下对应力集中及基体裂纹产生的影响。
7、探究不同种类夹杂物影响下冷镦钢的疲劳寿命，根据疲劳寿命预测结果选择合适冷镦钢的夹杂物体系，最终螺栓疲劳寿命可稳定达到23万次以上。
8、通过低温轧制、控轧控冷等工艺措施改善轧材组织均匀性（轧材晶粒度极差小于1.5）、改善表面氧化铁皮质量、控制脱碳层深度（脱碳层小于0.8%d），并综合轧制技术研发经济环保型合金冷镦钢，进而短球化退火时间、加快生产节奏、缓解环保压力。
9、通过设备改进和研发提升轧材质量，包括：冷却水箱水嘴改进、改进滚动导卫水平导槽、热眼（hoteye）设备监控盘条表面质量等，冷镦合格率达到100%，制成内六角、带法兰盘螺栓等大变形量螺栓缺陷率低于50ppm。
结合该项目，国内外高质量期刊发表“scm435贝氏体冷镦钢盘条的开发”、“线棒材轧制用冷却器的优化设计与应用”、“提高80t钢包自动引流率的工艺实践”；、“10b21合金成分及连铸工艺优化的研究”、“大规格scm440钢冷镦开裂原因分析与改进”、“低碳冷镦钢盘条组织均匀性研究”等相关论文15篇，获得《一种极低碳高导电率钢的生产方法》和《一种贝氏体冷镦钢盘条的生产方法》发明专利2项，获得《一种线棒材控轧控冷用旋流式冷却器》、《卷取机提升导槽用滚动导卫》和《水平导槽用滚动导卫》实用新型专利3项。
通过大量的市场调研和用户反馈信息的收集，经过对高品质冷镦钢关键技术的不断研究，针对湘钢高品质冷镦钢制定了两个企业标准：《q/ohab123 高端g系列冷镦钢用热轧盘条》和《q/ohab124 汽车用q系列冷镦钢用热轧盘条》。该项目获2022年湖南省冶金科学技术奖一等奖。
四、应用情况与效果
通过对高品质冷镦钢关键技术的不断研究和应用，湘钢高品质冷镦钢质量得到大幅提升。湘钢生产的高品质冷镦钢钢质的纯净度高，p、s等杂质元素含量低，出厂检验均能达到1/3冷顶锻性能合格，实际能达到的冷变形量均超过1/3。既有超群的冷镦性能又有优良的拉拔性能，适用于生产大变形量、夹杂物含量低等质量要求较高的内六角螺栓、外六角法兰面螺栓等标准件或其它异型冷镦件，具有低气体含量、低夹杂、严格的表面质量，冷镦性能良好。
目前可批量生产c4c-q、xswrch10a-g/q、xswrch35k-g/q、scm435-g/q、sae10b21a-g/q等g/q系列搞品质冷镦钢70余个钢种，品种钢可生产盘条规格为φ5.5mm-φ42mm,可满足市场不同用户的要求，达到国内外领先水平。
2019~2021年，湘钢一共生产高品质冷镦用钢19.1万吨，广泛应用于各种合资品牌和自主品牌多款车型，主要有吉利、广汽、丰田、本田、马自达、长安、东风、上汽大众等品牌。取得了东风、长安、吉利等汽车主机厂的材料认证，并纳入合格供应商平台。产品长期稳定供应于上海日泰、北京新光凯乐、东风紧固件、重庆金海等国内紧固件标杆企业。共计销售额9.71亿元，新增利润约0.53亿元，新增利税月1.69亿元。
信息来源：湖南钢铁集团湘潭钢铁公司
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