精密车削用16MnCrS5钢棒材生产工艺优化_张光鸿.pdf

书书书作者简介:张光鸿(1987 )，男，工程师;E-mail:zhangguanghong citicsteel com;收稿日期:2022-09-22DOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00068精密车削用 16MnCrS5 钢棒材生产工艺优化张光鸿1，2，龙开西1，2，何英武1，2，向鑫1，2(大冶特殊钢有限公司 1 棒材研究所;2 高品质特殊钢湖北省重点实验室，黄石 435001)摘要:通过试验确定精密车削用 16MnCrS5 棒材的生产工艺，研究合适的硫含量、冷却速度和退火温度参数，满足高端汽车销轴精密车削零件要求。结果表明，试验的 S 含量 0 028%0 035%的 16MnCrS5 热轧棒材以1 37 1 69 /s冷却速度冷却后，再采用连续退火炉进行 620 6 h 的去应力退火，可得到硬度满足 180 215HBW 的去应力退火精密车削用棒材。关键词:16MnCrS5 钢;精密车削;硬度;硫含量;去应力退火Optimization of Production Process of 16MnCrS5Steel Bar for Precision TurningZhang Guanghong1，2，Long Kaixi1，2，He Yingwu1，2，Xiang Xin1，2(1 Bar esearch Institute;2 Hubei Key Laboratory of High QualitySpecial Steel，Daye Special Steel Co，Ltd，Huangshi 435001)Abstract:Through experiments，the production process of 16MnCrS5 steel bars for precision turning is determined，andthe appropriate sulfur content，cooling speed and annealing temperature parameters are studied to meet the requirements ofhigh-end automotive pin precision turning parts The results show that the tested 16MnCrS5 steel hot-rolled bars with S con-tent ranging from 0 028%to 0 035%wera cooled at a cooling rate of 1 37 to 1 69 /s，and then subjected to stress re-lief annealing at 620 for 6 h in a continuous annealing furnace，and the hardness was 180-215HBW which met customerrequirements of that for stress relief annealing precision turning barKey Words:16MnCrS5 Steel;Precision Turning;Hardness;Sulfur Contents;Stress elief Annealing16MnCrS5 钢是从德国引进并通过合金元素Mn、Cr 等实现钢的强韧化，属于低碳淬火钢，此钢中添加 0 020%0 040%的 S 元素，促进了钢中 MnS夹杂物形成，具有易切削性能1-2，广泛用于汽车齿轮、销轴等零部件。对于要求高精密车削汽车销轴用棒材交货硬度180 215HBW，一般热轧生产的 16MnCrS5 钢不能满足要求。开发初期生产验证热轧的 16MnCrS5 棒材(交货硬度255HBW)车加工不稳定，不仅零件精度不够，还出现缠屑、打刀等异常现象，不能满足生产要求。查阅相关文献资料经分析认为棒材在轧制冷却过程中，因其表面和心部冷却速度差造成棒材内外温度差而产生残余内应力，这种内应力与后续加工因素累积，容易产生零件变形3，影响零件精度，所以高要求的车削用棒材需要去应力退火。从车削生产实践发现，若棒材硬度低，则车加工粘刀、缠屑、零件表面粗糙度差4、尺寸精度差;若棒材硬度高，则刀具磨损加剧，加工困难。综上，作 为 原 料 生 产 企 业 很 有 必 要 研 究16MnCrS5 棒材的硫含量、冷却速度和去应力退火温度的工艺参数，生产出满足客户精密车加工需求的棒材。1试验材料生产工艺流程16MnCrS5 棒材试验材料生产工艺流程为:EAF(70 t)LF(80 t)VD/H(80 t)CC(240 mm 240 mm)连铸坯加热(步进式加热炉)轧制成棒材冷却去应力退火检测、包装，成品棒材规格为 16 50 mm。16MnCrS5 棒材的化学成分见表1。要求 A 类硫化物级别3 0 级(按 ASTM E45-2018 标准 A 法检测，取样位置棒材半径 1/2 处)。84第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023表 1试验 16MnCrS5 钢的化学成分/%Table 1Chemical composition of tested 16MnCrS5 steel/%项目CSiMnPSCrNiMoCu标准成分范围0 14 0190 401 10 1 3000250 020 0040 100 110030010020试验钢成分0170 25120001000291050030020 052试验过程2 1硫含量为确定最优的硫含量，取不同硫含量的 10 个炉号 16MnCrS5 棒材，对 A 类硫化物级别进行了检测，结果如图 1 所 示。最 终 优 选 硫 含 量 0 028%0 035%，在满足 A 类硫化物级别3 0 级的前提下，促进了钢中 MnS 夹杂物形成，提供更优的切削性能。图 1硫含量对试验 16MnCrS5 钢棒材 A 类硫化物级别的影响Fig 1Effect of sulfur content on class A sulfide grade of tested16MnCrS5 steel bar2 2热轧棒材冷却速度2 2 1CCT 曲线的测定依据 YB/T5127-2018钢的临界点测定膨胀法标准，使用 DIL805L 型淬火相变膨胀仪测得不同冷速下的时间-膨胀量-温度曲线，利用切线法处理获得不同冷速下的相变开始和终了温度，再结合金相组织和硬度试验，绘制 16MnCrS5 试验钢的 CCT 曲线图5，如图 2 所示，为 16MnCrS5 试验钢的轧后冷却工艺的制定提供参考。2 2 2终轧温度和保温时间收集统计钢厂小棒车间生产的 152 批，直径为16 50 mm 的热轧态 16MnCrS5 棒材，其硬度分布直方图如图 3 所示，硬度均在 180 250HBW。一般热轧态棒材应为去应力退火留有硬度降低余量，也就是热轧态的棒材硬度应控制在 180 250HBW 中上 限 为 宜，所 以 初 始 设 定 热 轧 态 硬 度 220 250HBW，可避免去应力退火后棒材硬度偏低6。图 2试验 16MnCrS5 钢的 CCT 曲线Fig 2Continuous cooling transformation curves of tested16MnCrS5 steel参考 16MnCrS5 试验钢 CCT 曲线，图 2 中冷却曲线显示冷却速度在 1 67 /s 的对应材料硬度为222HV 可作为参考。棒材的终轧温度和直径大小直接影响棒材在保温罩内的冷却速度7，棒材的直径越大，冷速越慢，终轧温度需要相应进行调整。本次试验的 16MnCrS5 棒材的直径为 22 mm，根据经验公式将终轧温度设定在 850 930，棒材在保温罩内的保温时间为240 s(保温罩内冷却时间是由保温罩的长度和出钢节奏决定的，出钢节奏快导致坯料加热质量差，出钢节奏慢影响生产效率)。2 2 3棒材冷却速度与硬度关系保温罩内棒材的保温时间 240 s 不变，对终轧温度进行试验(终轧温度 850 930)，以确定棒材的实际冷速和热轧硬度对应关系。试验轧制 9 批22 mm规格16MnCrS5钢，终轧温度在850 930，图 316MnCrS5 钢棒材硬度(HBW)分布直方图Fig 3Distribution histogram of hardness HBW of 16MnCrS5steel bars94第 2 期张光鸿等:精密车削用 16MnCrS5 钢棒材生产工艺优化表 2试验钢棒材冷却速度和硬度结果Table 2Experimental steel bar cooling rate and hardness results试验批次终轧温度/出保温罩温度/冷速/(s1)热轧硬度 1(HBW)热轧硬度 2(HBW)热轧平均硬度(HBW)1851481154231231231 02860486156232236234 03872495157237242239 54881500159243245244 05889542145229228228 56902564141225224224 57910578138222224223 08922580143227230228 59931588143227226226 5注:冷速=(终轧温度 出保温罩温度)/保温时间 240 s从 850 开始每增加约10 作为一种终轧温度，工艺结束后待棒材 冷 却 到 室 温 后 取 样，按 GB/T231 1-2018金属材料布氏硬度试验 第 1 部分:试验方法 检测棒材硬度(每批检测 2 个硬度数据后取平均值)，最终冷速和硬度结果见表 2。表 2 结果表明，在同样的保温时间的情况下，16MnCrS5 热轧棒材冷却速度和硬度存在相关性，采用 Minitab 软件绘制试验钢的冷却速度和热轧硬度线性回归模型8 如图 4 所示，回归模型误差占总误差的百分比 Sq=85 5%，说明回归模型与数据吻合度较好。调整后的回归模型误差占总误差的百分比 Sq(adj)=83 4%，Sq(adj)与 Sq越接近，此回归模型可靠。Sq(adj)70%证实试验钢的冷却速度和热轧硬度存在相关性，由试验模型回归公式(硬度 HBW=110 9+80 92 冷却速度/(s1)可反推热轧棒材硬度 220 250HBW对应的冷却速度为 1 35 1 72 /s。考虑实际硬度检测 2HBW 的偏差，棒材硬度按 222 248HBW控制，优选棒材冷却速度 1 37 1 69 /s。2 3去应力退火工艺2 3 1去应力退火温度去应力退火温度及时间是热处理的最关键参图 4试验钢棒材的冷却速度和热轧硬度回归曲线Fig 4egression curve of cooling rate and hot rolling hardnessof experimental steel bars数。一般来说，在进行去应力退火时，温度过低，棒材不会在短时间内完成应力释放，相应退火时间需延长，热处理效率低。温度越高，所需的退火时间越短，应力去除效果越好，但温度过高会导致棒材组织结构发生变化，造成棒材硬度降低值超出预期。所以初始设定去应力退火的温度在 AC1线下 100 左右，CCT 曲线(如图 2)显示 16MnCrS5 钢的 AC1温度为 740，优选将试验棒材的去应力退火温度设定为 600 670。棒材在炉内保温时间与棒材直径有关，棒材的直径越大，升温速度越慢，相应的加热时间也需延长。试验用 16MnCrS5 棒材的直径为22 mm，根据生产工艺经验公式将去应力退火炉保温时间设定为 6 h(大生产共同组批需要，尽可能与常规退火工艺时间要求保持一致，这里不再进行保温时间最优化试验)。2 3 2棒材去应力退火与硬度关系采用常规连续退火炉，对同一批棒材硬度平均值为235HBW、直径为 22 mm 的16MnCrS5 棒材分8 种不同工艺进行退火温度试验(去应力退火温度600 670)，以确定棒材的退火温度与退火后棒材硬度对应关系。按 GB/T 231 1-2018金属材料布氏硬度试验 第 1 部分:试验方法 检测棒材硬度(每批不同位置检测 3 个硬度试样后取平均值)，退火温度和退火后棒材硬度结果见表 3。从表 3 可以看出，在同样的 6 h 去应力退火情况下，16MnCrS5 钢去应力退火温度和硬度降幅存在相关性，采用 Minitab 软件绘制试验钢的退火温度和退火后的硬度降幅线性回归模型如图 5，回归模型误差占总误差的百分比 Sq=98 4%，说明回归模型与数据吻合度极好。调整后的回归模型误差占总误差的百分比 Sq(adj)=98 3%，Sq(adj)与 Sq 接近，此回归模型非常可靠。Sq(adj)85%证实试验钢的去应力退火温度与硬度降 幅存在强相关性。参考图5回归公式，将热轧态05特殊钢第 44 卷表 3试验钢退火温度和退火后的硬度结果Table 3Experimental steel bar annealing temperature and hardness results after annealing试验钢批次号退火温度/退火前硬度平均值(HBW)退火硬度(HBW)123退火硬度平均值(HBW)退火硬度降幅(HBW)160023521521821321520261023520720520920728362023520019819519837463023519018918718946564023518217817918055665023517117617217362766023516916516716768867023516315816016075注:退火硬度降幅=退火前硬度平均值 退火硬度平均值图 5试验钢棒材的退火温度和硬度降幅的回归曲线Fig 5egression curve of annealing temperature and hardnessdrop of tested steel bars棒材的 222 248HBW 硬度降低至 180 215HBW，理想的硬度降低幅度为 37 5HBW(计算方法:222 248HBW 的中位数 235HBW 与 180 215HBW 的中位数 197 5HBW 的差值为 37 5HBW)，回归公式反推出的最优退火温度为 620。3生产验证基于以上工艺试验研究，量产 19 批约 540 t16 55 mm 规格的 16MnCrS5 去应力退火棒材，S含量 0 028%0 032%，硫化物级别 A细=2 5 3 0级，A粗1 0 级，硬度在 188 207HBW，满足硫化物 A细3 0 级，A粗3 0 级，硬度符合 180 215HBW 的要求，合格率 100%，用户使用良好，成功实现去应力退火精密车削用棒材量产。4结论S 含量 0 028%0 035%的 16MnCrS5 热轧棒材以 1 37 1 69 /s 冷却速度冷却后，采用常规连续退火炉进行620 6 h 的去应力退火，可以得到硬度满足 180 215HBW 的去应力退火的精密车削用 16MnCrS5 棒材，满足高端汽车精密车削销轴零件的性能要求。参考文献 1黄雷，吴海涛，瞿万里，等 钢中硫化物的种类及其有利作用J 金属热处理，2018，43(4):102-105 2徐秋香，邵亮 硫易切削齿轮钢的开发J 特殊钢，2002，23(1):83-84 3王晓明，李成鑫 芯棒去应力退火工艺的研究J 大型铸锻件，2012(3):17-19 4苏嘉玲 机械加工影响表面粗糙度的因素及改善措施J 新技术新工艺，2010(11):10-11 5 孟延军，孙岩，安治国，等 齿轮钢 16MnCr 的过冷奥氏体连续冷却转变规律J 金属热处理，2018，43(4):102-105 6 袁淑君 17CrNiMo6 齿轮钢生产实践J 山东冶金，2021，43(3):6-8 7 袁武华，彭振宇 终轧温度及轧后冷却速率对 20CrMnTi 钢棒材显微组织及硬度的影响J 机械工程材料，2013，37(2):6-9 8 汤进，黄莉莉，赵海峰，等 使用自适应线性回归的多标签分类算法 J 华南理工大学学报(自然科学版)，2021，40(9):69-7415第 2 期张光鸿等:精密车削用 16MnCrS5 钢棒材生产工艺优化