一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，涉及一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法。

背景技术

热轧20CrMnTi棒材加工的第一道工序为冷剪下料或者拉拔。当钢材热轧硬度偏高时，剪切下料和拉拔都有一定困难，容易产生崩料开裂的缺陷，造成零件报废。通常在冷加工前需要采用退火或者高温回火以降低棒材的硬度，但是吨钢成本会增加。为降低生产成本，取消退火成为一种势在必行的途径。国家标准 GB/T 3077—2015《合金结构钢》要求退火或高温回火状态交货的20CrMnTi钢棒的硬度不大于217HBW。为了满足下游加工要求，钢厂在轧制20CrMnTi时需要采取措施控制热轧状态硬度，以保证热轧状态硬度达到或接近退火或高温回火状态的交货硬度。

马秋晨，赵宪明，侯泽然在2019年10月《材料科学与工艺》第27卷第5期发表的论文“冷却工艺对20CrMnTi组织转变和弯曲度的影响”中，通过热模拟试验机进行冷却工艺试验，研究了单道次变形后不同冷却速度和不同终冷温度对齿轮钢 20CrMnTi 组织转变与硬度的影响。 研究结果表明: 在快冷速( 10，50 ℃ /s) 条件下， 当终冷温度升高时，高温区铁素体相变时间增加，冷后组织中铁素体体积分数增大，硬度值降低。 在终冷温度 850℃时铁素体体积分数达到最大值 58% ，硬度值相应降低为 264HV(相当于252HBW)。 在慢冷速( 0．1 ℃ /s) 条件下，随着终冷温度降低，冷后组织中铁素体体积分数增大，硬度值降低。 在终冷温度 760 ℃ 时铁素体体积分数达到最大值 48% ，相应硬度降低为最小值240HV（相当于228HBW）。 在1 ℃ /s 条件下，终冷温度对铁素体体积分数及硬度影响较小，铁素体体积分数和硬度分别在34% ± 4% 和( 282 ± 5) HV 范围内波动。

通常钢棒硬度在160~230HBW时能够适应冷加工要求。按照本文，需要终冷温度控制到760 ℃左右，而且冷床必须采取措施保证冷却速度低至 0.1 ℃ /s，20CrMnTi热轧状态硬度最低也只能达到228HBW，与20CrMnTi退火或高温回火态硬度仍有一定差距。

常规小型轧线冷床没有加热和加速冷却条件，轧材上冷床后只能靠自然空冷，冷却速度通常在2~10℃/s。按照本文措施无法稳定实现20CrMnTi热轧状态硬度低于230HBW，对后续冷剪下料或者拉拔有不利影响。

柳洋波，佟倩，孙齐松，晁月林2016年9月在《钢铁》第51卷 第9期发表的论文“轧后穿水对20CrMnTiH组织和硬度影响的热模拟试验”通过热模拟实验在实验室得出“在轧后不穿水的情况下， 20CrMnTiH 轧材的硬度随着终轧温度的升高而升高，随着冷速的升高而升高；在轧后穿水的情况下， 终轧温度对硬度的影响不大，冷速增大，硬度增加， 但增加幅度小于不穿水的情况。对于不穿水试样， 冷速为1 ℃/s时，将终轧温度控制到小于900 ℃，能使得轧材硬度小于217HBW（约为221HV）；但当冷速为2 ℃/s时，即便将终轧温度降低至850℃，也不能使轧材硬度小于217HBW。对于穿水试样，冷速为1和2 ℃/s、终轧温度为850～1000 ℃时，轧材硬度均小于217HBW。轧后穿水能明显提高轧材的铁素体比例，降低贝氏体比例，从而大幅降低轧材的硬度。穿水轧材硬度小于217HBW，满足退火或高温回火材的硬度要求。”

该文结论是在实验室模拟终轧温度不高于1000℃、终轧穿水后温度低至800℃、轧后穿水冷却速度50℃/s、穿水后冷却速度1、2℃/s基础上可以控制20CrMnTi硬度小于217HBW。对于终轧温度超过1000℃，穿水线冷却速度高于50℃/s，穿水后冷却速度大于2℃/s是否仍能保证20CrMnTi硬度小于217HBW，该文没有提供数据支撑也未做说明。

何维在《柳钢科技》2014年第1期发表的论文“20CrMnTi圆钢热轧状态硬度性能的改进”主要针对Φ45mm～Φ80 mm 的 20CrMnTi 圆钢热轧状态硬度问题提出了一些解决措施： 主要是（1）20CrMnTi 圆钢主要淬透性元 素 C、Mn、Cr 的含量按下限进行控制；（2）适当提高 20CrMnTi 圆钢轧制温度， 开轧温度按上限控制，以提高堆冷温度。（3）提高冷床的保温性，冷床缓冷。

徐祥，陶涛，王庆龙，席波申报的CN113843285A“一种降低20CrMnTi热轧状态硬度和弯曲度的轧制方法”,主要是在预精轧机组与最终的KOCKS机组间采用水箱穿水，即通过精轧低温轧制，降低终轧温度的方式获得铁素体+珠光体组织，使20CrMnTi热轧状态硬度≤210HBW。这种方法精轧机组前需要有足够间距并安装水箱，KOCKS等精轧机组需要承受较大轧制负荷。对常规小型机组而言需要改造设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法，适应小型连轧机组条件，不改造轧机，采用常规热轧工艺，控制轧后穿水冷却、上冷床温度和冷床冷却速度实现Φ16~Φ40mm20CrMnTi热轧状态硬度≤217HBW。

本发明采用的技术方案是，一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法，轧制步骤如下：

1)方坯加热：将符合GB/T3077-2015《合金结构钢》要求的方坯放入三段式步进式加热炉中加热，依次为预热段、加热段、均热段；其中预热段≤850℃，加热段温度为950~1200℃，均热段温度为1000~1200℃；

2)方坯除磷：将加热后的方坯在第一道轧机前采用高压水、压力≥1Mpa，除磷去除表面氧化铁皮；

3)连轧机组轧制：将除磷后的方坯进入小型连轧机组轧制，开轧温度1000~1150℃，终轧温度950~1060℃；

4)轧后冷却：终轧后穿水，水压0.65~1.6MPa，轧材在通过18#轧机穿水线穿水，冷却水喷淋角度45°，穿水时间不超过4S，冷却速度≥100℃/S，回温速度≥55℃/S，回温最高温度850~940℃，控制上冷床温度820~900℃；

5)冷床冷却：控制轧件在冷床上缓冷，冷却速度2~5℃/S，为保证冷却速度，设计对冷床四周加围挡和盖保温盖缓冷。

本发明一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法，该钢种化学成分质量百分数为：C：0.17～0.22％，Si：0.17-0.30％，Mn：0.8～1.0％，Ti：0.04～0.07％，Cr:1.0～1.2％，S：0.01~0.02％，P：≤0.02％，轧制方法：本发明采用小型连轧机组，无需开坯，不采用低温轧制，不在精轧机组前穿水，本发明在18#终轧机后穿水冷却，冷却水压力≥650pa，冷却水冷线距离轧机500cm，冷却速度≥100℃/S，回温速度≥55℃/S，上冷床温度820~900℃，冷床冷却速度2~5℃/S，保证20CrMnTi组织为铁素体+珠光体组织，实现小型机组生产Φ16~Φ40mm20CrMnTi热轧状态硬度达到国标GB/T3077-2015《合金结构钢》退火或高温回火态硬度≤217HBW的要求。

本发明相对于现有技术，

1.成分按照GB/T3077-2015《合金结构钢》20CrMnTi要求进行特异化设计;

2.不采用低温轧制，适应小型机组条件，控制较高的终轧温度，以利于高效生产；

3.轧后采用穿水瞬间急速冷却，控制冷却速度100℃/S以上，控制轧件回温温度确保不出现淬火组织，轧材组织主要为铁素体+珠光体。

4.轧件上冷床后冬季对冷床加保温盖板、四周围挡等专用措施，减缓冷床冷却速度，控制冷床冷却速度2~5℃/S；

5.控制Φ16~Φ40mm20CrMnTi圆钢热轧状态硬度≤217HBW。

按照本发明要求实施效果：

生产了φ18mm、φ21mm、φ25mm，φ40mm。各规格取样检测数据见表1、表2

本发明的技术效果：

(1)本发明的轧制生产工艺得到的Φ16~Φ40mm20CrMnTi圆钢金相组织主要为铁素体+珠光体；

(2)本发明的轧制生产工艺得到的Φ16~Φ40mm20CrMnTi圆钢热轧状态硬度优于国标GB/T 3077-2015《合金结构钢》退火或高温回火态硬度≤217HBW的要求。

（3）本发明可以使用户取消退火工艺，降低用户使用成本。

实施例

本发明包括以下工艺步骤：一种控制20CrMnTi热轧状态硬度的轧制方法，

1.20CrMnTi成分应符合GB/T3077-2015《合金结构钢》要求，见表3

2.轧制步骤：

(1)方坯加热：将符合表1要求的方坯放入三段式步进式加热炉中加热，依次为预热段、加热段、均热段；其中预热段≤850℃，加热段温度为950~1200℃，均热段温度为1000~1200℃；

(2)方坯除磷：将加热后的方坯在第一道轧机前采用高压水（压力压力≥1MPa）除磷去除表面氧化铁皮；

(3)连轧机组轧制：将除磷后的方坯进入小型连轧机组轧制，开轧温度1000~1150℃，终轧温度950~1060℃；

(4)轧后冷却：终轧后穿水，水压0.65~1.6MPa，轧材在通过18#轧机穿水线穿水，冷却水喷淋角度45°，穿水时间不超过4S，冷却速度≥100℃/S，回温速度≥55℃/S，回温最高温度850~940℃，控制上冷床温度820~900℃；

(5)冷床冷却：控制轧件在冷床上缓冷，冷却速度2~5℃/S，为保证冷却速度，专门设计对冷床四周加围挡和盖保温盖缓冷。