氣霧冷卻布局對(duì)耐磨鋼淬火過(guò)程和組織性能影響

溫識(shí)博,吳建峰,朱健樺

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

耐磨鋼具有高的強(qiáng)度和硬度,同時(shí)具有一定的韌性和良好的焊接性能,主要應(yīng)用在工程機(jī)械等領(lǐng)域[1],一般采用“淬火+低溫回火”、軋后“直接淬火+低溫回火”或“控軋控冷”等工藝進(jìn)行生產(chǎn),其顯微組織以回火馬氏體為主,有時(shí)引入少量貝氏體,提高其沖擊韌性[2]。目前對(duì)耐磨鋼的研究主要集中在合金成分[3-5]、熱處理工藝[6-7]、熱軋工藝[8]和附加性能[9-10]等方面,在冷卻方式方面研究很少,局限于軋制后的層流冷卻方面,包括密集冷卻、稀疏冷卻[11]和分段冷卻[12]對(duì)組織性能影響等。近些年有少量關(guān)于氣霧冷卻在冷軋薄板應(yīng)用[13-14],但在熱軋耐磨鋼方面沒(méi)有涉及。

冷卻方式根據(jù)冷卻形成可分為射流沖擊冷卻、層流冷卻、氣霧冷卻、水霧冷卻和噴氣冷卻等[15],射流沖擊冷卻又包括縫隙噴射和壓力噴射等。傳統(tǒng)的熱軋熱處理線常用的冷卻方式為縫隙噴射或壓力噴射,這兩種冷卻方式雖然具有很高的極限冷卻速度,但射流分布均勻性差,導(dǎo)致冷卻不均勻,使得熱處理后的鋼板性能波動(dòng)大。傳統(tǒng)的冷軋連退線常用的冷卻方式為噴氣冷卻和氣霧冷卻[16],這兩種冷卻方式具有冷卻均勻的特點(diǎn),冷軋薄帶經(jīng)噴氣淬火或氣霧淬火后具有較高的性能均勻性和良好的板形。為解決傳統(tǒng)熱軋熱處理線存在性能波動(dòng)難題,有必要研究氣霧冷卻方式在耐磨鋼熱處理的應(yīng)用效果。

本文以耐磨鋼為研究對(duì)象,收集了耐磨鋼在不同氣霧冷卻布局條件下的溫降曲線,統(tǒng)計(jì)了耐磨鋼淬火過(guò)程的冷卻速度,觀察了各個(gè)試驗(yàn)參數(shù)下的顯微組織,分析了氣霧冷卻布局對(duì)耐磨鋼硬度及均勻性的影響,從冷卻速度、顯微組織、硬度及其均勻性等四個(gè)方面評(píng)價(jià)了氣霧冷卻方式在耐磨鋼熱處理中的應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用工業(yè)生產(chǎn)的耐磨鋼,經(jīng)連鑄、加熱、粗軋、精軋、層冷和卷取,加工成4 mm厚鋼板,其中加熱爐加熱溫度為1 230 ℃,精軋溫度為900 ℃,卷取溫度為600 ℃。耐磨鋼的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1,將生產(chǎn)的耐磨鋼加工成尺寸4 mm×200 mm×300 mm的試驗(yàn)樣板進(jìn)行氣霧淬火。

表1 試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分Table 1 Chemical contents of the experimental steel %

1.2 冷卻試驗(yàn)裝置

冷卻試驗(yàn)在氣霧冷卻裝置下進(jìn)行,氣霧冷卻裝置的示意圖如圖1所示,包括加熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣霧冷卻系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。氣霧冷卻系統(tǒng)的噴箱上有若干排噴嘴,每排噴嘴的間距可調(diào),間距范圍是50～400 mm,相鄰兩排噴嘴交錯(cuò)排布[14],每排噴嘴上安裝多個(gè)氣霧噴嘴,每排噴嘴排布的示意圖如圖2所示。以壓縮空氣和壓力水為冷卻介質(zhì),采用適當(dāng)?shù)臍馑畨毫Ρ?實(shí)現(xiàn)霧化過(guò)程。

圖1 氣霧冷卻裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the air-atomized water spray cooling device

圖2 噴嘴布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of the nozzle arrangement

鋼板加熱爐加熱后在氣霧冷卻裝置下以氣水壓力比2∶1的冷卻參數(shù)下進(jìn)行氣霧淬火,加熱溫度為925 ℃,保溫時(shí)間為15 min。溫度檢測(cè)位置為鋼板上表面的中心點(diǎn),鋼板運(yùn)動(dòng)速度為5 m/min。鋼板上表面中心點(diǎn)焊接K型熱電偶,用于采集溫度數(shù)據(jù)。

1.3 冷卻速度計(jì)算方法

本文中的耐磨鋼鐵素體相變開(kāi)始點(diǎn)約為780 ℃,馬氏體相變開(kāi)始溫度Ms為400 ℃左右,馬氏體相變結(jié)束溫度Mf為200 ℃左右,馬氏體相變的臨界冷卻速度為60 K/s。馬氏體相變開(kāi)始后,對(duì)冷卻速度要求降低,因此冷卻速度計(jì)算是采取分段式計(jì)算,第一段溫度區(qū)間為400～800 ℃,第二段溫度區(qū)間為200～400 ℃。

1.4 顯微組織

顯微組織采用Leica光學(xué)顯微鏡和ZEISS(EVO MA25)掃描電鏡進(jìn)行觀察,用4 %硝酸酒精的浸蝕液腐蝕后顯示顯微組織。

1.5 硬度試驗(yàn)

布氏硬度檢測(cè)采用BRIN4000布氏硬度計(jì),加載力為30 000 N,采用球形壓頭,壓頭直徑為10 mm,保持時(shí)間為12 s,每個(gè)試樣檢測(cè)15個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)位置如圖3所示,去除一個(gè)最大值和一個(gè)最小值后取平均值為試樣的最終硬度值。試樣檢測(cè)前,上下表面磨削0.5 mm,去除表面脫碳軟化區(qū)。

圖3 耐磨鋼硬度檢測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.3 Diagram of the hardness testing points for the wear-resistant steel

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷卻布局對(duì)淬火過(guò)程的影響

熱態(tài)鋼板在不同氣霧冷卻布局條件下淬火的溫度曲線如圖4所示。加熱爐門打開(kāi)后,樣品未出加熱爐時(shí),由于冷空氣進(jìn)入加熱爐腔體,鋼板出現(xiàn)小幅度的溫度降低,降溫速度約為2 K/s。樣板由加熱爐轉(zhuǎn)移至氣霧冷卻裝置時(shí),6 mm鋼板在空氣中冷卻速度為6 K/s,隨后進(jìn)入氣霧冷卻裝置內(nèi),快速冷卻至100 ℃以下。需要注意的是,在氣霧冷卻過(guò)程中,存在氣霧冷卻區(qū)和空冷區(qū)。

圖4 不同氣霧冷卻布局的溫度曲線Fig.4 Temperature curves under various types of device structures

當(dāng)每排噴嘴間距50 mm時(shí),鋼板幾乎完全處于氣霧冷卻區(qū),即冷卻過(guò)程中鋼板一直處于氣霧冷卻區(qū),幾乎無(wú)空冷段,很快冷卻至100 ℃以下。每排噴嘴間距在150 mm及以上時(shí),鋼板運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)離開(kāi)氣霧冷卻區(qū)而進(jìn)入空冷區(qū),鋼板表面和心部存在溫差且心部溫度高于表面溫度,導(dǎo)致鋼板表面出現(xiàn)返溫現(xiàn)象。因此,當(dāng)鋼板重復(fù)地經(jīng)過(guò)氣霧冷卻區(qū)和空冷區(qū)時(shí),表面溫降曲線出現(xiàn)“溫度震蕩”現(xiàn)象。隨著每排噴嘴間距增大,冷卻過(guò)程中空冷區(qū)所占比例增加,氣霧冷卻區(qū)所占比例降低,鋼板由925 ℃冷卻至100 ℃以下所需時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。

由于溫度檢測(cè)點(diǎn)為鋼板表面,耐磨鋼的溫降曲線出現(xiàn)返溫現(xiàn)象,且存在多次的“溫度震蕩”。為準(zhǔn)確計(jì)算400～800 ℃和200～400 ℃溫度區(qū)間的冷卻速度,需對(duì)不同條件下的溫降曲線中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平滑預(yù)處理,再計(jì)算不同溫度區(qū)間的冷卻速度,不同溫度區(qū)間的冷卻速度如圖5所示。在不同冷卻條件下,400～800 ℃的冷卻速度均比200～400 ℃的冷卻速度高,雖然高溫區(qū)為膜沸騰區(qū)域,但熱流密度小,換熱系數(shù)小;中低溫區(qū)為核沸騰和過(guò)渡沸騰區(qū)域,熱流密度大,換熱系數(shù)大[17],但是在200～400 ℃區(qū)間內(nèi)耐磨鋼淬火時(shí)出現(xiàn)馬氏體相變,產(chǎn)生了大量的相變潛熱[18],導(dǎo)致200～400 ℃的冷卻速度比400～800 ℃的冷卻速度慢。

圖5 不同氣霧冷卻布局的在不同溫度段的冷卻速度Fig.5 Cooling rate of the wear-resistant steel under various device structures

隨著每排噴嘴間距由50 mm增大至400 mm,兩個(gè)溫度區(qū)間的冷卻速度均逐漸變小且兩個(gè)溫度區(qū)間冷卻速度差值變小,400～800 ℃溫度區(qū)間的冷卻速度由329 K/s降低至47 K/s,200～400℃溫度區(qū)間的冷卻速度由67 K/s降低至14 K/s。這是因?yàn)殡S著每排噴嘴間距增大,鋼板由熱態(tài)冷卻至室溫時(shí)空冷部分的占比增大,氣霧冷卻部分的占比減小,且氣霧冷卻的冷卻能力遠(yuǎn)大于空冷的冷卻能力,從而導(dǎo)致整體冷卻速度變慢。

2.2 冷卻布局對(duì)顯微組織的影響

耐磨鋼在不同冷卻條件下淬火后的顯微組織如圖6所示。當(dāng)每排噴嘴間距為50 mm時(shí),耐磨鋼經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng),熱態(tài)鋼板幾乎一直處于氣霧冷卻區(qū),試樣表面無(wú)明顯反溫現(xiàn)象,淬火過(guò)程中的實(shí)際冷卻速度大于60 K/s,淬火后的組織為淬火馬氏體,幾乎無(wú)碳化物析出。

圖6 耐磨鋼在不同冷卻條件下的顯微組織Fig.6 OM and SEM microstructures of the wear-resistant steel under various cooling device structures

當(dāng)每排噴嘴間距增大至150 mm時(shí),每排噴嘴間存在較小區(qū)域的空冷區(qū),使得冷卻速度降低,但400～800 ℃溫度區(qū)間的冷卻速度為125 K/s,遠(yuǎn)大于臨界冷卻速度,只存在馬氏體組織。但試樣經(jīng)過(guò)空冷區(qū)時(shí),心部溫度高于表面溫度,導(dǎo)致表面出現(xiàn)反溫現(xiàn)象,使得淬火馬氏體內(nèi)部的碳化物析出,出現(xiàn)自回火現(xiàn)象。

當(dāng)每排噴嘴間距進(jìn)一步增大至400 mm時(shí),空冷區(qū)在整個(gè)冷卻過(guò)程的比例變大,冷卻速度降低,400～800 ℃溫度區(qū)間的冷卻速度低于60 K/s,使得淬火后的組織為貝氏體和自回火馬氏體的混合組織。

通過(guò)以上顯微組織分析可知,利用氣霧冷卻方式對(duì)耐磨鋼進(jìn)行淬火時(shí),通過(guò)縮短每排氣霧噴嘴間距,可獲得淬火馬氏體組織,這表明耐磨鋼可采用氣霧冷卻方式進(jìn)行淬火。

2.3 冷卻布局對(duì)硬度的影響

耐磨鋼在不同氣霧冷卻布局條件下淬火后的硬度如圖7所示,表2為相應(yīng)的硬度統(tǒng)計(jì)表。圖7中,耐磨鋼經(jīng)氣霧淬火后上表面的硬度比下表面的硬度(HB)高5～10,這是因?yàn)闅忪F淬火過(guò)程中,氣霧與試樣接觸時(shí)先汽化為蒸汽,而后在鋼表面聚集形成少量殘余水,上表面的殘余水不容易排掉,而下表面的水受重力影響掉落,殘余水比空氣的傳熱系數(shù)更大、導(dǎo)熱更快,這使得試樣上表面冷卻速度比下表面大,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí),碳化物析出越少,固溶的碳含量越多,強(qiáng)度和硬度越高。

圖7 耐磨鋼在不同氣霧冷卻布局條件下淬火后的硬度Fig.7 Hardness of the wear-resistant steel under various cooling device structures

表2 耐磨鋼在不同氣霧冷卻布局條件下淬火后的硬度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Hardness (HB) statistics of the wear-resistant steel under various cooling conditions

當(dāng)每排噴嘴間距由50 mm增大至400 mm時(shí),上下表面平均硬度均逐漸降低,上表面的平均硬度(HB)由462 降低至405,下表面的平均硬度由457降低至398。這是因?yàn)殡S著每排噴嘴間距增大,試樣的冷卻速度逐漸變小,淬火組織由淬火馬氏體逐漸變?yōu)樽曰鼗瘃R氏體,最后形成了自回火馬氏體和貝氏體的混合組織。

隨著每排噴嘴間距增大,硬度均勻性的變化規(guī)律與平均硬度變化規(guī)律相反,即布氏硬度均勻性變差,上表面硬度的標(biāo)準(zhǔn)差由2.4增大至15.1,下表面硬度的標(biāo)準(zhǔn)差由1.4增大至13.7。這是因?yàn)閲娮扉g距越大,經(jīng)過(guò)氣霧冷卻區(qū)和空冷區(qū)的次數(shù)越多,出現(xiàn)冷卻不均勻性的概率越大,導(dǎo)致硬度均勻性變差。

綜上所述,采用氣霧冷卻方式進(jìn)行淬火時(shí),選擇合理的氣霧冷卻布局,可使得耐磨鋼淬火冷卻速度大于60 K/s,最終獲得淬火馬氏體組織和一定硬度級(jí)別且性能均勻的耐磨鋼。

3 結(jié)論

(1) 耐磨鋼可采用氣霧冷卻方式進(jìn)行淬火,選擇合理的氣霧冷卻布局,獲得淬火馬氏體,達(dá)到一定硬度級(jí)別且性能均勻。

(2) 采用氣霧冷卻進(jìn)行淬火時(shí),耐磨鋼在不同溫度區(qū)間的冷卻速度存在差異,400～800 ℃區(qū)間的冷卻速度大于200～400 ℃ 區(qū)間的冷卻速度。

(3) 氣霧冷卻布局影響耐磨鋼的冷卻速度,隨著每排噴嘴間距增大,冷卻速度變慢,淬火馬氏體中碳化物析出增多,自回火現(xiàn)象加重,自回火馬氏體+貝氏體的混合組織增多,硬度降低且性能均勻性變差。