軋后冷卻工藝對(duì)低碳低硅鋼組織與性能的影響

羅國(guó)華 范植金 朱玉秀 朱叢茂

(武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

低碳低硅鋼中Si含量不大于0.1wt%,低硅有利于降低鋼的應(yīng)變硬化率,增強(qiáng)鋼的冷加工性能。隨著在低溫地區(qū)的風(fēng)電及建筑行業(yè)的發(fā)展,抗拉強(qiáng)度在500MPa以下的低碳低硅鋼被廣泛用于制造低強(qiáng)度緊固件,此類鋼要求有優(yōu)良的低溫韌性,并具備良好冷加工性能。本文研究軋后噴水快冷至返紅溫度對(duì)低碳低硅鋼的組織與性能的影響,為此類鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1,由50公斤真空感應(yīng)爐冶煉后澆鑄成鋼錠,在800軋機(jī)上軋制成厚度為14mm的試板。試驗(yàn)鋼加熱溫度1200℃,在一定溫度下完成開軋與終軋。軋后采用噴水快冷工藝,在冷卻時(shí)間一定的情形下,返紅溫度分別控制在550℃、600℃、650℃。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(wt%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用Φ10mm×220mm縱向拉伸試樣,在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫下的拉伸試驗(yàn)。采用10mm ×10mm×55mm縱向夏氏 V型缺口試樣,在ZBC2452型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃系列溫度沖擊試驗(yàn)。采用光學(xué)金相顯微鏡觀察試驗(yàn)鋼的組織結(jié)構(gòu)特征,利用Quanta400型掃描電鏡(SEM)觀察試驗(yàn)鋼的高倍組織,利用J EM-2100F型透射電鏡(TEM)觀察分析精細(xì)組織結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試分析

對(duì)軋后快冷至不同返紅溫度的試驗(yàn)鋼取樣并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見表2及圖1。從表2拉伸試驗(yàn)結(jié)果來看,返紅溫度在600℃～650℃,試驗(yàn)鋼的拉伸性能結(jié)果沒有顯著差別,返紅溫度為550℃時(shí),試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度有較大提高,抗拉強(qiáng)度達(dá)到520MPa,延伸率有所降低。從圖1沖擊試驗(yàn)結(jié)果來看,采用軋后快冷不同返紅溫度,試驗(yàn)鋼的低溫沖擊韌性差別非常大。返紅溫度為600℃時(shí),試驗(yàn)鋼沖擊韌性最好,-60℃以下進(jìn)行沖擊試驗(yàn),仍然保持很高的沖擊韌性,返紅溫度為550℃、650℃時(shí),試驗(yàn)鋼低溫沖擊功隨測(cè)試溫度的降低顯著下降,韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著升高。

表2 試驗(yàn)鋼拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.2 金相組織及斷口特征分析

對(duì)軋后快冷至不同返紅溫度的試驗(yàn)鋼取金相樣,并在光學(xué)顯微鏡下觀察組織。圖2(a)、(b)所示,返紅溫度控制在600℃以下,試驗(yàn)鋼組織為鐵素體+貝氏體+珠光體;返紅溫度650℃時(shí),組織為鐵素體+珠光體+沿晶碳化物,如圖2(c)。

不同返紅溫度對(duì)試驗(yàn)鋼低溫沖擊性能的影響

用掃描電鏡作進(jìn)一步觀察,返紅溫度在600℃以下,鋼中形成部分貝氏體,且返紅溫度越低貝氏體體積越大,數(shù)量越多,如圖3(a,b)。返紅溫度達(dá)到650℃時(shí),沿鐵素體晶界有大量聚集、粗大的碳化物析出,如圖3(c)。

返紅溫度控制在600℃以下時(shí),-60℃低溫沖擊斷口均呈現(xiàn)韌窩形貌,返紅溫度550℃時(shí),斷口韌窩沒有被拉長(zhǎng),呈現(xiàn)等軸狀(圖4a);而返紅溫度600℃時(shí),斷口韌窩被明顯拉長(zhǎng)(圖4b)。返紅溫度在650℃時(shí),低溫?cái)嗫谛蚊矠榈湫秃恿骰?屬于脆性斷口(圖4c)。

3 討論

采用軋后快速冷卻工藝,加大了組織形核的過冷度,增大組織的形核速率,抑制組織長(zhǎng)大速率,可以細(xì)化鋼的組織[1],細(xì)化晶?？梢宰柚沽鸭y形成及擴(kuò)展,從而提高鋼的韌性。如圖2所示,試驗(yàn)鋼組織晶粒度達(dá)10級(jí),組織較為細(xì)小,從而保證鋼的低溫韌性。

由于返紅溫度以及冷卻速度不同,在快速冷卻后的連續(xù)冷卻過程中,鋼中碳擴(kuò)散速率不同,發(fā)生較為顯著不同的組織轉(zhuǎn)變?？炖渲?00℃以下,試驗(yàn)鋼組織發(fā)生了部分貝氏體轉(zhuǎn)變,少量塑性好的貝氏體通過塑性變形有效緩解裂紋前端的三向應(yīng)力集中,從而使韌性斷裂機(jī)制增強(qiáng)[2,3],在晶粒大小相同情形下,鐵素體+貝氏體+珠光體多相復(fù)合組織是大大提高試驗(yàn)鋼韌性的關(guān)鍵因素。

圖2 返紅溫度對(duì)試驗(yàn)鋼金相組織的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

圖3 返紅溫度對(duì)試驗(yàn)鋼組織的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

圖4 返紅溫度對(duì)試驗(yàn)鋼-60℃沖擊斷口形貌的影響:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

試驗(yàn)鋼快冷后,返紅溫度為550℃,冷速加大,在軋制過程中形成的高密度位錯(cuò)在鐵素體基體里得到更多保留(圖5a),在鐵素體基體中固溶的碳含量增加,強(qiáng)化了鐵素體組織,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大,并容易造成裂紋前端應(yīng)力集中,使得鋼的強(qiáng)度有所上升但塑性降低,低溫沖擊韌性有所下降。返紅溫度為600℃時(shí),鐵素體位錯(cuò)密度降低,鋼的強(qiáng)度也有所下降,碳化物分散析出沒有粗化(圖5b),對(duì)低溫韌性十分有利。返紅溫度在650℃以上,鋼中不會(huì)出現(xiàn)貝氏體,溫度越高,從奧氏體晶界析出碳化物越多,碳在晶界偏聚越嚴(yán)重,使碳化物越粗大且形狀越不規(guī)則(圖5c),這種粗大碳化物是導(dǎo)致低溫沖擊韌性顯著下降的主要原因。

圖5 試驗(yàn)鋼的精細(xì)組織結(jié)構(gòu)及碳化物形貌:(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃

4 結(jié)論

(1)軋后噴水快冷返紅溫度控制在600℃以下,低碳低硅鋼組織發(fā)生部分貝氏體轉(zhuǎn)變,形成了鐵素體+貝氏體+珠光體多相復(fù)合組織,這種組織是實(shí)現(xiàn)低碳低硅鋼高韌性的關(guān)鍵因素。

(2)返紅溫度為600℃時(shí),試驗(yàn)鋼的低溫沖擊韌性最好;返紅溫度為550℃時(shí),鋼的強(qiáng)度有所上升且塑性降低,低溫沖擊韌性略下降;返紅溫度控制在650℃以上,粗大碳化物從奧氏體晶界析出,導(dǎo)致低溫沖擊韌性顯著降低。

[1] 小指軍夫.控制軋制控制冷卻-改善材質(zhì)的軋制技術(shù)發(fā)展[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:20-34.

[2] 張樹松.鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理與技術(shù)途徑[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995:179-194.

[3] 肖紀(jì)美.金屬的韌性與韌化[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1982:395-404.