靜態(tài)不同冷卻速度對(duì)球磨機(jī)鋼球用鋼60Mn2Cr組織的影響

燕際軍，張群，白曉明

（鞍鋼集團(tuán)本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117001）

隨著我國(guó)采礦業(yè)的迅速發(fā)展，粉碎礦石用的球磨機(jī)鋼球用鋼需求量也在逐年增加，采礦企業(yè)對(duì)球磨鋼的質(zhì)量要求也越來越高。球磨鋼因具有組織致密、晶粒細(xì)、不易變形、耐磨性能好、沖擊韌性高、破碎率小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在冶金礦山、水泥建材、火力發(fā)電、煙氣脫硫、磁性材料等領(lǐng)域，其中組織形態(tài)是影響球磨鋼的性能的重要因素[1-3]，而冷卻工藝對(duì)球磨鋼組織形態(tài)有重要影響，不同的冷卻制度得到不同的鋼材組織形態(tài)，對(duì)鋼材軋制過程起到指導(dǎo)意義。本鋼采用轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄工藝生產(chǎn)60Mn2Cr球磨鋼，加熱爐加熱到（1 200±20）℃，經(jīng)初軋機(jī)后，進(jìn)入大棒連軋機(jī)組，軋制過程中幾個(gè)控溫點(diǎn)可以控制鋼材冷卻速度，從而控制鋼材最終的組織形態(tài)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用60Mn2Cr球磨機(jī)鋼球用鋼為轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)，具體生產(chǎn)工藝為：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→180t轉(zhuǎn)爐冶煉→180tLF爐精煉→180tRH爐真空脫氣→大方坯350 mm×470 mm連鑄→步進(jìn)式加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋機(jī)組軋制→連軋機(jī)組軋制→緩冷→精整→探傷→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

隨機(jī)取1爐60Mn2Cr球磨鋼試樣，經(jīng)線切割加工后，成品試樣如圖1所示，化學(xué)成分見表1。

圖1 成品試樣Fig.1 Samples Taken from Finished Products

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions （Mass Fraction） %

采用Gleeble-2000熱模擬機(jī)，在室溫真空環(huán)境，以5℃·s-1加熱速度升溫到1 200℃，保溫5 min后，不進(jìn)行變形處理，再以 0.5，1，2，5，10，20，30，40 ℃·s-1等8個(gè)不同冷卻速度冷卻。熱模擬試樣尺寸如圖2所示，熱處理工藝如圖3所示。

圖2 熱模擬試樣尺寸Fig.2 Size of Samples for Thermal Simulation Test

圖3 熱處理工藝Fig.3 Technology for Heating Processing

2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)得降溫變形曲線，用切線法[4]確定其臨界點(diǎn)Ar1、Ar3。為使結(jié)果精確，更換試樣，重復(fù)以上步驟，最后求得Ar1=585℃，Ar3=676℃。 測(cè)定其相應(yīng)的溫度-膨脹量曲線及Ms點(diǎn)，結(jié)果為Ms=360℃。圖4為不同降溫速度變形曲線。

圖4 不同冷卻速度變形曲線Fig.4 Deformation Curves at Different Cooling Rates

由圖4可以看出，不同的冷卻速度會(huì)導(dǎo)致材料的變形不同。其中，從圖4（b）中可以看到溫度降到600℃左右時(shí)，曲線呈明顯的先上升后再下降，變形量的變化說明在此時(shí)組織發(fā)生了變化。而圖4（d）為降溫速度為5℃·s-1時(shí)的變形曲線，當(dāng)溫度降到600℃左右時(shí)，曲線變形量有個(gè)緩慢的上升后再下降，組織也發(fā)生了變化，但變化量與圖4（b）有所不同。

圖5為不同冷卻速度的金相組織圖片。由圖可以看出，隨著冷卻速度的加快，鋼材組織發(fā)生了明顯的變化，從最初的P+F網(wǎng)狀的平衡組織，逐漸過渡到珠光體P消失，在冷卻速度達(dá)到5℃·s-1時(shí)，馬氏體M和貝氏體B開始出現(xiàn)，在冷卻速度達(dá)到10℃·s-1時(shí)，屈氏體T出現(xiàn)，最終屈氏體T也消失，形成非平衡態(tài)的M+B微量組織。此外，晶粒隨著冷卻速度的增大而逐漸變得細(xì)小。這是因?yàn)槔鋮s速度越大，過冷度越大，鐵素體開始轉(zhuǎn)變溫度Ar3越低，形核驅(qū)動(dòng)力越大，臨界形核功和臨界核半徑減小，從而晶粒變細(xì)[5]。60Mn2Cr鋼不同冷卻速度組織變化見表2。

圖5 不同冷卻速度金相組織Fig.5 Metallographic Structures at Different Cooling Rates

表2 60Mn2Cr鋼不同冷卻速度組織變化Table 2 Microstructure Changes of 60Mn2Cr Steel at Different Cooling Rates

圖6為8種不同冷卻曲線測(cè)得的相變溫度及組織形態(tài)擬合成的CCT曲線，由曲線可以看出，隨著冷速的不同，材料組織呈現(xiàn)出不同的變化，和表2的組織變化完全一致。

圖6 球磨鋼60Mn2Cr CCT曲線Fig.6 CCT Curves of 60Mn2Cr Steel

3 分析與討論

過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變主要包括先共析鐵素體的形成和碳化物的析出兩個(gè)過程。當(dāng)冷卻速度在5℃·s-1附近時(shí)，在貝氏體形核孕育期，過冷奧氏體中的碳重新分布并在其晶界處或晶界附近形成貧碳區(qū)，鐵素體晶核便在貧碳區(qū)形成，在其長(zhǎng)大的同時(shí)，鐵素體前沿的碳原子向兩側(cè)奧氏體中擴(kuò)散，并在鐵素體條間或鐵素體內(nèi)部沉淀析出碳化物，因此貝氏體的長(zhǎng)大受碳原子擴(kuò)散的控制。由于轉(zhuǎn)變發(fā)生在中溫區(qū)，鐵原子不能遷移運(yùn)動(dòng)，只有碳原子在鐵素體中遷移擴(kuò)散，所以貝氏體的轉(zhuǎn)變是一種既有擴(kuò)散又有切變的相變。

當(dāng)冷卻速度達(dá)到10℃·s-1以上時(shí)，過冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為鐵晶格的改組。在低溫區(qū)，碳原子和鐵原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散，相變以切變共格方式進(jìn)行，是一種無擴(kuò)散型相變。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，終軋溫度會(huì)改變變形后材料的儲(chǔ)存能和晶界遷移率，從而影響N/G(再結(jié)晶形核速率N與再結(jié)晶晶粒成長(zhǎng)速度G之比)，降低終軋溫度會(huì)增加N/G，使得再結(jié)晶晶粒細(xì)化[4]。依據(jù)每個(gè)試樣冷卻速度及冷卻后的組織形態(tài)繪制成CCT曲線，通過CCT曲線來指導(dǎo)鋼材軋制過程中所需要的鋼材內(nèi)部組織。

4 結(jié)論

（1）采用熱模擬試驗(yàn)研究了靜態(tài)8種不同冷卻速度對(duì)球磨機(jī)鋼球用鋼60Mn2Cr組織的影響，通過變形曲線可以看出冷卻速度不同，熱膨脹曲線會(huì)發(fā)生變化，其變形量也不同，導(dǎo)致鋼材組織形態(tài)發(fā)生變化。

（2）變形曲線和金相組織表明，在鋼材降溫到600℃左右時(shí)，變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，組織發(fā)生改變。當(dāng)冷卻速度為5℃·s-1時(shí)，開始出現(xiàn)貝氏體組織；當(dāng)冷卻速度為10℃·s-1時(shí)，開始出現(xiàn)屈氏體組織。

（3）隨著冷卻速度的提高，鋼材組織從相對(duì)平衡的P+F網(wǎng)狀逐漸過渡到非平衡的M+B微量。