鈮對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻過(guò)程中相變和珠光體片層間距的影響

楊超飛，吳慶輝 ，陳 穎 ，王慧敏 ，楊忠民

（鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京100081）

0 引 言

高碳鋼線材是制造輪胎鋼絲及彈簧鋼絲等的重要原料，其質(zhì)量及性能的優(yōu)劣備受關(guān)注。目前，通常采用微合金化以及優(yōu)化控冷生產(chǎn)工藝提高其綜合性能［1］。

微合金元素鈮在低碳鋼中的作用已經(jīng)研究的相當(dāng)廣泛和深入，加入適量鈮可以細(xì)化其晶粒，提高晶粒的粗化溫度（即提高高溫區(qū)奧氏體晶粒的穩(wěn)定性）以及鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性［2］。然而，在高碳鋼中加入鈮的作用如何，到目前為止，相關(guān)文獻(xiàn)研究多集中在升溫階段鈮元素可以有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化奧氏體晶粒方面，而對(duì)鈮微合金化高碳鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究則少見(jiàn)報(bào)道。高碳鋼在低冷速下的轉(zhuǎn)變組織以珠光體為主，Elwazri等［3］和 Gladman［4］的研究認(rèn)為，珠光體片層間距是決定珠光體強(qiáng)度的最重要因素；Hiroyasu等［5］通過(guò)控制珠光體片層間距至0.1μm以下，得到了抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 300MPa的鋼軌鋼；李翼［6］等的研究表明微合金元釩對(duì)珠光體的片層間距具有減小作用，但鈮對(duì)珠光體片層間距的影響機(jī)制未被討論。

為此，作者在普通高碳鋼中加入微合金元素鈮，研究了鈮元素對(duì)高碳鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體組織轉(zhuǎn)變和珠光體片層間距的影響，期望為制訂合理的控冷工藝，充分發(fā)揮微合金元素的作用提供理論基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為5kg的高碳鋼鋼錠，其中一個(gè)含鈮，另一個(gè)不含鈮，其化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，其主要設(shè)計(jì)原則是在保證碳、硅、錳含量不變的情況下加入微量鈮，以研究鈮對(duì)高碳鋼在連續(xù)冷卻過(guò)程中相變的影響。將鋼錠鍛造成φ16mm的棒材，鍛后進(jìn)行850℃正火。

用Thermo－Calc軟件計(jì)算該鋼共析點(diǎn)的碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0.716%，0.724%，可知1＃和2＃試驗(yàn)鋼的碳含量均小于共析點(diǎn)碳含量，故試驗(yàn)鋼應(yīng)為亞共析鋼；兩種鋼的共析點(diǎn)碳含量差別為0.008%，差別很小，可見(jiàn)，微量鈮對(duì)試驗(yàn)鋼共析點(diǎn)碳含量的影響很小。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of tested steels（mass）%

1.2 試驗(yàn)方法

加工出直徑為10mm、長(zhǎng)為100mm的試樣，在Gleeble 1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加熱及冷卻試驗(yàn)，獲取繪制CCT曲線所需數(shù)據(jù)，依據(jù)YB 5128—1993［7］制定熱膨脹法的試驗(yàn)方案如圖1所示，其中650～850℃之間的升溫速率為200℃·h－1，這是為了準(zhǔn)確測(cè)試驗(yàn)鋼的Ac1（組織開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的溫度）和Ac3（組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的溫度）；在1 200℃保溫2min主要是為了使鈮盡可能完全溶解；以不同的冷速冷卻至室溫，記錄下膨脹曲線以測(cè)相變溫度，通過(guò)熱電偶測(cè)試樣溫度。

圖1 熱模擬試驗(yàn)方案Fig.1 Scheme of thermal simulation test

將上述試樣在中間熱電偶焊接處切割出若干個(gè)長(zhǎng)為10mm的小圓柱體，將其打磨、拋光、腐蝕后在光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察組織，在掃描電鏡（SEM）下測(cè)珠光體的片層間距，并在Vickers硬度計(jì)上測(cè)硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鈮對(duì)試驗(yàn)鋼CCT曲線的影響

依據(jù)得到的熱膨脹曲線知，1＃試驗(yàn)鋼的Ac3＝795℃，Ac1＝746℃，Ms＝240 ℃；2＃試驗(yàn)鋼的Ac3＝797℃，Ac1＝747℃，Ms＝242℃?？梢钥闯?，鈮的加入對(duì)Ac3，Ac1，Ms等轉(zhuǎn)變溫度影響不大。將準(zhǔn)確測(cè)得的連續(xù)冷卻過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織的開(kāi)始溫度和結(jié)束溫度列于表2中，由Ar3－Ar1計(jì)算相變溫度區(qū)間。

表2 試驗(yàn)鋼在不同冷速下的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度、硬度和轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間Tab.2 Transformation temperatures，hardness and width of transitiontemperature region of tested steels at the different cooling rates

由圖2可知，在0.1，0.3，0.6℃·s－1低冷速條件下，1＃，2＃試驗(yàn)鋼的室溫組織為珠光體（P）和少量鐵素體（F）；1＃試驗(yàn)鋼在冷速達(dá)到1℃·s－1時(shí)仍為珠光體和少量鐵素體，在2℃·s－1時(shí)為珠光體和貝氏體（B）的混合組織，在4℃·s－1時(shí)基本為馬氏體（M）和貝氏體的混合組織；2＃試驗(yàn)鋼從冷速達(dá)到1℃·s－1時(shí)即為珠光體和貝氏體的混合組織，4℃·s－1時(shí)為大量馬氏體和少量貝氏體的混合組織。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的鈮后，高碳鋼的組織明顯細(xì)化，在較低的冷速下也會(huì)出現(xiàn)貝氏體和馬氏體的混合組織。根據(jù)組織和轉(zhuǎn)變溫度可得試驗(yàn)鋼的CCT曲線，如圖3所示。

圖2 不同試驗(yàn)鋼以不同冷速冷至室溫時(shí)的顯微組織Fig.2 Microstructure of different tested steels cooled to room temperature at different cooling rates

由圖3可知，與1＃試驗(yàn)鋼相比，2＃試驗(yàn)鋼的CCT曲線整體向右下偏離，表現(xiàn)為2＃試驗(yàn)鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度和結(jié)束溫度均低于1＃試驗(yàn)鋼的，如冷速為0.3℃·s－1時(shí)，1＃試驗(yàn)鋼比2＃試驗(yàn)鋼的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度高15℃、結(jié)束溫度高14℃，但兩者的相變溫度區(qū)間大小不變?？梢?jiàn)微量鈮的加入對(duì)高碳鋼CCT曲線的影響很明顯。

圖3 試驗(yàn)鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of tested steels

對(duì)照?qǐng)D并以0.1，0.3，0.6℃·s－1低冷速下的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域分析其原因。珠光體轉(zhuǎn)變是典型的形核長(zhǎng)大型相變，其轉(zhuǎn)變過(guò)程要經(jīng)過(guò)孕育期和形核長(zhǎng)大期。鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，以置換原子的形式溶于奧氏體中，會(huì)對(duì)間隙原子碳產(chǎn)生很強(qiáng)的拖曳作用，由此增加了碳原子在過(guò)冷奧氏體中的擴(kuò)散激活能；擴(kuò)散激活能的提高使珠光體的孕育期變長(zhǎng)［6］，珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度降低。故在相同的冷速下，鋼中加入鈮后奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度降低。

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)，珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速度決定連續(xù)冷卻條件下的珠光體相變起始溫度和終止溫度區(qū)間。根據(jù) Zener－Hillert［8］理論，珠光體晶核的長(zhǎng)大速度v可以表示為

在相同的轉(zhuǎn)變溫度下，鋼中加入強(qiáng)碳化物形成元素能降低碳原子的擴(kuò)散系數(shù)，從而降低珠光體晶核的長(zhǎng)大速度。相同成分時(shí)轉(zhuǎn)變溫度越低，ΔT越大，從而珠光體晶核的長(zhǎng)大速度越大。在連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，珠光體晶核長(zhǎng)大速度受化學(xué)成分和轉(zhuǎn)變速度的共同影響。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知，1＃，2＃試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間基本一樣，從而可推斷出這兩種試驗(yàn)鋼的珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速度一致。加入鈮元素后，減??；相同冷速時(shí)，含鈮鋼的ΔT大于不含鈮鋼的。當(dāng)和（ΔT）2對(duì)v的影響相當(dāng)時(shí)，v可以保持不變，即珠光體晶核長(zhǎng)大的平均速率相同，在試驗(yàn)鋼中加入鈮后即為此種情況。

在連續(xù)冷卻條件下，高碳鋼中加入的鈮通過(guò)與碳的相互作用降低了孕育期結(jié)束時(shí)的珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度，對(duì)長(zhǎng)大期珠光體晶核的平均長(zhǎng)大速度基本無(wú)影響，從而使珠光體相變溫度區(qū)間不變。

2.2 鈮對(duì)珠光體片層間距的影響

由圖4可以看出，隨著冷速的增大，兩種試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距均減??；在相同冷速下，2＃試驗(yàn)鋼的珠光體片層間距比1＃試驗(yàn)鋼的小。

通過(guò)選取多張圖片和多個(gè)視場(chǎng)，用垂直線段法［9］測(cè)得了1＃，2＃試驗(yàn)鋼在0.1，0.3，0.6℃·s－1冷速下的珠光體片層間距，并列于表3中。由Thermo－Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算得1＃，2＃試驗(yàn)鋼的理論共析點(diǎn)溫度分別為736.8，737.4℃，結(jié)合表2中1＃，2＃試驗(yàn)鋼在相應(yīng)冷速條件下的實(shí)際轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度求得過(guò)冷度，一并列于表3中，如在冷速為0.3℃·s－1時(shí)，查得1＃試驗(yàn)鋼的珠光體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度為671℃，故過(guò)冷度為736.8－671＝65.8℃。

對(duì)于珠光體片層間距的理論計(jì)算，比較公認(rèn)的是Zener半經(jīng)驗(yàn)公式：

圖4 不同試驗(yàn)鋼在低冷速時(shí)珠光體的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of pearlite in different tested steels at low cooling rates

表3 試驗(yàn)鋼在低冷速下的過(guò)冷度和珠光體片層間距Tab.3 Undercooling and laminar spacing of pearlites of tested steels at low cooling rates

式中：S為珠光體片層間距；σ為比界面能；Vm為摩爾體積；Tc為珠光體平衡轉(zhuǎn)變溫度；ΔH 為相變潛熱；ΔT為過(guò)冷度。

假設(shè)σ，Vm，Tc和ΔH 在加鈮前后變化不大。則式（2）可以簡(jiǎn)化為

式中：K為常數(shù)。

可知，珠光體片層間距與過(guò)冷度成反比，過(guò)冷度增大將導(dǎo)致珠光體片層間距細(xì)化。這是因?yàn)殡S著過(guò)冷度的增大，奧氏體中的碳濃度增加，同時(shí)由于溫度降低，原子活動(dòng)能力減弱，擴(kuò)散距離縮短，從而使得使珠光體的片層間距得以減小。

結(jié)合表3數(shù)據(jù)，聯(lián)系前面的CCT曲線，可以得出，在相同轉(zhuǎn)變條件下，鈮的加入使珠光體片層間距細(xì)化，結(jié)合式（3）分析可知，主要是由于鈮的加入降低了試驗(yàn)鋼的過(guò)冷度。

鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，在高碳鋼中的溶解度很低，在連續(xù)冷卻過(guò)程中，可在高溫奧氏體溫區(qū)中以Nb（C，N）形式析出，阻礙碳的長(zhǎng)程擴(kuò)散，并降低珠光體的相變溫度，起到細(xì)化珠光體片層間距的作用；同時(shí)在奧氏體－珠光體相變過(guò)程中由于鈮的拖拽作用也抑制了碳的擴(kuò)散距離，進(jìn)一步減小了珠光體的片層間距，因此鈮的加入有利于珠光體片層間距的減小。

3 結(jié) 論

（1）鈮能使高碳鋼的CCT曲線向右下方移動(dòng)，并能明顯減小珠光體片層間距；在較低的冷速下（0.1℃·s－1），鈮對(duì)珠光體的轉(zhuǎn)變影響不大，在高冷速下，鈮對(duì)珠光體和貝氏體相變溫度的降低作用顯著；含鈮的高碳鋼更易得到貝氏體組織。

（2）鈮的添加對(duì)高碳鋼珠光體晶核的長(zhǎng)大速度具有雙重影響，使得加入鈮后珠光體晶核的平均長(zhǎng)大速度不變，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間變化不大。

（3）鈮能降低碳的擴(kuò)散速度和珠光體的相變溫度，并能增大過(guò)冷度，從而使珠光體片層間距減小。

［1］顧克井，魏軍，虞海燕，等.微合金高碳硬線鋼的研制［J］.鋼鐵，2005，40（11）：24－26.

［2］王右銘.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995：66－68.

［3］ELWAZRI A M，WANJARA P，YUE S.Metadynamic and static recrystallization of hypereutectoid steel［J］.Mater Sci Eng A，2005，404：91－93.

［4］GLADMAN T .The physical metallurgy of microalloyed steels［M］.London：Institute of Materials Press，1997：337－337.

［5］HIROYASU Y，SHINJI M，MINEYASU T.Development of high strength pearlitic steel rail（SP rail）with excellent wear and damage resistance［J］.NKK Technol Rev，2002，86：1－3.

［6］李翼，楊忠民.V對(duì)高碳鋼連續(xù)冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2010，46（12）：1501－1510.

［7］YB 5128－1993 鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)量方法（膨脹法）［S］.

［8］VERHOEVEN J D.Fundamentals of physical mttallurgy［M］.New York：John Wiley＆Sons，1975：436－436.

［9］趙堅(jiān).鈮對(duì)軌鋼組織和性能的影響［C］／／鋼軌鋼論文集.北京 ：鋼鐵研究總院，1986：41－47.