随着我国加工制造业的快速发展，轻量化要求越来越高，因此对45钢的强度要求不断提高。 另一方面，由于环保和降低成本等因素，金属件的电镀工艺不断改进，制造商正在尝试取消电镀前的喷砂工艺。 因此，对钢板的表面质量要求越来越高。 针对45钢生产所用板坯偏析严重，成品力学性能不稳定，表面硬度波动较大的问题，我们进行了系统的工艺技术研究，掌握了一套成熟的生产工艺，实现了45钢的批量生产板材通过柔性轧制。 生产的热轧板抗拉强度范围从 到 ，以满足不同客户的需求。 本文重点介绍抗拉强度600-45钢材的生产实践及表面镀层性能。
实验方法
1.1 化学成分
根据标准GB/T 711-2017的规定，试验板坯化学成分符合表1要求。为提高产品强度，Mn含量按标准上限控制。 C、Si处于中下限，P含量控制在0.02%以下，S含量在0.01%以下。
1.2 生产工艺路径
生产工艺流程：铁水预处理→转炉熔炼→炉外精炼→板坯连铸→加热→轧制→冷却→卷取→检验→入库。
1.3 加热过程
本次试验共加热4根45钢坯，厚度为200mm，用于轧制4个强度等级、4-5mm厚度规格的钢板。 铸造钢坯采用同样的加热系统，考虑到钢坯变形抗力的降低和表面脱碳层厚度，采用中温加热，目标加热出钢温度为1180-1250℃。
1.4 轧制及冷却工艺
不同目标强度等级的钢板采用基本相同的加热轧制工艺，并采用不同的卷取温度系统。 每个强度级别都对一块板进行测试。 结合合同订单，成品厚度为4.0-5.0mm，规格相近。 粗轧采用“3+3”往复轧制工艺，精轧采用7道次连续轧制。 粗轧和精轧之间没有冷却控制。 为了降低变形抗力，终轧温度控制在850-900℃。 轧制后进入层流冷却装置，调节影响层冷水量的参数，获得560-750℃的卷取温度。 加热、终轧、卷取温度等生产数据见表2。
1.5 铸坯和钢板的质量评价
连铸坯头下线冷却后，取200mm×60mm×铸坯试样，切成4个200mm×60mm×315mm的坯样，磨断面，浸入热盐酸溶液中20分钟，将其取出并用肉眼清洁。 在低倍率下观察板坯的截面质量。 待试验钢卷冷却至室温后，在距卷端6m处取横向钢板试样，按GB/T 228测试拉伸性能，同时取15mm×15mm×hmm的金相取样，研磨抛光横截面钢材的屈服强度表，用4%硝酸酒精蚀刻，在光学显微镜下观察组织形态。
1.6 表面镀层性能研究
使用上述1#、4#热轧板对零件进行加工，并对零件表面进行电镀。 具体加工工艺为：热轧钢板冲压——抛光（取消喷砂工序）——电镀，标记样品编号，电镀后放置一段时间。 时间，观察电镀表面是否出现霉斑缺陷，统计分析1#、4#热轧板对应成品样品的电镀合格率。 同时，从1#、4#热轧板原材料上截取20mm×20mm的金相试样，用X射线衍射仪对表面氧化膜的成分进行分析。 将金相样品进行研磨、抛光，并用4%硝酸酒精进行蚀刻，然后在ZEISS 200 MAT光学显微镜下观察断面表面下的氧化缺陷。
铸坯和钢板质量评价结果
2.1 铸坯质量评价结果
观察铸坯低倍组织，缺陷评级结果见表3。可见，铸坯质量良好，不存在明显裂纹等严重缺陷。
2.2 钢板质量评价结果
2.2.1 机械性能
从表5可以看出：屈服强度415-，抗拉强度623-，延伸率18.4%-28.5%，满足GB/T 711-2017中45钢力学性能要求，达到抗拉强度600-灵活生产。
2.2.2 微观结构
在光学显微镜下观察4个钢板试样的组织形貌，发现1#试样的组织为珠光体和铁素体的混合组织，2#-4#试样的组织均为珠光体， 2#珠光体组最大。 4#珠光体组最小。
2.2.3 表面镀层性能研究
2.2.3.1电镀表面合格率
取消喷砂工艺后，对上述不同强度等级的1#、4#钢板制成的零件进行表面电镀处理。 结果显示，1#电镀后表面存在模具缺陷，合格率仅为30%。 电镀后4#表面无模具缺陷，合格率为100%。
2.2.3.2 表面氧化层结构
从1#和4#热轧钢板样品表面氧化层的XRD检测结果可以看出，4#钢板的氧化层主要为Fe3O4，仅含有2.3%的FeO，而4#钢板的氧化层主要为Fe3O4，仅含有2.3%的FeO。 4#样品氧化层中FeO含量达到25.5%。 FeO相对较致密，能在一定程度上阻碍氧元素向钢基体内部的扩散，对内氧化的阻碍也比较显着。
2.2.3.3 表面氧化层分析
观察1#和4#热轧钢板试样的表面氧化形貌，发现1#试样表面存在氧化微裂纹，而4#试样没有氧化微裂纹。
讨论
3.1 控轧控冷生产工艺对钢组织和性能的影响
45钢的供应一般执行国家标准GB/T 711。2017年新版标准规定45钢板可以热轧或热处理状态交货。 规定强度和延伸率如表5所示。结合表2和表4可以看出，在基本相同的加热和轧制工艺控制条件下，通过降低卷取温度，抗拉强度从1#试样开始逐渐提高以4#样品为例，实现了不同抗拉强度级别的45钢的600次轧制。 本文生产的2#-4#45钢板采用低温卷取，冷却速度快。 组织全部为珠光体，高于平衡转变的珠光体含量，因此强度高于普通45热轧钢板。
一般认为，钢中珠光体含量越多，强度越高。 同时，渗碳体和铁素体之间的界面增多，提供更多的裂纹形核点，降低韧性和塑性。 本次试验结果证明，在上述生产条件下，试验中4#热轧板的抗拉强度提高到18.4%，超过18%，完全满足标准要求。 获得高强度和高延伸率的前提是板坯中P、S等有害元素含量低，板坯组织良好。 因此，高质量板坯是获得高强度、高延伸率成品带材的先决条件。
冶炼和连铸的关键是准确控制成分，保证钢水的清洁度，生产出无表面或内部缺陷的合格铸坯。 采用铁水预处理和LF精炼，保证钢水洁净度和成分的精确微调； 连铸采用全过程保护浇注，过热度控制在15-30℃，采用中强度冷水计，拉速不大于1.4m/min。 确保板坯合格的关键是采用热装热送或离线保温缓冷。 如果控制不当，很容易出现钢坯脱氧不良、中间裂纹、延迟断裂等缺陷。
在本次试验中，采用热装来降低板坯的应力。 加热过程严格控制炉内气氛和炉内时间。 高温加热时间不宜大于10秒，以减少表面脱碳。 若采用冷装，应注意板坯预热。 调整时间和初始加热升温速率，避免因温升过大导致铸坯内应力增大，造成铸坯断裂事故。 热轧的重点是控制冷却，采用以控制轧制速度为主的终轧温度控制方式，保证终轧温度的稳定。 卷取温度不宜过高或过低，以免热卷断裂。
3.2钢板表面电镀性能研究
研究表明，电镀件原材料表面微裂纹的存在是电镀发生霉变缺陷的直接原因。 缺陷零件所用的热轧板原材料表面粗糙，有轻微氧化，导致零件表面在热处理加热过程中再次氧化，导致微裂纹深度增加，发生碳的积累。 电镀时，电镀原料在钢件表面扩散，形成电镀层。 然而，在后续的放置过程中，电镀原料进一步扩散，渗透到更深的微裂纹中，造成电镀层的损坏和霉变缺陷。
钢的氧化过程首先在表面形成离子氧化物，氧化膜的生长是通过膜中氧和铁离子的扩散进行的。 由于不同钢种的化学成分不同，氧离子和铁离子的扩散规律不同，氧化特性和氧化产物也不同。 据文献报道，钢坯表面氧化后钢材的屈服强度表，氧化层一般由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成。 其中，与钢坯基体直接接触的内层为FeO。 FeO具有良好的韧性和密度，附着在钢坯表面不易脱落。 它含量越多，对于防止持续的内部氧化就越重要。 氧化层中间部分为Fe3O4，比较疏松，最外层为Fe2O3，质地细腻，有光泽，质脆，易脱落，因此含量相当少。
当钢的热加工温度高于600℃时，钢的表面可能会发生晶界氧化。 控制加热、轧制和冷却速度，减少钢在高温下停留的时间和钢周围气氛中的氧含量是控制钢氧化的主要措施。
上述测试结果表明，通过优化生产工艺生产的1#热轧板化学成分与4#热轧板相同，但4#氧化层中FeO含量要高很多与1#样品相比，阻碍氧化作用明显改善的现象并未出现。 表面无晶界氧化缺陷，加工件电镀后无霉蚀缺陷。
结论
1）采用铁水预处理与LF精炼工艺相结合，可以保证钢水清洁度和成分的精确微调。 连铸采用全流程保护浇注，过热度控制在15-30℃，拉速低于1.4m/min，铸坯加热。生产合格45钢钢坯的关键是进行热装或离线保温和缓慢冷却。
2）将相同成分的45钢连铸坯进行中温加热，采用常规热连轧机组进行轧制。 层流采用前级冷却方式。 卷取温度由750℃调整至560℃。 拉伸强度由750℃提高到560℃。 延伸率仍然符合标准要求，满足客户对高强度45钢的使用要求。
3）控制轧制和冷却可以有效改善热轧钢板表面氧化层结构，防止热轧板表面氧化微裂纹的形成，提高零件电镀合格率。
（杨宇、张继富、王英海、任俊伟、丛志宇、马峰）
《世界金属导报》
2023年第16期 B04
