一種連桿用非調(diào)質(zhì)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

紀(jì)仁峰，劉年富，鐘芳華

(1.寶鋼特鋼有限公司,上海 200940； 2.寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司, 廣東 韶關(guān) 512123)

微合金非調(diào)質(zhì)鋼是伴隨世界能源短缺而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能鋼，通過熱鍛或熱軋后其力學(xué)性能便可達(dá)到傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)碳素鋼或合金鋼水平。大大減少了由于零件淬火變形和開裂帶來的損失，具有節(jié)約能源、環(huán)保、降低制造成本等特點(diǎn)，因此，微合金非調(diào)質(zhì)鋼被廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械、石油等行業(yè)[1-3]。

過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線具有系統(tǒng)的反映出冷卻速率對特定鋼種相變開始溫度、結(jié)束溫度及組織與硬度關(guān)系的功能，是調(diào)整鋼的化學(xué)成分、制訂鋼的軋制工藝和熱處理工藝的重要參考依據(jù)[4-6]。本實(shí)驗(yàn)采用膨脹法、金相法與硬度法相結(jié)合的方式，利用熱模擬機(jī)對新開發(fā)的用于汽車連桿用中碳非調(diào)質(zhì)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為實(shí)際生產(chǎn)工藝的制訂和優(yōu)化提供了一個有用的參考資料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司開發(fā)的汽車連桿用非調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成分如表1所示。生產(chǎn)工藝如下：130 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH爐精煉→連鑄(緩冷)→鑄坯檢查→大棒軋制φ70 mm圓鋼→空冷至室溫。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

首先在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上測定實(shí)驗(yàn)鋼的臨界相變溫度，用φ6 mm×81 mm圓柱試樣，先以10 ℃/s的速度升溫到500 ℃，再以0.05 ℃/s加熱到960 ℃，保溫10 min；然后以0.05 ℃/s的速度冷卻至400 ℃，最后以10 ℃/s降溫到室溫。加熱時測得臨界相變溫度Ac1=749 ℃，Ac3=819 ℃；冷卻時測得臨界相變溫度Ar1=619 ℃，Ar3=705 ℃。

連續(xù)冷卻試驗(yàn)的試樣以10 ℃/s的升溫速度加熱到960 ℃，保溫10 min，然后分別以0.1、0.5、0.8、1、1.5、2、3、4、5、8、10 ℃/s的降溫速度冷卻至室溫。冷卻后試樣經(jīng)研磨拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用LEICA DMILM型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用Zwick ZHμ-A顯微維氏硬度計(jì)測量不同冷卻速度下試樣的顯微維氏硬度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖1為根據(jù)不同冷卻速度下測定的相變溫度、相變開始和結(jié)束時間繪制的實(shí)驗(yàn)鋼奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的CCT曲線。從圖中可以看出，當(dāng)冷卻速度小于0.5 ℃/s時，主要發(fā)生鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，且鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)域要大于珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域；當(dāng)冷卻速度大于0.5 ℃/s時，開始出現(xiàn)貝氏體組織，隨冷卻速度增加，貝氏體逐漸增加，冷卻速度在0.5～0.8 ℃/s時的室溫組織為先共析鐵素體、珠光體和貝氏體；當(dāng)冷卻速度大于1 ℃/s時，開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著冷卻速度增加，鐵素體、珠光體含量逐漸減少，貝氏體、馬氏體量逐漸增多；當(dāng)冷卻速度大于8℃/s時，轉(zhuǎn)變組織全部為馬氏體。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curves of experimental steel

2.2 不同冷卻速度下的顯微組織

圖2所示為不同冷卻速度下實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織，從圖中可以看出，當(dāng)冷卻速度為0.1 ℃/s時，發(fā)生鐵素體/珠光體轉(zhuǎn)變，室溫組織為鐵素體+珠光體。先共析鐵素體呈塊狀析出，說明先共析鐵素體在較低的冷卻速度下得到充分的長大，如圖2(a)所示。當(dāng)冷卻速度增加至0.5 ℃/s時，開始出現(xiàn)少量的貝氏體，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，隨著冷卻速度的提高，貝氏體的含量逐漸增多，珠光體含量也逐漸減少，組織主要為珠光體+鐵素體+貝氏體，如圖2(b)、2(c)所示。當(dāng)冷卻速度達(dá)到1 ℃/s時，開始出現(xiàn)少量的馬氏體。隨著冷卻速度的增加，貝氏體、馬氏體量逐漸增多，珠光體量逐漸減少，冷卻速度為3 ℃/s時，組織中未出現(xiàn)珠光體、鐵素體，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體+少量貝氏體。當(dāng)冷卻速度達(dá)到8 ℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物全部為馬氏體，如圖2(f)、2(g)。

(a)0.1 ℃/s;(b)0.5 ℃/s;(c)0.8 ℃/s;(d)1 ℃/s;(e)2 ℃/s;(f)5 ℃/s;(g)10℃/s圖2 實(shí)驗(yàn)鋼從960 ℃以不同冷卻速度得到的顯微組織Fig.2 Microstructure of the experimental steel cooled from 960 ℃ wiyh different cooling rates

2.3 不同冷卻速度下的顯微硬度

實(shí)驗(yàn)鋼在不同冷卻速度下的顯微維氏硬度如圖3所示。從圖中可以看出，冷卻速度對顯微硬度有很大的影響，隨著冷卻速度的增加，顯微硬度也隨之增大。結(jié)合圖2中的顯微組織隨冷卻速度的變化情況，隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠光體體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，而貝氏體和馬氏體體積分?jǐn)?shù)則逐漸增多。對于成分相同的鋼來說，硬度變化規(guī)律是馬氏體>貝氏體>珠光體>鐵素體。因此，實(shí)驗(yàn)鋼的顯微硬度隨著冷卻速度的增加而增加。

圖3 實(shí)驗(yàn)鋼的維氏硬度隨冷卻速度的變化Fig.3 The change of Vickers-hardness of the experimental steel with cooling rate

3 討論

實(shí)驗(yàn)用連桿非調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)是中碳高硅高錳，并添加了一定量的鉻、釩、鈮和鉬。其中錳是增大奧氏體區(qū)的元素，其在晶界表面富集后對晶界產(chǎn)生釘扎作用，延長珠光體轉(zhuǎn)變的孕育時間，從而減慢奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變。同時，錳元素可以大大地降低貝氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動力，使貝氏體轉(zhuǎn)變在較低的冷卻速度下即可進(jìn)行。硅元素能增加過冷奧氏體的穩(wěn)定，可以延緩貝氏體轉(zhuǎn)變，同時也可降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，鉻和釩的加入能夠擴(kuò)大貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，增加鋼的貝氏體淬透性。鋼中加入微量的鈮和鉬，利用鈮元素的晶界偏聚效應(yīng)，對晶界移動產(chǎn)生較強(qiáng)的拖拽作用，延遲奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變；鉬元素使CCT曲線右移，延長了鐵素體和珠光體的孕育期，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，同時，鉬元素能夠降低貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，使奧氏體在較低的溫度下即可發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。由此可見，此中碳非調(diào)鋼的錳、硅、鉻、釩和微量的鈮和鉬等元素可增加鋼的淬透性，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，在較寬的冷卻速度范圍內(nèi)得到貝氏體組織。在冷卻速度為0.5～5 ℃/s范圍內(nèi)，都有貝氏體組織存在，如圖1和圖2所示。

4 結(jié)論

1)連桿用中碳非調(diào)質(zhì)鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中，先后發(fā)生了先共析鐵素體和珠光體、貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變開始溫度隨著冷卻速度的提高而逐漸降低。

2)連桿用中碳非調(diào)質(zhì)鋼中合金元素錳、鉻、釩及微量鈮和鉬的加入擴(kuò)大了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在較大冷卻速度范圍內(nèi)均能得到貝氏體組織。

3)過冷奧氏體經(jīng)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后室溫組織的顯微硬度隨著冷卻速度的增加而增大。當(dāng)冷卻速度為0.5 ℃/s時，組織中開始出現(xiàn)貝氏體；當(dāng)冷卻速度為1 ℃/s時，組織中開始出現(xiàn)馬氏體，與硬度變化曲線相一致。