控軋控冷獲得低成本高性能鉚螺鋼的研究

劉明軍＊，李壯＊，權(quán)純逸，任沛霖

1.沈陽航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧沈陽 110136

2.沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

鉚螺鋼產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中一直被廣泛應(yīng)用[1]。高等級(jí)的鉚螺鋼在制造各種所需零件時(shí)必須要采用不同的熱處理工藝[2]，而控制軋制實(shí)質(zhì)就是一種形變熱處理，形變強(qiáng)化可以細(xì)化晶粒。采用控軋控冷可以改善鋼的組織[3]，減少甚至完全代替熱處理，獲得低成本、高性能的鉚螺鋼。筆者對(duì)鉚螺鋼進(jìn)行了控軋后的控制冷卻研究，控軋控冷工藝如圖1所示，獲得了較為滿意的力學(xué)性能。

圖1 控軋控冷工藝示意

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)的鉚螺鋼化學(xué)成分為：wC=0.186%、wSi=0.171%、wMn=0.437%，以及微量的雜質(zhì)元素。80mm×80mm×30mm的坯料在1150℃加熱1h后，使用φ450mm軋機(jī)軋制。經(jīng)二道次軋制，850℃終軋后分別采用空冷或水冷至650℃、600℃、550℃后再空冷至室溫，獲得4mm×100mm×480mm的成品，分別制作1#、2#、3#、4#試樣。然后對(duì)其分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、組織分析以及珠光體的體積分?jǐn)?shù)和鐵素體晶粒尺寸的測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

控軋控冷后的金相組織如圖2所示。由圖2可看出，空冷后的組織為多邊形鐵素體和珠光體，其中鐵素體晶粒較為粗大（見圖2a），而水冷至650℃、600℃、550℃的組織，不僅鐵素體晶粒細(xì)化，而且珠光體增多，且隨冷卻溫度降低，珠光體層片間距減小。1#、2#、3#、4#試樣珠光體的體積分?jǐn)?shù)分別為26%、41%、64%、65%，鐵素體晶粒尺寸分別為51nm、27nm、26nm、21nm （見圖2b～d）。

圖2 鉚螺鋼控軋控冷后的金相組織

3.2 力學(xué)性能

對(duì)于鉚螺鋼成品料，每塊取3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用抗拉強(qiáng)度與伸長率的乘積（強(qiáng)塑積）表征其綜合性能。4種工藝下的平均力學(xué)性能結(jié)果見表1?？绽?#試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最低，抗拉強(qiáng)度僅為445MPa；隨水冷溫度降低，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度提高。水冷到550℃時(shí)，4#試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)530MPa，伸長率也逐漸提高，達(dá)28%。水冷導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度提高了將近100MPa。

表1 鉚螺鋼控軋控冷后的力學(xué)性能

3.3 結(jié)果分析與討論

當(dāng)試樣終軋后空冷時(shí)，冷卻過程中的奧氏體-鐵素體相變有充分的時(shí)間，鐵素體能夠形核和長大，因此1#試樣的鐵素體晶粒相對(duì)粗大（51nm）；水冷時(shí)，由于擴(kuò)散相變時(shí)間減少，鐵素體的相變受到了抑制，水冷溫度越低，鐵素體的相變時(shí)間相對(duì)越短，因此，4#試樣的鐵素體晶粒相對(duì)細(xì)化（21nm）[4]。形變強(qiáng)化細(xì)化了晶粒。根據(jù)霍爾-佩奇關(guān)系式[5]，晶粒尺寸的減少一般導(dǎo)致極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的增加，晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，即

式中σy——下屈服應(yīng)力（MPa）；

K——材料常數(shù)；

Ky——強(qiáng)化系數(shù)；

d——鐵素體晶粒尺寸（nm）。

晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目越多，變形也越均勻，同時(shí)晶粒越細(xì)小，引起應(yīng)力集中程度越低，引起裂紋形成傾向也越小，并可推遲裂紋的形成和擴(kuò)展，且一旦形成裂紋，一般裂紋擴(kuò)展在晶界要改變方向。晶粒細(xì)小不利于裂紋擴(kuò)展，金屬能夠發(fā)生很大的塑性變形而不斷裂，因而使塑性、韌性提高。

軋制以后控冷造成了珠光體含量增多，出現(xiàn)了偽共析組織，如圖3所示。

圖3 偽共析組織出現(xiàn)示意

由圖3可看出，奧氏體快冷到影線區(qū)時(shí)，發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的珠光體是由非共析成分的奧氏體獲得的，雖然也由片狀鐵素體和滲碳體組成，但它們的相對(duì)含量、片層相對(duì)厚度不同于共析成分的珠光體，又稱為偽共析體[6]。水冷溫度越低，這種偏離共析成分的偽珠光體體積分?jǐn)?shù)越多，4#試樣的偽珠光體體積分?jǐn)?shù)最高（65%）。而水冷溫度越低，偽珠光體的層片間距越小，這都導(dǎo)致了鉚螺鋼的強(qiáng)度、伸長率增高，因此4#試樣的強(qiáng)塑積最高，達(dá)14840MPa%?？剀埧乩淠軌?qū)崿F(xiàn)以低碳鋼代替中碳鋼，鉚螺鋼獲得了低成本和高性能。

4 結(jié)束語

1）鉚螺鋼采用控軋控冷，通過形變強(qiáng)化而細(xì)化了晶粒，獲得了低成本、高性能的產(chǎn)品。

2）水冷溫度越低，鐵素體晶粒越細(xì)，550℃水冷的鐵素體晶粒獲得了21nm的最低值。

3）控制冷卻形成偽共析組織，水冷溫度越低，偽珠光體含量越多，偽珠光體層片間距越小，550℃水冷達(dá)到了抗拉強(qiáng)度530MPa、伸長率28%，強(qiáng)塑積達(dá)14840MPa%的最高值。