精煉和冷卻速度對(duì)鋼組織性能的影響

熊師兵　欒道成　孫衛(wèi)鵬　張偉

作者簡(jiǎn)介：熊師兵（1990—），男，四川南充人，西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：貝氏體鋼。

摘 要：本實(shí)驗(yàn)通過研究非真空電弧爐和電渣重熔得到的鋼的組織對(duì)比，來分析精煉的必要性；其次通過對(duì)試樣在890℃完全奧氏體化后分別進(jìn)讓其空冷、290℃等溫、320℃等溫處理處理后的織特征變化，分析冷卻速度對(duì)貝氏體鋼的組織性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)過電渣重熔得到的鋼組織更加均勻，細(xì)小以及致密，其綜合性能更優(yōu)良。隨著冷卻速度增大，本試驗(yàn)鋼的組織有粒狀貝氏體開始向針狀、板條狀轉(zhuǎn)變，并且硬度逐漸增大。

關(guān)鍵詞：貝氏體鋼；電渣重熔；組織性能

前言

鋼液質(zhì)量的好壞將會(huì)在很大程度上影響鋼構(gòu)件的性能，主要是雜質(zhì)相跟氣體等降低了組織的均勻性，改變了組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電渣重熔是一種二次精煉的技術(shù)，集鋼水二次精煉與定向凝固相結(jié)合的綜合的冶金鑄造過程。其原理是利用電流通過液態(tài)渣池形成渣組熱將金屬的電極融化，熔化的金屬匯聚成熔滴穿過渣層進(jìn)入金屬熔池，最后在水冷結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶結(jié)晶凝固成鋼錠[1]。電渣重熔的主要目的是提純金屬并獲得潔凈，組織均勻，致密的鋼錠。通過不同的熱處理和冷卻速度，可以使鋼獲得不同的組織、性能，以改善鋼的使用性能。

一、材料的成分

本實(shí)驗(yàn)所選用的原材料是一種通過非真空冶煉鑄造出來，空冷得到的一種貝氏體鋼，其成分如下：C0.28-0.35%、Si1.6-2.0%、Mn1.5-2.0%、P≤0.035%、S≤0.025%、Cr1.1-1.5%、Ni0.3-0.4%、Mo1.4-0.5%。具體熱處理工藝為：先對(duì)比分析電渣重熔前后試樣的組織特征，按空冷、290℃空氣爐等溫3h后空冷、300℃空氣爐等溫3h后空冷三種方式進(jìn)行處理。利用OLYMPUS-TOKYO金相顯微鏡觀察組織；利用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。

二、結(jié)果及分析

2.1精煉前后的金相組織

圖2.1 為新型貝氏體鋼的顯微組織

圖2.1分別是由普通非真空電弧爐和電渣重熔得到的貝氏體鋼的金相組織。從圖中可以看出，由以上兩種方式得到的貝氏體鋼的組織均為典型的粒狀貝氏體，并伴有少量針狀貝氏體。吳伯濤等對(duì)粒狀貝氏體的形態(tài)特征及相變特征做出了解釋，他認(rèn)為粒狀貝氏體是由上貝氏體形鐵素體+島狀組織組成[2]。由圖可以看出，兩種冶煉方式得到的組織在形態(tài)上沒有較大差別，但是相較于普通非真空電弧爐冶煉得到的組織，電渣重熔這種冶煉方式得到的組織更加均勻細(xì)小，更加致密。從組織形態(tài)上來說電渣重熔這種精煉方式具有其必要性。

2.2不同冷卻速度得到的組織

圖2.2 890℃奧氏體化15分鐘后不同的冷卻方式后組織

由圖可以明顯觀察到本次實(shí)驗(yàn)所用鋼經(jīng)過不同冷卻速度所得到的組織基本為貝氏體組織，但不同條件下得到貝氏體的組織的形態(tài)和種類都有所不同。圖（a）是貝氏體鋼的原始組織圖，主要為呈針狀和板條狀的下貝氏體，其中大塊白色組織為先共析鐵素體，其組織比較粗大而且雜亂。圖（b）是在隨爐加熱到890℃奧氏體化處理15分鐘后在320℃的熱處理爐中等溫3小時(shí)。可以觀察到金相組織為混合貝氏體組織。其中大部分為粒狀貝氏體，少量的針狀貝氏體，以及更少量的上貝氏體。圖（c）是在隨爐加熱到890℃后奧氏體化處理15分鐘后在290℃的熱處理爐中等溫3小時(shí)?？梢杂^察到粒狀貝氏體組織以及細(xì)條狀、針狀下貝氏體組織，由于其冷卻速度的降低，其貝氏體板條開始變得細(xì)長(zhǎng)[3]。由圖（b）與圖（c）對(duì)比可以看出，雖然兩圖都是粒狀貝氏體與針狀下貝氏體組織，但290℃處理下的組織比320℃處理下的組織晶粒更細(xì)長(zhǎng)，針狀貝氏體也較多，因?yàn)榈葴販囟仍降?，更接近下貝氏體生成區(qū)域，隨著溫度的降低，其貝氏體開始由針狀向塊狀轉(zhuǎn)變，并且組織中開始出現(xiàn)了少量板條狀貝氏體的出現(xiàn)。圖（d）是在隨爐加熱到890℃奧氏體化處理15分鐘后在空冷至室溫，由于其冷卻速度，快，碳化物更是來不及析出，再加之該試驗(yàn)用鋼含有大量的合金元素，如含有高達(dá)2.0%的Si，阻礙了碳化物的析出，取而代之的是富碳的穩(wěn)定的奧氏體，因此觀察到的組織大部分是粒狀或板條狀貝氏體跟馬氏體組織的混合組織。

2.3硬度分析

通過HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試測(cè)得洛氏硬度如下：電渣重熔冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度為：45.3HRC；非真空電弧爐冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度為42.8HRC；890℃奧氏體化后320℃等溫處理的硬度為37.0HRC；890℃奧氏體化后290℃等溫處理的硬度為：39.2HRC；890℃奧氏體化后空冷得到的硬度為：46.4HRC。

由數(shù)據(jù)可以看出，電渣重熔冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度比普通電弧爐冶煉方式得到的貝氏體鋼硬度高。因?yàn)殡娫厝劭梢缘玫郊兌雀?，磷硫含量低，非金屬夾雜少，其次通過電渣重熔，可使材料的組織更加均勻致密，故它的硬度高于普通電弧爐冶煉鋼錠的硬度。在等溫處理時(shí)，隨等溫溫度的降低，硬度有上升趨勢(shì)，這是由于290℃等溫處理時(shí)，冷卻速度更快，在高溫區(qū)域停留時(shí)間較短，擴(kuò)散更不充分，其組織更傾向于形成下貝氏體、馬氏體等，故290℃等溫處理的硬度高于320℃等溫處理時(shí)的硬度。完全奧氏體化后在空氣中冷卻時(shí)得到的試樣的硬度最大，這是因?yàn)榭绽鋾r(shí)冷卻速度比較快，碳原子擴(kuò)散不夠充分，因此冷卻過程中富碳奧氏體將部分轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，使得馬氏體的過飽和度增大，而且再加上其本身含有大量的下貝氏體，等硬度較高組織，所以硬度最高。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.本實(shí)驗(yàn)用鋼所形成的組織主要是粒狀貝氏體。通過電渣重熔后得到的組織更加均勻、細(xì)小以及致密，其硬度也有一定的提高。

2.奧氏體化后等溫處理得到的主要是粒狀貝氏體和少量針狀下貝氏體組織，但等溫290℃得到的針狀下貝氏體數(shù)量增加，且針狀尺寸更大，奧氏體化后空冷得到的組織由于其冷卻速度快，得到的組織主要是針狀的下貝氏體和馬氏體。

3.奧氏體化后等溫處理得到組織的硬度隨著溫度的降低硬度有所升高，在等溫320℃、290℃得到的硬度分別為37.0 HRC 、39.2 HRC；奧氏體化后空冷得到的組織的硬度最高為46.4HRC，即奧氏體化后隨著冷卻速度的增大，材料的硬度呈上升趨勢(shì)。（作者單位：西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬新生，耿茂鵬，堯軍平等.電渣熔鑄過程中數(shù)學(xué)模型的分類及數(shù)值模擬的簡(jiǎn)便求解.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2005年01期

[2] 吳伯濤等.熱處理工藝對(duì)新型貝氏體鋼組織與性能的影響，[D].中南大學(xué)

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