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12.9级发动机螺栓用冷镦钢的研发与工业应用
2022-05-03 09:28  

1 项目简介

冷镦钢指采用冷(部分温热)镦工艺生产的零部件用钢,被广泛应用于螺钉、螺母、螺栓等紧固件、连接件的生产。本项目的研究对象为12.9级发动机安全件级螺栓用冷镦钢。

虽然我国钢铁行业产能巨大,但国内高端螺栓用冷镦钢长期依赖于进口,工信部已经把12.9(1.2GPa级或1200MPa)高端紧固件冷镦用钢列为中国钢铁工业6项关键品种重大工程之一。

目前实验室研究了大量的各种类型的13.914.915.9,甚至17.819.8的超高强度冷镦螺栓钢,但是目前能够工业化生产的冷镦螺栓产品,其最高级别还是12.9级。

从新日铁、浦项等进口的原始热轧盘条(神户一般为精线)与国内原始热轧盘条一起在富奥、东风等国内生产厂进行热处理,完成螺栓生产。由于下游企业对国内外高端螺栓的制作工艺可以保持完全一致,因此国产螺栓的问题主要出在母材上。

经过本团队长时间的跟踪研发,在满足严格的性能测试与疲劳检测的情况下,目前已经能够给商用车发动机安全件供货,也逐步开始进行乘用车汽车发动机缸盖螺栓供货。但是最高性能的12.9级乘用车发动机连杆螺栓、飞轮螺栓,国内包括本团队在内仍旧处于攻关之中。目前,开发了普通高品质冷镦钢低碳排放下的小方坯高效绿色增产技术:

(1) 不使用LF的情况下,铁耗稳定控制到730kg/t。正在实现铁耗稳定控制到710kg/t以下,班次铁耗最低下探700kg/t以下。

(2) 实现煤气回收规模化烘烤补热,提高入炉废钢比例,精细化操作维持炉子平稳运行,有效降低金属喷溅和溢渣出现几率。生产过程中,班次铁耗最低能够达到710kg/t

(3) 60吨转炉冶炼周期稳定控制在21min左右,正在争取控制20min左右。

(4) 在实现上述目标的情况下,保持连铸坯质量稳定,维持轧钢每月低堆钢次数,保持下游用户加工合格率稳定。

目前对于12.9级高强度螺栓用冷镦钢能够完成的指标:

(1) 表层2mm内夹杂物尺寸小于5μm比例大于70%,小于15μm比例大于90%

(2) 大方坯冷酸下的1/4处偏析与中心偏析0.5级以下,热酸下的1/4处偏析1.5级以下。

(3) 轧材95%表面裂纹20μm以下,95%表面脱碳为零,100%表面脱碳控制0.5%D以下。

(4) 热轧奥氏体晶粒度根据要求,可以在8-10级的范围内实现稳定控制。热轧盘条搭接与非搭接处的抗拉强度波动控制在50MPa以内。

(5) 两次球化退火时间共控制10h以内。达到日本进口盘条组织及力学性能(晶粒度、组织、应变硬化指数、抗拉强度、延伸率、面缩率、冲击性能)。

(6) 高周疲劳测试达到国内先进水平,但是稳定性不如国外产品。

目前主要研究与已经完成且可以合作的内容如下:

(1) 全面取样并检测了日本神户、新日铁、韩国浦项,宝钢模铸与连铸,邢钢SCM435SCM435-CSCM435-Q的精线与轧材的各项指标。

(2) 进行过连铸、加热炉、轧制、冷却、球化退火工艺参数的调整与优化,解决了冷锻开裂、中心偏析、1/4处偏析、表面脱碳、组织优化与均匀化、奥氏体晶粒度、疲劳性能的检测等。目前,已经达到12.9级乘用车发动机螺栓的生产标准。

(3) 了解下游汽车零部件对12.9级高端螺栓的各种供货指标与各项隐性要求。

(4) 可以和钢厂合作,帮助联系下游高端车用零部件厂商,进行盘卷的供货与试用。

2.应用前景

1 冷镦钢的研究意义与应用前景

u 国外产品垄断了高端市场2019年我国粗钢产量9.96亿吨,占世界的53.3%,与此同时大量进口高附加值钢材,尤其以高端发动机螺栓钢、轴承钢等为代表的高端产品。到2019年为止,国内合资品牌乘用车、高端商用车、飞机、轮船、火车等12.9级高端发动机螺栓用钢一直由国外个别厂商垄断,国内外母材价格差异极大。工信部已经把12.9级高强度紧固件用钢列为中国钢铁工业6项关键品种重大工程之一

u 能够工业化生产的最高级别螺栓仍为12.9:目前实验室研究了大量的1300MPa1400MPa级,甚至1600MPa级别的高强度螺栓,但是国际上能够工业化生产的螺栓,其最高级别还是12.9级。由国外进口的12.9级高端发动机螺栓用钢也主要以SCM435SCM440等冷镦钢为主。

u 机械工业的巨大需求:综上所述,国内对高端螺栓钢需求紧迫,仅仅对于汽车工业而言,一辆轿车平均用紧固件1500个约50公斤,费用约占整车成本的2.5~3%。一辆中卡或重卡车平均需要各种紧固件90公斤。根据中国汽车工业协会的信息,我国汽车年产销达到2500万辆左右,继续蝉联全球第一。

2 冀南地区冷镦钢产业链的发展

(1)   邯郸市为钢铁大市:河北省为中国产钢第一大省,邯郸为全国第二大钢铁产能大市(产能占美国60%),为河北重要的钢材生产基地,钢铁行业仍是邯郸市的重要经济支柱。

(2)   永年周边为冷镦钢的重要销售市场:邯郸的标准件产业为河北省十大地方特色产业之一,目前,邯郸永年区拥有标准件行业注册生产企业上千家,其中销售额达亿元以上的有23家,销售额达5000万元以上的有200多家,主要产品有螺栓、螺母、索具等,产品销往全国31个省市,广泛应用于建筑、装饰、铁路、高速公路、机械、化工、家电、汽车、家具等领域。永年紧固件年产量300万吨左右,标准件产量700万吨左右,产销量约占全国的55%,是全国最大的标准件生产加工基地和集散中心,被誉为中国紧固件之都,拥有亚洲最大的标准件生产基地,冷镦钢基本都能就近销售。

(3) 低端产品过剩的影响逐步显现:当下面对错综复杂的国际关系和全球经济放缓的背景,当前的标准件市场低端过剩、高端不足的趋势非常明显,20191-11月标准紧固件出口数量为289万吨,同比下降4.2%,出口额下降2.2%。我国紧固件出口均价为1780美元/吨,而进口汽车发动机上紧固件价格超过10000美元/吨。永年标准件85%为中低端产品,甚至低于全国均价,鉴于此,目前邯郸冷镦钢上下游要逐步解决集中度低、档次低、附加值低等问题。这将要求上下游产业:低端产品高品质化;产品结构的中高端升级;高端国外替代产品性能质量的稳定化。

3 产业、社会与经济效益

冀南地区的几家钢铁企业大部分都有线材产能,仅仅统计线材产量,最大的年产量达到300万吨,小的大概100万吨左右。2021年低端含税价格4500元左右,高端的钢种吨钢能达到5000元左右,而国内先进企业能达到7000元,进口的高端冷镦钢每吨能达到1万元以上,加工成紧固件后的价格差异更大。冀南地区各钢厂仅仅线材这块,大部分企业年产值40-200亿元左右,每吨钢提升500元,增加产值5-15亿元;每吨钢提升利润100元,钢铁企业利润将增加1-3亿元。在目前钢铁控制产能的大环境下,需要企业产品逐步高端化并代替国外部分产品。

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