鈮對(duì)高碳鋼共析轉(zhuǎn)變和退火組織的影響

王浩云,曹建春,陰樹(shù)標(biāo),劉 星,盧 超,薛焱明

(1.昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

0 引 言

高碳鋼本身優(yōu)秀的高強(qiáng)硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性以及高抗疲勞性等性能使其具有廣泛應(yīng)用,但由于塑韌性較差,又限制了其應(yīng)用發(fā)展.Nb元素是鋼中最常用的微合金化元素之一.在低碳鋼領(lǐng)域內(nèi),不少研究都對(duì)Nb在鋼基體中可發(fā)揮的作用及其機(jī)理做過(guò)深入研究與分析,各種研究[1-3]都表明Nb在其中可以發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化,沉淀強(qiáng)化作用,還可以一定程度上提高鋼的塑韌性,拓寬該鋼種的應(yīng)用范圍.由于在低碳鋼中加入Nb產(chǎn)生的顯著效果,現(xiàn)在不少研究關(guān)注Nb對(duì)中、高碳鋼性能的影響[4-8].彈簧鋼50CrV和52CrMnV中加入鈮后,實(shí)現(xiàn)了整體降重20%,疲勞壽命分別提升40%和60%[4,9];60Si2MnA中加入0.022%的Nb可以降低鋼材的脫碳敏感性,同時(shí)提高耐腐蝕性能和抗延遲斷裂性能[5-7];87B硬線鋼利用鈮微合金化處理后,明顯提高了索氏體形成率,改善組織均勻性[8];GCr15鋼中加入Nb顯著抑制網(wǎng)絡(luò)狀碳化物的析出并且降低其厚度[9].對(duì)Nb在高碳鋼中的研究[9-16]發(fā)現(xiàn),微量Nb加入高碳鋼中,導(dǎo)致Nb(C,N)相析出,縮小珠光體的片層間距,促進(jìn)珠光體中滲碳體的球化,同時(shí)Nb還可以釘扎晶界,細(xì)化高溫下奧氏體晶粒,抑制再結(jié)晶,從而改變高碳鋼塑韌性較差的缺點(diǎn),提高鋼的綜合性能.蘇雪等[17]利用高溫激光共聚焦顯微鏡,原位觀察高碳鋼中Nb對(duì)珠光體相變的影響,發(fā)現(xiàn)Nb的添加增大過(guò)冷度,導(dǎo)致珠光體相變溫度區(qū)間降低,但是Nb顯著阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù),所以Nb減慢珠光體長(zhǎng)大速率,同時(shí)也發(fā)現(xiàn),Nb對(duì)珠光體形核也有促進(jìn)作用,Nb的綜合作用表現(xiàn)為推遲珠光體轉(zhuǎn)變;此外,研究表明,當(dāng)Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.014%時(shí),Nb的增加會(huì)使基體內(nèi)珠光體片層細(xì)化,基體的強(qiáng)度提高,而超過(guò)0.014%后,細(xì)化效果不再進(jìn)一步增強(qiáng).陳明昕等[18]研究了75Cr1鋼中加入Nb之后的組織與性能變化,發(fā)現(xiàn)Nb可以擴(kuò)大過(guò)冷奧氏體區(qū).Nb在高碳鋼中可以發(fā)揮顯著作用,但對(duì)于其作用機(jī)理的分析與研究并不詳細(xì),因此研究Nb在高碳鋼中的存在形式和作用機(jī)理變得十分重要.

張正延等[19]研究指出,Nb對(duì)高碳鋼珠光體轉(zhuǎn)變影響嚴(yán)重,微量的Nb加入就可以改變共析成分,使共析點(diǎn)碳含量增加.Yong等[20]在后續(xù)研究中針對(duì)0.77%碳含量附近的鈮高碳鋼,提出固溶[Nb]含量與共析點(diǎn)之間的關(guān)系式,每固溶 0.000 001% 的Nb可以使得共析點(diǎn)含碳量增加約 0.000 477%.本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究不同碳含量的高碳鋼中加入Nb,在退火工藝中固溶Nb含量對(duì)共析轉(zhuǎn)變的影響,從而獲得共析點(diǎn)含碳量和固溶Nb含量之間的線性關(guān)系式,為實(shí)際生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文為了探究Nb和C對(duì)于共析轉(zhuǎn)變的影響,設(shè)計(jì)不同含鈮量和不同含碳量的高碳鋼,研究在不同退火工藝處理后的組織形貌和不同組織含量的變化.在 25 kg 真空感應(yīng)爐中冶煉,實(shí)驗(yàn)要求排除其他元素的影響,所以其他元素的含量按最低標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行冶煉,試驗(yàn)鋼的成分如表1所示.

表1 試驗(yàn)高碳鋼的化學(xué)成分

根據(jù)前人得到的NbC在低碳鋼中固溶度積公式,[Nb]·[C]的值只與溫度相關(guān),即同一溫度下,碳含量越高,可以固溶的[Nb]含量越少,所以早期認(rèn)為Nb在高碳鋼中很難發(fā)揮固溶作用[9].但是隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)高碳鋼中含C量增加導(dǎo)致固溶Nb含量升高,與低碳鋼中規(guī)律不同.雍岐龍[21]在原有固溶度積公式中引入了Fe-C-Nb三元體系中各原子之間的相互作用系數(shù)這一概念,重新給出了鋼中NbC在奧氏體中的固溶度積公式——[Nb]·[C]與ω(C)(碳含量)的之間關(guān)系式:

log{[Nb]·[C]}=3.555-8 800/T+(1 320/T-0.044)ω(C)

(1)

從公式(1)中可以發(fā)現(xiàn),碳含量會(huì)影響NbC的固溶度積,這為后續(xù)研究高碳鋼中的固溶Nb提供了理論支撐.

基于公式(1),假設(shè)T達(dá)到某一溫度值之后,[Nb]=ω(Nb),[C]=ω(C),那么NbC固溶度積此刻的條件就變?yōu)榱薔b與C完全固溶于基體中,這個(gè)溫度就被稱為NbC的全固溶溫度,此刻的溫度用TAS表示:

為了觀察共析碳含量的變化,保證試驗(yàn)鋼組織的均勻性,設(shè)計(jì)試驗(yàn)鋼預(yù)處理工藝為固溶處理,之后再進(jìn)行完全退火處理.將試驗(yàn)鋼成分代入公式(2),可以計(jì)算出1#鋼和2#鋼的全固溶溫度分別為 1 547K(1 273 ℃)和 1 539 K(1 266 ℃).固溶溫度過(guò)高會(huì)使試樣過(guò)燒,使試樣的表層氧化嚴(yán)重,影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行以及性能的測(cè)試.根據(jù)公式(1),可以計(jì)算出全固溶溫度 1 250 ℃ 時(shí),兩種鋼內(nèi)均可以保證90%以上Nb發(fā)生了固溶,所以,固溶溫度選擇 1 250 ℃,保溫時(shí)間 20 min,隨后用10% NaCl冰水溶液快速冷卻至室溫,保證大部分的Nb在常溫下保持固溶態(tài).

圖1 退火工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of annealing process

為了觀察不同溫度下鈮對(duì)高碳鋼共析轉(zhuǎn)變的影響,對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行不同溫度的退火處理,使其得到平衡態(tài)組織.對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行相變點(diǎn)測(cè)試,2#鋼的Accm或Ac3(Accm為加熱時(shí),二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度;Ac3為加熱時(shí),鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度)溫度為 730 ℃,為保證基體發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的同時(shí)又避免晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致晶粒尺寸差距過(guò)大影響實(shí)驗(yàn),所以設(shè)計(jì)退火溫度在Accm或Ac3以上 20 ℃ 和 70 ℃,即將1#、2#、3#試驗(yàn)鋼固溶處理后,各選兩個(gè)試樣分別重新加熱到 750 ℃ 和 800 ℃,保溫 1 h,爐冷到 600 ℃,隨后取出空冷.退火工藝圖如圖1所示.

在退火實(shí)驗(yàn)后的試驗(yàn)鋼中切取金相樣品,選擇切面為觀察面,磨制拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,利用AXIOVERT40 MAX型光學(xué)顯微鏡和TESCAN VEGA3型鎢燈絲掃描電鏡觀測(cè)試驗(yàn)鋼的顯微組織;利用DHV—1000型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度分析,對(duì)試驗(yàn)鋼退火態(tài)的不同組織進(jìn)行分析;利用Image-Pro軟件對(duì)組織內(nèi)非共析組織進(jìn)行占比分析,結(jié)合組織占比和杠桿定律逆推共析點(diǎn)的變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火處理后的顯微組織和顯微硬度

1#、2#和3#鋼 800 ℃ 退火態(tài)和 750 ℃ 退火態(tài)的顯微組織如圖2所示.3種試驗(yàn)鋼經(jīng)相同工藝退火后得到的金相組織并不相同.對(duì)比含鈮鋼與不含鈮鋼的金相組織,明顯觀察到含鈮鋼出現(xiàn)了區(qū)別于珠光體的白色相區(qū)域,在 800 ℃ 退火后呈現(xiàn)大片的非連續(xù)性狀態(tài),750 ℃ 退火后出現(xiàn)的白色相區(qū)域明顯更細(xì)小,也區(qū)別于無(wú)鈮鋼中的二次滲碳體的連續(xù)網(wǎng)狀分布;而無(wú)鈮的試驗(yàn)鋼根據(jù)含碳量屬于過(guò)共析鋼,其退火態(tài)金相組織應(yīng)為珠光體加網(wǎng)狀二次滲碳體,如圖2(c1)與圖2 (c2)所示.對(duì)比圖2(a1)與圖2 (b1)、圖2 (a2)與圖2 (b2),不同含碳量的含鈮鋼內(nèi),白色非共析組織的體積百分含量也明顯不同,含碳量低的1#鋼的白色相含量要大于2#鋼的白色相含量.金相結(jié)果表明,兩種含鈮鋼在兩個(gè)退火溫度下,均產(chǎn)生了非共析組織,而要確定非共析組織的成分,需要做進(jìn)一步研究.

(a2)1#鋼 750 ℃ (b2)2#鋼 750 ℃ (c2)3#鋼 750 ℃圖2 試驗(yàn)鋼不同溫度退火后的顯微組織Fig.2 Microstructure of tested steels annealed at different temperatures

表2 800 ℃退火態(tài)試驗(yàn)鋼不同相區(qū)的顯微硬度

對(duì)試驗(yàn)鋼 800 ℃ 退火態(tài)的組織進(jìn)行顯微硬度分析,結(jié)果如表2所示.1#和2#鋼中純白色組織區(qū)的平均維氏硬度分別為HV148.8和HV166.2;黑色組織區(qū)平均維氏硬度分別為HV189.9和HV180.1.3#鋼中的主要基體組織就是珠光體,其顯微硬度為HV216.9.顯微硬度結(jié)合金相組織可以說(shuō)明,1#鋼和2#鋼在 800 ℃ 退火處理后均出現(xiàn)了先共析鐵素體組織.

由于2#鋼 750 ℃ 退火態(tài)白色組織區(qū)的尺寸不適合做顯微硬度分析,所以對(duì)其共析組織進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖3所示.圖3的能譜儀分析(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)結(jié)果中,B點(diǎn)處碳含量基本為零,說(shuō)明2#鋼在 750 ℃ 退火后,確實(shí)出現(xiàn)了先共析鐵素體.結(jié)合金相和硬度實(shí)驗(yàn),說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中含鈮高碳鋼在當(dāng)前退火工藝處理后,均出現(xiàn)了先共析鐵素體.

圖3 2#鋼750 ℃退火態(tài)EDS取點(diǎn)位置圖及EDS數(shù)據(jù)(δ為EDS測(cè)量時(shí)的公差范圍)Fig.3 Location of EDS and EDS data of 2# steel after annealing at 750 ℃

從金相結(jié)果可以觀察到隨著含碳量升高,先共析鐵素體的體積百分含量越低,這與含碳量與共析點(diǎn)含碳量的差異減少有關(guān);溫度改變對(duì)于先共析鐵素體含量影響顯著.統(tǒng)計(jì)兩種試驗(yàn)鋼的先共析鐵素體體積百分含量,得到表3.數(shù)據(jù)顯示兩種含鈮試驗(yàn)鋼在 750 ℃ 退火后得到先共析鐵素體含量比 800 ℃ 退火后的要低,即溫度越高,共析點(diǎn)碳含量越高,退火態(tài)下得到的先共析鐵素體組織含量就越高.

表3 含鈮鋼不同退火處理下先共析鐵素體的體積百分含量

2.2 退火后珠光體組織形貌

圖4為1#、2#和3#鋼在 800 ℃ 和 750 ℃ 退火處理后的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)形貌.對(duì)比圖4(b)和圖4 (c),相同含碳量的2#和3#鋼在相同的 800 ℃ 和 750 ℃ 退火處理后,加Nb的2#鋼觀察到珠光體明顯發(fā)生了退化,出現(xiàn)大片的短棒狀和球狀的滲碳體顆粒;3#鋼在較高溫下沒(méi)有觀察到明顯的珠光體退化,而在 750 ℃ 退火后出現(xiàn)了部分的球化現(xiàn)象.如圖4(a1)和圖4(a2)所示,較低含碳量的含鈮高碳鋼,1#鋼在退火處理后,珠光體也發(fā)生了退化現(xiàn)象,與2#鋼相比,可以觀察到退火后的球化率明顯較低.對(duì)比 800 ℃ 和 750 ℃ 不同退火處理后的試驗(yàn)鋼的組織形貌,可以發(fā)現(xiàn)無(wú)鈮的3#鋼在較低溫下出現(xiàn)了部分的球化現(xiàn)象,而在較高溫下沒(méi)有觀察到明顯的球化;含鈮的1#和2#鋼在兩種退火處理后,珠光體都發(fā)生了明顯的退化,可以觀察到清晰的球化滲碳體,但是在 750 ℃ 退火后的球化率要明顯高于 800 ℃ 退火后的球化率,這一點(diǎn)在2#鋼中尤為明顯,如圖4(b2)和(b1)所示.

(a1)1#鋼 800℃ (b1)2#鋼 800℃ (c1)3#鋼 800℃

(a2)1#鋼 750℃ (b2)2#鋼 750℃ (c2)3#鋼 750℃.圖4 試驗(yàn)鋼不同退火處理后的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tested steels after different annealing temperatures

3 分析討論

3.1 鈮對(duì)共析轉(zhuǎn)變的影響

過(guò)共析鋼在平衡冷卻過(guò)程中發(fā)生共析轉(zhuǎn)變前,由于基體中含碳量超過(guò)共析點(diǎn),會(huì)從奧氏體中先析出二次滲碳體,這些先析滲碳體往往會(huì)沿奧氏體晶界析出,呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布[22],冷卻結(jié)束后,組織形貌即為網(wǎng)狀滲碳體圍繞著珠光體分布,如圖2(c1)和圖2(c2)所示.當(dāng)試驗(yàn)的高碳鋼中加入Nb后,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體消失,取而代之的是出現(xiàn)了先共析鐵素體,說(shuō)明Nb使鋼種的共析點(diǎn)發(fā)生了右移.張正延等[19]指出亞共析鋼中加入微量的Nb,不僅擴(kuò)大先共析鐵素體占比,而且其形貌更加細(xì)小、均勻,且形貌多呈現(xiàn)多邊形化.李翔等[23]對(duì)含鈮高碳鋼的研究發(fā)現(xiàn),在奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,Nb會(huì)從奧氏體中析出,釘扎附近的碳元素形成碳化鈮析出相,降低奧氏體晶界附近的碳濃度,使奧氏體無(wú)法在后續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程中沒(méi)有足夠的碳濃度析出二次滲碳體.高麗[24]利用第一性原理從原子層面計(jì)算分析得到,當(dāng)Nb固溶存在奧氏體中時(shí),降低鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度,延遲奧氏體向珠光體以及鐵素體的轉(zhuǎn)變,有利于提供更多的形核位置.在高碳鋼中Nb的析出相阻礙了二次滲碳體的析出,而固溶Nb有利于先共析鐵素體形核,從而使含碳量超過(guò)0.77%一定量的含鈮鋼在退火過(guò)程中可以產(chǎn)生先共析鐵素體.

在盡可能避免溫度對(duì)奧氏體晶粒大小影響的情況下,降低退火保溫溫度,退火后得到的先共析鐵素體占比也會(huì)降低,兩種含鈮試驗(yàn)鋼在 750 ℃ 退火處理后得到先共析鐵素體含量為 800 ℃ 退火處理后的55%～75%.保溫溫度降低,NbC在鋼中的固溶度積就越小,奧氏體中固溶的Nb含量和C含量降低,在冷卻過(guò)程中,相對(duì)析出的NbC的含量也減少,即對(duì)碳元素的釘扎能力就越弱,導(dǎo)致奧氏體晶界附近的碳濃度降低程度小,從而生成先共析鐵素體含量降低.高麗[24]的第一性原理計(jì)算表明,Nb會(huì)降低鐵素體轉(zhuǎn)變溫度,推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變;劉鋮霖等[25-26]利用價(jià)電子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算得到,Nb將會(huì)阻礙碳在奧氏體中擴(kuò)散,阻礙珠光體的形核與長(zhǎng)大,但同時(shí)C曲線上移又體現(xiàn)了含鈮高碳鋼的珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度升高.所以溫度降低,珠光體含量升高,而先共析鐵素體含量降低.

3.2 鈮對(duì)退火組織的影響

在退火過(guò)程中,鐵素體和滲碳體之間的界面能是碳化物球化的驅(qū)動(dòng)力.優(yōu)先球化的位置一般均為錯(cuò)配度高的位置.錢永愉[27]提出在奧氏體化過(guò)程中,過(guò)共析鋼在兩相區(qū)加熱會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的滲碳體殘留,這些殘留的滲碳體會(huì)在球化保溫的過(guò)程中逐漸球化,為后續(xù)共析轉(zhuǎn)變提供非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn).李振興等[28]研究不同奧氏體化溫度對(duì)GCr15鋼的球化效果的影響,當(dāng)奧氏體化溫度在Ac1(加熱時(shí),珠光體奧氏體化開(kāi)始溫度)～Accm之間時(shí),在奧氏體化過(guò)程中,碳化物不能完全溶解,在界面能的作用下,碳化物逐漸呈現(xiàn)顆粒狀.在后續(xù)的冷卻過(guò)程中,當(dāng)奧氏體化后的冷卻速度低于臨界冷卻速度,過(guò)冷度低于臨界過(guò)冷度時(shí),會(huì)發(fā)生離異共析轉(zhuǎn)變,粒狀碳化物會(huì)成為非均勻形核的核心,從而吸附沉淀碳元素進(jìn)而完成球化.當(dāng)奧氏體化溫度較高時(shí),碳元素的擴(kuò)散速度較快,片狀碳化物退化所需時(shí)間較短,若退化后繼續(xù)保溫,碳元素就繼續(xù)從高濃度向低濃度區(qū)域擴(kuò)散.Robbins等[29]提出的Gibbs-Thomson效應(yīng)中,曲率半徑越大滲碳體附近的碳濃度越低,曲率差異導(dǎo)致的碳濃度差異構(gòu)成了一種碳濃度梯度,碳元素會(huì)沿著碳濃度梯度由高向低擴(kuò)散.碳元素不斷擴(kuò)散,為了維持平衡,尺寸較小的碳化物不斷溶解,尺寸較大的碳化物繼續(xù)長(zhǎng)大,使未溶碳化物數(shù)量較少,平均尺寸較大,球化效果減弱.所以?shī)W氏體化溫度超過(guò)球化合適溫度范圍之后,溫度越高,球化效果越差.

Nb是強(qiáng)碳化物形成元素,能夠有效地抑制鋼中碳元素的擴(kuò)散.高碳鋼中加入微量Nb后,Nb在鋼中的存在形式為NbC析出相和固溶Nb兩種.在試驗(yàn)鋼退火過(guò)程中,Nb的作用分兩方面,一方面降低碳化物的溶解與析出過(guò)程中碳元素的長(zhǎng)程擴(kuò)散速率;另一方面減少碳化物溶解與析出過(guò)程中碳元素的擴(kuò)散距離[30].從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,Nb的兩方面作用綜合結(jié)果是促進(jìn)了試驗(yàn)鋼中碳化物的析出與球化的速率.劉鋮霖[26]對(duì)球化滲碳體進(jìn)行元素定性分析,結(jié)果觀察到滲碳體中存在清晰的Nb峰,雖然Nb峰值很低,但是可以說(shuō)明Nb元素與滲碳體有關(guān).同時(shí)Nb會(huì)使基體產(chǎn)生較多的缺陷,提高了鐵素體和珠光體之間的錯(cuò)配度,從而提高兩者間的界面能,缺陷也會(huì)加速元素?cái)U(kuò)散,容易導(dǎo)致基體內(nèi)產(chǎn)生成分起伏、能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏[31],因此,Nb的加入會(huì)加速試驗(yàn)鋼的片狀珠光體的退化.Gavriljuk[32]研究指出,短棒狀滲碳體尖角端的滲碳體的溶解過(guò)程中,碳原子會(huì)沿著位錯(cuò)等高擴(kuò)散通道進(jìn)行擴(kuò)散,而Nb的加入會(huì)新增大量的缺陷,提高了體系內(nèi)的界面能,也為碳的擴(kuò)散提供了更多的高擴(kuò)散通道,加速了碳的短程擴(kuò)散,同時(shí)由于Nb的加入會(huì)減少珠光體層的片層間距,縮短了碳的擴(kuò)散距離,從而加速了顆粒狀滲碳體的形成,也加速了珠光體球化的進(jìn)程.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,800 ℃ 退火處理后無(wú)鈮鋼的珠光體沒(méi)有明顯球化現(xiàn)象,而 750 ℃ 退火處理后無(wú)鈮鋼的珠光體區(qū)發(fā)生部分球化;加入Nb后,試驗(yàn)鋼在兩個(gè)溫度的退火態(tài)SEM結(jié)果中都觀察到了明顯的球化.研究表明[33],加熱溫度越高,奧氏體化越完全,珠光體組織含量就越少,合金元素和碳化物的回溶程度就越大,導(dǎo)致珠光體內(nèi)的碳濃度差異越小,就會(huì)阻礙球化過(guò)程,這一點(diǎn)在圖4(c1)和(c2)中可以觀察到.但是溫度對(duì)于球化進(jìn)程的影響并不是單一的,溫度升高對(duì)元素?cái)U(kuò)散具有促進(jìn)作用,而Nb元素和C元素的擴(kuò)散有利于球化進(jìn)程[31].這就是溫度升高,無(wú)鈮鋼的滲碳體球化能力減弱,而含鈮鋼在較高溫下仍可以表現(xiàn)出良好的球化能力的原因.

3.3 鈮與共析點(diǎn)含碳量的關(guān)系

3.3.1 鋼中固溶的Nb和C含量的計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,加入相同含量的Nb之后,不同成分的試驗(yàn)鋼在退火后的共析點(diǎn)含碳量變化量不同,同時(shí)相同成分的含鈮試驗(yàn)鋼在不同退火工藝處理后得到的共析點(diǎn)含碳量變化量也不同.說(shuō)明共析點(diǎn)含碳量的改變與在鋼中加入Nb有關(guān).研究表明,在含鈮量不高時(shí),鋼中能生成的Nb的碳氮化物只有MC型的Nb(C,N).所以在無(wú)氮的含鈮高碳鋼中,微量Nb的存在形式只有兩種,一種以NbC析出相形式存在,一種以固溶Nb形式存在于鋼基體中.所以試驗(yàn)鋼中Nb、C滿足以下公式(3):

式中:ω(Nb)、ω(C)分別表示試驗(yàn)鋼中Nb與C的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);[Nb]、[C]分別表示試驗(yàn)鋼中固溶Nb和C的質(zhì)量百分?jǐn)?shù).這個(gè)公式含義即為用Nb、C元素含量減去固溶Nb、C含量即為析出NbC中Nb、C的含量,而NbC析出相中Nb、C原子數(shù)量比為1∶1,Nb、C的原子質(zhì)量比為7.735 1.

表4 試驗(yàn)鋼在不同退火處理下[C]與[Nb]

結(jié)合生產(chǎn)鋼成分及生產(chǎn)工藝,公式(1)和(3)中就有T、[Nb]、[C]、ω(C)以及ω(Nb) 5種變量關(guān)系.首先確定了試驗(yàn)鋼中Nb和C含量,利用公式(1)即可確定某一成分的鋼在合適的溫度保溫且達(dá)到平衡態(tài)狀態(tài)下奧氏體中NbC的固溶度積[Nb]·[C],再結(jié)合公式(3)中C和Nb之間的關(guān)系即可求得試驗(yàn)鋼在該條件下的[C]和[Nb].表4即為1#和2#試驗(yàn)鋼不同熱處理?xiàng)l件下的[C]和[Nb]的計(jì)算結(jié)果.

3.3.2 共析點(diǎn)含碳量的計(jì)算

設(shè)鋼的共析點(diǎn)含碳量為x,單位為%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),根據(jù)杠桿定律,可以得到亞共析鋼先共析鐵素體占比公式:

(4)

式中:Af為先共析鐵素體質(zhì)量百分?jǐn)?shù),[C]為試驗(yàn)鋼固溶的碳含量.根據(jù)先共析鐵素體占比,可以反推該鋼種目前的共析點(diǎn)的含碳量.如表3所示,已經(jīng)得到1#鋼和2#鋼在 800 ℃ 和 750 ℃ 保溫條件下退火得到的先共析鐵素體的體積百分?jǐn)?shù),所以需要將先共析鐵素體的體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.但由于Nb的加入改變了共析轉(zhuǎn)變點(diǎn),使珠光體內(nèi)鐵素體和滲碳體的占比發(fā)生了改變,即珠光體的密度也隨之變化.

根據(jù)相圖和杠桿定律,可以計(jì)算珠光體內(nèi)的鐵素體和滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),其公式如下:

(5)

(6)

式中:AF為珠光體中鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),AFe3C為珠光體中滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù).經(jīng)查找數(shù)據(jù),確定滲碳體的密度ρFe3C=7.66 g/cm2,以及鐵素體的密度ρF=7.88 g/cm2.假設(shè)珠光體的質(zhì)量為1,體積為鐵素體與滲碳體的體積和,那么可以推出珠光體的密度公式如下:

表3已經(jīng)得到了當(dāng)前試驗(yàn)鋼在不同實(shí)驗(yàn)溫度下得到的先共析鐵素體的體積分?jǐn)?shù)和珠光體的體積分?jǐn)?shù),利用鐵素體的密度和求得的珠光體密度,即可轉(zhuǎn)換成先共析鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù):

(8)

將表3的先共析鐵素體體積分?jǐn)?shù)和表4的固溶[C]含量的數(shù)據(jù)代入公式(8),得到結(jié)果如表5所示.

3.3.3 固溶[Nb]含量和共析點(diǎn)含碳量的關(guān)系

表5 含鈮鋼在不同退火處理后共析點(diǎn)碳含量

圖5 共析點(diǎn)碳含量-[Nb]擬合曲線Fig.5 Relationship between the carbon content of the eutectoid point and[Nb]

根據(jù)計(jì)算,在 800 ℃ 保溫時(shí),1#和2#鋼內(nèi)平衡固溶Nb(質(zhì)量分?jǐn)?shù))含量分別為 0.000 242% 和 0.000 277%,對(duì)應(yīng)其提升共析點(diǎn)含碳量為 0.155 2% 和 0.160 3%,能得到大致固溶Nb對(duì)共析點(diǎn)含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的提升能力,分別為每 0.000 001% 固溶[Nb]可以提升共析點(diǎn)含碳量 0.000 641% 和 0.000 579%;在 750 ℃ 保溫時(shí),1# 和2#鋼內(nèi)平衡固溶Nb的(質(zhì)量分?jǐn)?shù))含量分別為 0.000 107% 和 0.000 124%,對(duì)應(yīng)其提升共析點(diǎn)含碳量為 0.078 0% 和 0.140 0%,即每 0.000 001% 固溶[Nb]可以提升共析點(diǎn)含碳量 0.000 729% 和 0.001 129%.根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以觀察到,相同含鈮量的情況下,含碳量和溫度對(duì)共析點(diǎn)均產(chǎn)生了影響.保溫溫度相同時(shí),含碳量越高,固溶Nb含量越高,得到的共析點(diǎn)右移量越多;在奧氏體晶粒大小近似的情況下,含碳量相同時(shí),溫度越高,固溶Nb含量越高,共析點(diǎn)右移量越多.但是對(duì)于共析點(diǎn)碳含量和固溶Nb含量之間的關(guān)系,并不是直觀的線性關(guān)系,所以統(tǒng)計(jì)表4和表5中[Nb]和共析點(diǎn)碳含量的擬合關(guān)系,得到圖5.

圖5為固溶[Nb]和共析點(diǎn)含碳量的擬合圖,對(duì)固溶[Nb]和共析點(diǎn)碳含量做擬合處理,得到公式(9):

式中:Wc表示共析點(diǎn)碳含量,wt.%.得到的公式只能作為經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)計(jì)算得出含碳量在0.7%～0.9%之間的高碳鋼加入Nb之后在不同溫度退火態(tài)下共析點(diǎn)的改變.公式(1)與公式(9)指出在高碳鋼內(nèi)加入Nb之后,經(jīng)奧氏體化處理后,部分鈮固溶進(jìn)奧氏體中,共析點(diǎn)就已經(jīng)有大幅度提升.隨著固溶Nb含量的提高,共析點(diǎn)碳含量升高,最后趨近于0.953 9%.

3.3.4 經(jīng)驗(yàn)公式的推演與驗(yàn)證

由公式(1)和公式(3)可以求出不同成分的高碳鋼在不同保溫條件下可固溶的Nb和C的含量.將不同條件計(jì)算得到的[Nb]代入公式(9),可以得到碳含量、鈮含量以及保溫溫度對(duì)共析點(diǎn)含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的關(guān)系圖,如圖6所示.

(a) (b) (c)圖6 共析點(diǎn)含碳量與保溫溫度、碳含量以及鈮含量之間的曲線圖Fig.6 Relationship between the carbon content of the eutectoid point and the carbon content,or niobium content or holding temperature

圖6(a)為共析點(diǎn)含碳量-保溫溫度曲線;圖6(b)為共析點(diǎn)含碳量-C含量曲線,其中Nb含量為0.04%;圖6(c)為共析點(diǎn)含碳量-Nb含量曲線,其中碳含量為0.80%.結(jié)果表明,含鈮中、高碳鋼中,C含量和退火保溫溫度對(duì)共析點(diǎn)含碳量的影響較為顯著:1)根據(jù)計(jì)算得到的固溶Nb含量在低溫下的數(shù)量級(jí)極低,但明顯提升了共析點(diǎn)碳含量,隨著保溫溫度提高,共析點(diǎn)碳含量隨之增大,最后趨近于一個(gè)最大值;2)在合適的保溫溫度下退火處理,得到的共析點(diǎn)碳含量隨著基體中碳含量的升高而升高;3)根據(jù)公式(1),鈮含量對(duì)于固溶[Nb]含量變化影響不大,所以鈮含量對(duì)共析點(diǎn)影響不大,這也說(shuō)明,僅從改變高碳鋼內(nèi)共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物而言,加入少量Nb就可以達(dá)成預(yù)期目標(biāo).

張正延等[19]和Yong等[20]設(shè)計(jì)了兩種含鈮鋼在 800 ℃ 保溫 1 h 的退火實(shí)驗(yàn),其中第一種鋼(ω(C)=0.75%;ω(Nb)=0.04%)實(shí)測(cè)的先共析鐵素體占比為15.30%,根據(jù)條件計(jì)算得到的固溶Nb和固溶C含量分別為 0.000 235% 和 0.744 86%,由此計(jì)算得到的共析點(diǎn)碳含量為 0.924 8%,可以得到先共析鐵素體占比為19.92%;第二種(ω(C)=0.78%;ω(Nb)=0.064%)實(shí)測(cè)的先共析鐵素體占比為12.63%,而計(jì)算得到的固溶Nb和固溶C含量分別為 0.000 246% 和 0.771 76%,由此計(jì)算得到的共析點(diǎn)碳含量為 0.927 2%,可以得到先共析鐵素體占比為16.94%.模擬公式所得數(shù)據(jù)與Yong等[20]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定偏差,這也與實(shí)驗(yàn)中對(duì)先共析鐵素體占比的統(tǒng)計(jì)方式有關(guān),可能存在統(tǒng)計(jì)誤差.模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的變化趨勢(shì)是相同的,說(shuō)明模擬數(shù)據(jù)有一定的可行性與合理性,可以為實(shí)際生產(chǎn)提供計(jì)算支持.

4 結(jié) 論

1) 800 ℃ 退火處理后無(wú)鈮鋼沒(méi)有發(fā)生球化,而相同退火處理的含鈮鋼發(fā)生了明顯的球化現(xiàn)象.在含鈮高碳鋼和無(wú)鈮高碳鋼同樣發(fā)生球化的 750 ℃ 退火處理下,可以明顯觀察到含鈮鋼的球化率要優(yōu)于無(wú)鈮鋼.Nb拓寬了原有鋼種的球化溫度范圍,提高了高碳鋼球化滲碳體的能力.

2) 高碳鋼中加入Nb之后可以增加共析點(diǎn)含碳量.800 ℃ 退火后,0.77%含碳量的含鈮鋼中先共析鐵素體含量為17.69%;0.86%含碳量的含鈮鋼中先共析鐵素體含量為10.03%;750 ℃ 退火后,0.77%含碳量的含鈮鋼中先共析鐵素體含量為8.27%,0.86%含碳量的含鈮鋼中先共析鐵素體含量為6.19%.根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)固溶Nb含量是影響共析點(diǎn)右移的重要因素.

3) 通過(guò)擬合,得到共析點(diǎn)含碳量與固溶Nb含量之間的定量關(guān)系: