CSP熱軋30CrMo鋼的組織性能分析

譚 文 韓 斌 蔡 珍 魏 兵

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

30CrMo鋼由于具有較高的強(qiáng)度和硬度、良好的韌性、淬透性和機(jī)械加工性能等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于刀具、汽車零部件等行業(yè)[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，30CrMo鋼作為切割鋸片基體得到了廣泛的應(yīng)用。

目前30CrMo通常在窄帶流程和熱連軋等常規(guī)流程生產(chǎn)，其產(chǎn)品存在成分偏析和組織不均等問(wèn)題。與常規(guī)流程相比，短流程產(chǎn)線生產(chǎn)的30CrMo鋼由于具有偏析小、組織均勻、帶狀組織輕的優(yōu)點(diǎn)[2]。武鋼短流程產(chǎn)線于2009年正式投產(chǎn)，為最新的一條短流程產(chǎn)線，但一直未進(jìn)行中高碳鋼的開發(fā)研究。本文介紹了武鋼首次試制30CrMo鋼的組織和性能，并對(duì)鋼中存在的組織和力學(xué)不均勻性問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試制鋼材的化學(xué)成分及方案

30CrMo鋼的成分如表1所示。

表1 30CrMo鋼化學(xué)成分

軋制階段的工藝控制為終軋860～900℃，卷取590～630℃，采用前段快速冷卻。精軋卷取后，鋼卷存放在鋼卷庫(kù)中，采用堆垛冷卻至室溫。然后進(jìn)行平整取金相樣和力學(xué)性能測(cè)試樣，取樣在鋼卷尾部和中部進(jìn)行，金相試樣和拉伸試樣均位于板寬方向1/4處。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

30CrMo鋼的鋼卷尾部和中部的微觀組織見圖1所示，從圖中1可以看出，鋼卷軋制尾部的組織主要為貝氏體+鐵素體+少量珠光體組織，鋼卷中部為粗大的鐵素體+珠光體片層組織。

鋼卷尾部和中部的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表2所示。

表2 鋼卷不同部位力學(xué)性能

從表1中可以看出，鋼卷尾部的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度值均較高，且屈強(qiáng)比也較高，屈強(qiáng)比達(dá)到0.791，延伸率為16.0%。與鋼卷軋制尾部的性能相比，鋼卷中部的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度值均較低，屈服強(qiáng)度降低約270MPa，抗拉強(qiáng)度降低180MPa，硬度降低約64HBW，但延伸率明顯上升，延伸率升高約9個(gè)百分點(diǎn)。

3 分析與討論

3.1 微觀組織和力學(xué)性能

根據(jù)實(shí)測(cè)30CrMo鋼的CCT曲線分析，如圖2所示，在連續(xù)冷卻條件下，如果帶鋼的冷卻速度大于0.25℃/s，則帶鋼會(huì)直接進(jìn)入貝氏體相變區(qū)，最終形成鐵素體+貝氏體組織。如果帶鋼冷卻速度小于0.25℃/s，則帶鋼會(huì)進(jìn)入鐵素體和珠光體相變區(qū)，形成鐵素體+珠光體組織。

圖1 微觀組織

圖2 實(shí)測(cè)30CrMo鋼的CCT曲線

在實(shí)際生產(chǎn)中，帶鋼出精軋最后一個(gè)機(jī)架后直至冷卻至室溫，冷卻主要分兩個(gè)階段，即在層流冷卻段的快冷和在卷取后的慢速冷卻。在層流冷卻輥道上，帶鋼溫度低于鐵素體相變溫度而進(jìn)入鐵素體相變區(qū)，但由于在層流冷卻輥道上的停留時(shí)間較短，因此在此階段只發(fā)生少量的鐵素體相變。雖然此時(shí)帶鋼溫度也會(huì)低于珠光體相變溫度，但由于帶鋼在層流冷卻段的冷卻速度大于珠光體相變的臨界冷卻速率，因此，帶鋼在層流冷卻段不會(huì)發(fā)生珠光體相變。在隨后鋼卷的冷卻過(guò)程中，如果冷卻速率大于0.25℃/s，則帶鋼中形成完全的鐵素體+貝氏體組織，相反，則會(huì)形成鐵素體+珠光體組織。在本次試制中，30CrMo鋼在590～640℃卷取，經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算，在層流冷卻輥道上，本次試制帶鋼的平均冷卻速度大于15℃/s，平均停留時(shí)間約為10s，而在卷取后在高于500℃時(shí)測(cè)得鋼卷外圈冷卻速度大于0.3℃/s，鋼卷中部的冷卻速率小于0.02℃/s。因此鋼卷軋制尾部主要形成鐵素體+貝氏體組織，如果鋼卷卷取溫度較高，也會(huì)形成部分的珠光體組織。鋼卷中部則進(jìn)入珠光體相變區(qū)，發(fā)生完全珠光體相變，形成F+P的組織，且由于在珠光體相變過(guò)程中，釋放相變潛熱，使鋼卷中部的溫度進(jìn)一步升高，因此鋼卷中部形成粗大的鐵素體+珠光體組織。

對(duì)于鋼卷尾部，由于形成的組織為低溫的貝氏體組織，因此其強(qiáng)度、硬度等值均較高，而延伸率較低。對(duì)于鋼卷中部，由于其組織為高溫形成的粗大鐵素體+珠光體組織，因此鋼材的屈服強(qiáng)度主要由組織中較軟的一相，即鐵素體強(qiáng)度決定。由于形成的鐵素體組織不僅晶粒粗大，且鐵素體由于高溫作用，其位錯(cuò)強(qiáng)化、亞晶強(qiáng)化等作用較小，因此形成的鐵素體組織強(qiáng)度較低，最終導(dǎo)致鋼卷中部的屈服強(qiáng)度較低。珠光體鋼的抗拉強(qiáng)度主要取決于珠光體片層間距S0，溫度越高S0越大，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相差較大，也就導(dǎo)致其屈強(qiáng)比也降低。由于強(qiáng)度的降低，鋼材在變形時(shí)金屬的流動(dòng)性得以改善，因此其延伸率明顯上升。

3.2 組織和力學(xué)性能改善措施

30CrMo鋼的常規(guī)組織為鐵素體+珠光體組織，但在本次試制過(guò)程中，鋼卷的尾部形成了貝氏體組織，中部為珠光體組織，造成了組織和力學(xué)性能的不均勻。主要原因在于鋼卷尾部和鋼卷中部冷卻速度不均造成，因此，減少鋼卷力學(xué)性能波動(dòng)應(yīng)首先減少鋼卷全長(zhǎng)方向的冷卻速度差異，可采用在卷取后進(jìn)行加蓋保溫罩的方式來(lái)提高卷取后的鋼卷內(nèi)外冷卻均勻性，另外在鋼卷庫(kù)放置時(shí)，應(yīng)盡量避免將鋼卷放置門口等通風(fēng)處。為避免尾部的強(qiáng)度和硬度過(guò)高，可采取適當(dāng)提高卷取溫度的方式，即增加卷取后鋼材在鐵素體相變區(qū)的停留時(shí)間，增加基體中鐵素體，而減少組織中的硬相珠光體和貝氏體。在這種情況下，應(yīng)考慮季節(jié)變化的影響，根據(jù)不同季節(jié)制定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。

4 結(jié)論

本文對(duì)武鋼CSP熱軋30CrMo鋼卷的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)和分析。針對(duì)試制過(guò)程中長(zhǎng)度方向出現(xiàn)的組織和性能差異進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析認(rèn)為卷取后的鋼卷不同部位的冷卻不均及卷取溫度偏低是造成組織和性能波動(dòng)的主要原因，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，可采取以下幾個(gè)方面的措施來(lái)降低鋼卷長(zhǎng)度方向力學(xué)性能的不均勻性：

1)對(duì)鋼卷采取保溫措施，采取加蓋保溫罩，并避免通風(fēng)放置，保證整個(gè)鋼卷的冷卻均勻性；

2)提高卷取溫度，增加鋼卷在鐵素體相變區(qū)的停留時(shí)間以增加組織中的鐵素體比例，由于冬夏氣溫變化較大，針對(duì)不同季節(jié)，可采取兩種不同的工藝，在夏季采用較低的卷取溫度，在冬季采取較高的卷取溫度。

[1] 鄭洋，李衛(wèi).薄板坯連鑄連軋30CrMo 帶鋼的組織與力學(xué)性能[J],熱加工工藝，2013,42(9)：143-146.

[2] 毛新平,謝利群,等.薄板坯連鑄連軋30CrMo鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線和應(yīng)用[J].特殊鋼,2012,33(3):44-46.