冷卻工藝對(duì)熱軋65Mn鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

宋進(jìn)英，齊祥羽，陳連生，田亞強(qiáng)，鄭小平，趙定國(guó)

（華北理工大學(xué)，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山 063009）

0 引 言

熱軋65Mn鋼是生產(chǎn)各類冶金鋸片的主要材料之一，屬優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，兼具高碳及低合金鋼的特點(diǎn)，具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度，經(jīng)熱處理后可以得到良好的力學(xué)性能［1－3］。熱軋65Mn鋼的力學(xué)性能是影響冶金鋸片產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命的重要指標(biāo)［4］。65Mn鋼在用于生產(chǎn)冶金鋸片時(shí)，存在冷軋道次多、變形抗力高等問題。因此，需降低熱軋65Mn鋼的力學(xué)性能，以降低其冷軋加工硬化率。冷卻工藝控制是一種有效改善熱軋鋼材最終顯微組織和力學(xué)性能的方法［5－7］。通過改變終軋溫度、卷取溫度以及各階段冷卻速率，可以改變鋼的相變行為來控制其顯微組織，改善其綜合性能［8－10］。

冷卻工藝的主要目的是提高熱軋鋼材的綜合性能，但某廠生產(chǎn)的熱軋65Mn鋼力學(xué)性能偏高，存在冷軋過程中原料開坯偏硬的現(xiàn)象。為解決此問題，作者結(jié)合65Mn鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線，研究了終軋后冷卻工藝對(duì)65Mn鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，從而為制定最優(yōu)的冷卻工藝參數(shù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用65Mn鋼取自某熱軋窄帶鋼生產(chǎn)車間，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。65Mn鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：0.64C，0.25Si，1.05Mn，0.012P，0.005S，0.10Cr，0.20Ni，0.15Cu。熱軋65Mn鋼出精軋機(jī)組的溫度即為終軋溫度，終軋至卷取工序間的冷速是從終軋?zhí)幹辆砣￠g的平均冷卻速率，卷取后的冷速是65Mn鋼卷取后冷卻至室溫的平均冷卻速率。

圖1 熱軋65Mn鋼生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Process flow of hot rolled 65Mn steel

在Gleeble－3500型熱模擬機(jī)上測(cè)得65Mn鋼的臨界點(diǎn)Ar1為695℃，Ar3為734℃，Ac1為717℃，Ac3為751℃，Ms為255℃。然后測(cè)定了65Mn鋼在12種不同冷卻速率下連續(xù)冷卻時(shí)的膨脹曲線，冷卻速率為40，30，20，10，2，1，0.5，0.3，0.1，0.05 ℃·s－1時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬度分別為695，660，498，378，351，339，301，270，265，254，264，225HV，根據(jù)不同膨脹曲線上的拐點(diǎn)或切點(diǎn)，結(jié)合顯微組織，確定了相變溫度，最終獲得65Mn鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，如圖2所示。

圖2 65Mn鋼的CCT曲線Fig.2 CCT curves of 65Mn steel

由圖2可知，過冷奧氏體相變主要發(fā)生在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，相變產(chǎn)物主要是先共析鐵素體和珠光體；當(dāng)冷卻速率大于10℃·s－1后，珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，從而構(gòu)成下部的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變中止線。由此可見，只要65Mn鋼在小于10℃·s－1的冷卻速率下冷卻至室溫，將得到全部的鐵素體和珠光體組織。

由現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)測(cè)可知，65Mn熱軋窄帶鋼的終軋溫度為940℃，卷取溫度為670℃，終軋至卷取工序間的平均冷卻速率為5.4℃·s－1，卷取后平均冷卻速率為0.02℃·s－1，結(jié)合65Mn鋼CCT曲線可知，65Mn熱軋窄帶鋼大約在卷取時(shí)開始發(fā)生珠光體相變。為此，確定了如表1所示的冷卻工藝參數(shù)。

表1 65Mn鋼的冷卻工藝參數(shù)Tab.1 Cooling process parameters of 65Mn steel

采用線切割對(duì)不同冷卻工藝下生產(chǎn)的65Mn鋼板分別取樣，取樣位置距鋼卷尾部10m，尺寸規(guī)格分別為10mm×10mm、20mm×200mm（長(zhǎng)度沿軋制方向）和40mm×40mm。將10mm×10mm試樣分別沿軋制方向鑲嵌斷面，用砂紙逐級(jí)打磨至2000＃，拋光，用4%硝酸酒精（體積分?jǐn)?shù)）腐蝕后，采用Axiovert200MAT型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察其顯微組織；根據(jù)GB／T 228－2002，采用MTS810型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)20mm×200mm試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2mm·min－1；根據(jù)GB／T 230－1991，在574R型洛氏硬度儀上測(cè)試40mm×40mm試樣的硬度，總試驗(yàn)力為1471N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 終軋溫度的影響

由圖3可知，在相同的冷卻速率（終軋至卷取冷速5.4℃·s－1，卷取后冷速0.02℃·s－1）不同終軋溫度下生產(chǎn)的65Mn鋼，其顯微組織均由珠光體和少量的先共析鐵素體組成，晶粒均勻細(xì)小，平均晶粒度均在7～8級(jí)之間；隨著終軋溫度的升高，組織的晶界趨于明顯，晶粒尺寸逐漸增大，晶粒度降低。較高的終軋溫度導(dǎo)致軋后奧氏體晶粒尺寸也較大，在經(jīng)相同的控冷工藝?yán)鋮s至室溫時(shí)，高溫終軋變形后粗大的晶粒尺寸得以保留；同時(shí)由于軋后的冷卻速率相對(duì)較小，珠光體相變溫度相對(duì)較高，使相變后的珠光體晶粒有時(shí)間充分生長(zhǎng)，因此，晶粒尺寸較為粗大。

由表2可知，在相同的冷卻速率下，隨著終軋溫度的升高，65Mn鋼的室溫力學(xué)性能逐漸降低。這是因?yàn)樵谳^高的終軋溫度下軋制時(shí)，65Mn鋼的原始奧氏體晶粒較粗大，使得相變后的珠光體晶粒尺寸較大，因而其力學(xué)性能相對(duì)較低。

表2 不同終軋溫度下65Mn鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 65Mn steel at different final rolling temperatures

圖3 不同終軋溫度下65Mn鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of 65Mn steel at different final rolling temperatures

2.2 終軋至卷取間冷卻速率的影響

由圖4可知，在終軋溫度為940℃，卷取后冷速為0.02℃·s－1時(shí)，終軋至卷取間冷卻速率較快時(shí)65Mn鋼中先共析鐵素體含量較少，晶粒尺寸較細(xì)小。這是因?yàn)榻K軋至卷取間冷卻速率較快時(shí)，抑制了先共析鐵素體的析出，使得軋后奧氏體晶粒長(zhǎng)大緩慢，珠光體相變前的奧氏體晶粒尺寸相對(duì)較小，珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度降低；同時(shí)由于奧氏體到珠光體的轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型相變，隨著冷卻速率的增大，過冷度也增大，這就促進(jìn)了鐵素體或滲碳體的形核而抑制了晶粒的長(zhǎng)大，使顯微組織細(xì)化。

由表3可知，在終軋溫度和卷取后冷速一定時(shí)，隨著終軋至卷取間冷卻速率的升高，65Mn鋼的室溫強(qiáng)度與硬度逐漸增大，這是由于終軋至卷取間冷卻速率的加快，使得奧氏體向珠光體的實(shí)際相變開始溫度降低，相變后所獲得的珠光體晶粒細(xì)小，因而強(qiáng)度與硬度較高。

表3 終軋至卷取間不同冷卻速率下65Mn鋼的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of 65Mn steel at different cooling rates between final rolling and coiling

圖4 終軋至卷取間不同冷卻速率下65Mn鋼的顯微組織Fig.4 Microstructures of 65Mn steel at different cooling rates between final rolling and coiling

2.3 卷取后冷卻速率的影響

由圖5可知，在終軋溫度為940℃，終軋至卷取間冷速為5.4℃·s－1下，卷取后冷卻速率較慢的65Mn鋼晶粒尺寸較大。卷取后緩慢冷卻，延長(zhǎng)了珠光體相轉(zhuǎn)變的時(shí)間，有利于晶粒的長(zhǎng)大。

由表4可知，在終軋溫度和終軋至卷取間冷速一定時(shí)，隨著卷取后冷卻速率的提高，65Mn鋼的室溫強(qiáng)度與硬度逐漸增大。卷取后冷卻速率越大，熱量散失越快，縮短了珠光體相變時(shí)間，使珠光體晶粒長(zhǎng)大減緩，晶粒尺寸較小，因而其強(qiáng)度和硬度相對(duì)較高。

圖5 卷取后不同冷卻速率下65Mn鋼的顯微組織Fig.5 Microstructures of 65Mn steel at different cooling rates after coiling

表4 卷取后不同冷卻速率下65Mn鋼的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of 65Mn steel after different cooling rates after coiling

3 結(jié) 論

（1）在終軋后冷卻工藝相同的情況下，隨著終軋溫度的升高，65Mn鋼晶粒尺寸增大，強(qiáng)度與硬度降低。

（2）在終軋溫度及卷取后冷卻速率相同的情況下，加快終軋至卷取間的冷卻速率，可以細(xì)化65Mn鋼組織，提高其強(qiáng)度與硬度。

（3）在終軋溫度和終軋至卷取間冷卻速率相同的情況下，減緩卷取后的冷卻速率，可以促進(jìn)65Mn鋼珠光體晶粒的長(zhǎng)大，降低其強(qiáng)度與硬度。

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