72A簾線鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律的分析

范廣彬,劉雅政,孟憲成

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京,100083)

72A簾線鋼線材在金屬制品行業(yè)中主要用于高級(jí)別胎圈絲、高級(jí)別鋼絲繩等產(chǎn)品[1]。單一均勻的索氏體組織具有良好的冷拔性能,先共析鐵素體不利于冷拔,因此簾線鋼應(yīng)具有高索氏體化率,其組織性能要求根據(jù)不同品種來(lái)控制冷卻工藝參數(shù)[2]。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線能精確地反映不同冷卻速度下鋼材的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系,對(duì)72A簾線鋼生產(chǎn)有著直接的實(shí)際指導(dǎo)意義[3]。為此,本文采用熱膨脹法在Gleeble-1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定72A簾線鋼的CCT曲線,并分析了開(kāi)始冷卻溫度為900℃時(shí)不同冷卻速度下簾線鋼的室溫組織和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律,以期為工業(yè)生產(chǎn)簾線鋼提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為某鋼廠72A簾線鋼線材進(jìn)精軋前的坯料,盤(pán)條直徑為10mm,并將其加工成臺(tái)階狀(見(jiàn)圖1)。72A簾線鋼的主要化學(xué)成分分為:w(C)=0.73%,w(Si)=0.24%,w(M n)=0.50%,w(P)=0.011%,w(S)=0.01%。

圖1 臺(tái)階狀試樣加工示意圖Fig.1 Machin ing sketch chart of thermal simulated specimen

1.2 試驗(yàn)方法

在Gleeble-1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上,先將72A簾線鋼(氬氣保護(hù)下)以10℃·s-1的速度由室溫加熱至1 050℃,保溫5 m in后,再以10℃·s-1冷卻速度冷卻至1 000℃;然后將72A簾線鋼進(jìn)行2次變形,其變形量均為25%,應(yīng)變速率均為20 s-1;最后將72A簾線鋼以50℃·s-1的冷卻速度快速冷卻至900℃,按設(shè)定溫度以1～50℃·s-1的冷卻速度連續(xù)冷卻至室溫,同時(shí)采集其溫度和膨脹量數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 72A簾線鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線

根據(jù)實(shí)際溫度的變化情況,采用切線法確定72A簾線鋼的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度和轉(zhuǎn)變時(shí)間以及轉(zhuǎn)變終了溫度和轉(zhuǎn)變時(shí)間,觀察72A簾線鋼的室溫組織和電鏡組織,并測(cè)量其顯微硬度。圖2為72A簾線鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線。

圖3為不同冷卻速度下72A簾線鋼的轉(zhuǎn)變完成時(shí)間。在相同開(kāi)始冷卻溫度(900℃)下,冷卻速度越快,簾線鋼轉(zhuǎn)變完成的時(shí)間越短,其原因是,隨著冷卻速度的加快,過(guò)冷度增大,使鋼中奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的自由焓差值增大,晶界、位錯(cuò)等處的臨界形核自由能與均勻形核時(shí)的臨界形核自由能相比逐漸變小[4],所以在晶界上越易形核,相變?cè)揭走M(jìn)行,簾線鋼轉(zhuǎn)變完成的時(shí)間越短。

圖2 72A簾線鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線Fig.2 Dynamic CCT curves of 72A cord steel

圖3 不同冷卻速度下72A簾線鋼的轉(zhuǎn)變完成時(shí)間Fig.3 Finishing transformation time of 72A cord steel at different cooling rates

2.2 72A簾線鋼的組織分析

圖4為不同連續(xù)冷卻速度下72A簾線鋼的顯微組織。72A簾線鋼在較低冷卻速度(25℃·s-1以下)時(shí)僅發(fā)生過(guò)冷奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變;較高冷卻速度(35℃·s-1以上)時(shí)僅發(fā)生珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變,不發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變。據(jù)Image tool軟件測(cè)得,在1、5、20℃·s-1的冷卻速度下,鋼中鐵素體所占體積分別為1.64%、1.28%、0.30%。當(dāng)冷卻速度為25℃·s-1時(shí),鋼中鐵素體含量為0。由此可知,隨著冷卻速度加快,轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的鐵素體越來(lái)越少。冷卻速度為35～50℃·s-1時(shí),鋼中出現(xiàn)了馬氏體,且馬氏體含量隨著冷卻速度加快而增加。當(dāng)冷卻速度達(dá)到35℃·s-1時(shí),由于冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致先共析鐵素體晶胚達(dá)不到形成晶核的臨界尺寸,因此來(lái)不及析出先共析鐵素體,此時(shí)過(guò)冷奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體兩相,即亞共析成分的過(guò)冷奧氏體不析出先共析相而直接分解為鐵素體和滲碳體組成的珠光體。

圖5為不同連續(xù)冷卻速度下72A簾線鋼的電鏡組織。當(dāng)冷卻速度為1℃·s-1時(shí),鋼中珠光體片層間距為2～0.16μm,以細(xì)珠光體(索氏體)為主,存在少量的粗珠光體(珠光體),冷卻速度繼續(xù)加快,粗珠光體逐漸減少;當(dāng)冷卻速度達(dá)到7℃·s-1時(shí),鋼中珠光體片層間距為0.30～0.11 μm,全部為細(xì)珠光體(索氏體);冷卻速度達(dá)到10℃·s-1以上時(shí),鋼中出現(xiàn)片層間距小于0.1μm的極細(xì)珠光體,即組織中出現(xiàn)了屈氏體(或托氏體)。由此可見(jiàn),隨著冷卻速度加快,鋼中珠光體片層間距越來(lái)越小。這是因?yàn)殇摰霓D(zhuǎn)變溫度越低,其碳原子擴(kuò)散速度越小;鋼的過(guò)冷度越大,其形核率越高[5]。各種冷卻速度下鋼中珠光體共同特征是其組織均勻性較差,滲碳體片薄且排列紊亂。

圖5 不同冷卻速度下72A簾線鋼的電鏡組織Fig.5 SEM micrographs of 72A cord steel at different cooling rates

圖6為不同冷卻速度下72A簾線鋼中珠光體的顯微硬度變化曲線。鋼中珠光體的硬度(HV 200)隨著冷卻速度加快而增加。當(dāng)冷卻速度為1～10℃·s-1時(shí),鋼中珠光體組織的硬度值明顯增加,而在20～50℃·s-1冷卻速度下,鋼中珠光組織硬度值變化不大,這是由于鋼中的組織成分和珠光體片層間距發(fā)生了變化所致。隨著冷卻速度的加快,鋼中的過(guò)冷度加大,其轉(zhuǎn)變溫度降低,珠光體片層間距減少,即鐵素體和滲碳體變薄,相界面增多。在外力作用下,鋼的抗范性變形能力增強(qiáng),在宏觀上就表現(xiàn)為其硬度增大。當(dāng)冷卻速度大于20℃·s-1時(shí),鋼中珠光體片層間距變化較小,即鐵素體和滲碳體片層沒(méi)有較大變化,故其硬度變化較小。

由此可見(jiàn),要得到鋼中均勻的索氏體組織,其冷卻速率不能太快;為減少鋼中鐵素體含量,其冷卻速度不能太慢。因此,在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變條件下很難得到鋼中均勻而有序的索氏體組織。

圖6 不同冷卻速度下72A簾線鋼中珠光體的顯微硬度Fig.6 Micro hardness of pearlite in 72A cord steel at different cooling rates

3 結(jié)論

(1)72A簾線鋼動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻速度越快,其轉(zhuǎn)變完成的時(shí)間越短,珠光體片層間距越小,珠光體顯微硬度越大。在連續(xù)冷卻時(shí),鋼中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為25～35℃·s-1。

(2)當(dāng)冷卻速度大于1℃·s-1時(shí),72A簾線鋼室溫組織主要為索氏體;大于10℃·s-1時(shí),鋼的珠光體中出現(xiàn)屈氏體。冷卻速度越慢,鋼中相變后的鐵素體含量越多。要獲得鋼中高的索氏體化率,其冷卻速度應(yīng)控制在1～7℃·s-1,但鋼中珠光體組織的均勻性較差。采用連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變方式難以獲得單一均勻的索氏體組織。

[1] 蔣躍東,羅德信,趙隆崎.高碳鋼SWRH72A線材軋制工藝的實(shí)驗(yàn)研究[J].武鋼技術(shù),2003,41(5):1-5.

[2] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:182.

[3] 宋維錫.金屬學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:328.

[4] 張迎暉,康永林,于浩,等.TRIP鋼變形奧氏體連續(xù)冷卻過(guò)程的相變及組織研究[J].金屬熱處理,2005,30(12):79-81.

[5] 劉宗昌,任慧平.過(guò)冷奧氏體擴(kuò)散型相變[M].北京:科學(xué)出版社,2007:54.