Q245 耐酸鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變分析

供稿|馬廷威，王玉紅，徐勇，武瑞珊，張瑞峰

內(nèi)容導(dǎo)讀

內(nèi)容導(dǎo)讀：通過Gleeble-2000 熱模擬實驗機測定了Q245 耐酸鋼在不同冷卻速度下的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，采用JMatPro 軟件模擬了連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究了冷卻速度與組織和硬度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：Q245 耐酸鋼加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac1為728.5 °C，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ac3為892.5 °C，轉(zhuǎn)變的組織主要有鐵素體和貝氏體。當(dāng)冷卻速度小于10 °C/s時冷卻的組織以鐵素體為主，而冷卻速度大于10 °C/s 時冷卻的組織以貝氏體為主；且隨著冷卻速度的升高，Q245 耐酸鋼硬度隨之增加。

木材中含有大量的水分，在制造家具前必須經(jīng)過干燥，干燥窯是用來對木材進行干燥加工處理的主要裝備。木材在干燥過程中，受熱會排出大量的水分，甲酸、乙酸等低級脂肪酸10 多種弱酸，工作溫度高溫、高濕。目前干燥窯的窯體主要使用鋁材（部分用不銹鋼）但成本較高，市場上的耐酸鋼[1?5]等產(chǎn)品無法適用。Q245 耐酸鋼的研究擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金和不銹鋼，以降低干燥窯生產(chǎn)成本。

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線能夠反映材料的組織轉(zhuǎn)變過程、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以及相關(guān)轉(zhuǎn)變規(guī)律，是制定軋制工藝和研究熱處理工藝的重要參考資料。本文采用Gleeble 熱模擬實驗機測定Q245 耐酸鋼在不同冷速條件下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中的組織轉(zhuǎn)變和規(guī)律，為Q245 耐酸鋼的軋制工藝制定提供參考。

試樣制備與實驗方法

針對Q245 耐酸鋼使用環(huán)境并參考相關(guān)耐酸鋼資料[6?9]，設(shè)定其成分為低碳并適當(dāng)添加銅和鉻等元素以提高材料的抗腐蝕性能和力學(xué)性能。冶煉采用真空爐（VIM），鑄錠后，送鍛造廠進行鍛造，鍛造后的材料機械加工成熱模擬試樣，以備熱模擬實驗。實驗用鋼的成分如表1 所示。

表1 實驗用鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

為從理論上確定奧氏體化溫度，采用JMatPro軟件模擬實驗鋼凝固過程，得到合金的平衡相圖，如圖1 所示。通過圖1 可知合金奧氏體化開始溫度為708.3 °C，奧氏體化結(jié)束溫度為884.4 °C。設(shè)定后續(xù)奧氏體化溫度為960 °C，保溫5 min。

圖1 合金的平衡相圖

在實驗材料上截取?3 mm×80 mm 的試樣，放入Gleeble 2000 熱模擬實驗機，加熱溫度為960 °C，保溫5 min。實驗材料完全奧氏體化后采用不同的冷卻速度冷卻到室溫，冷卻速度分別為35，30，25，20，15，10，5，2 和1 °C/s，冷卻后的試樣經(jīng)過取樣、磨制和拋光后，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕劑進行腐蝕，腐蝕后的試樣采用ZEISSAxioPlan2顯微鏡觀察金相。

實驗結(jié)果與討論

顯微組織

圖2為不同冷卻速度的金相組織，組織為白色鐵素體和黑色貝氏體，不同冷卻速度的組織大小差異明顯，隨著冷卻速度的增大，晶粒尺寸變小，尤其是冷卻速度大于25 °C/s 尤為明顯，貝氏體區(qū)域更加分散、細(xì)小。當(dāng)冷卻速度較小時（≤10 °C/s），顯微組織以粗大的等軸鐵素體為主和少量貝氏體，這是因為冷卻速度慢，原子的擴散速度較慢，相對高溫停留時間較長，導(dǎo)致高溫析出的鐵素體較多，且有充足時間長大[10]；當(dāng)冷卻速度較大時（≥25 °C/s），顯微組織以貝氏體為主和少量的鐵素體，這是由于冷卻速度的加快，相對高溫停留時間較短，導(dǎo)致高溫析出的鐵素體變少，且有晶粒尺寸較小[11]。當(dāng)冷卻速度在15 °C/s 時，微觀組織為貝氏體、鐵素體。隨著冷卻速度的增大，鐵素體占比逐漸變小，而貝氏體占比增大，且貝氏體尺寸更加細(xì)化。這是由于溫度的降低，原子的熱運動性能降低，導(dǎo)致先共析鐵素體長大困難，降低了其尺寸和占比。

圖2 不同冷卻速度下試樣金相組織：（a）1 °C/s；（b）2 °C/s；（c）5 °C/s；（d）10 °C/s；（e）15 °C/s；（f）20 °C/s；（g）25 °C/s；（h）30 °C/s；（j）35 °C/s

實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

結(jié)合微觀組織和熱模擬實驗數(shù)據(jù)，繪制如圖3 的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。從圖3 中可以看出，Q245 耐酸鋼的轉(zhuǎn)變區(qū)分為2 部分：高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，奧氏體（A）轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別是鐵素體（F）和貝氏體（B）。在較低冷卻速度下，即冷卻速度控制在10 °C/s 以下時，Q245 耐酸鋼獲得的顯微組織為鐵素體組織為主，此階段相變溫度較高；當(dāng)冷卻速度大于10 °C/s，Q245 耐酸鋼顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)闉樨愂象w組織為主，此階段相變溫度較低。考慮Q245 耐酸鋼應(yīng)用在耐酸環(huán)境中，其冷卻速度應(yīng)大于10 °C/s，此時獲得貝氏體，冷卻速度越快，貝氏體占比越大，但當(dāng)冷卻速度大于等于25 °C/s 后，微觀組織變化較小。

圖3 實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖4為JMatPro 模擬鋼樣的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，可以看出，合金的相變區(qū)分為鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)、貝氏體區(qū)3 個區(qū)域。當(dāng)冷卻速度控制在1 °C/s 以下時，合金會先析出鐵素體、珠光體和貝氏體，當(dāng)冷卻速度控制在1 和10 °C/s 時，隨著冷卻速度的增加，組織從先共析鐵素體+珠光體+貝氏體演變?yōu)閺南裙参鲨F素體+貝氏體。繼續(xù)增加冷卻速度至100 °C/s 時，組織為先共析鐵素體+貝氏體。相變區(qū)域沒有馬氏體的出現(xiàn)，這與實驗獲得的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線結(jié)果基本一致。

圖4 JMatPro 模擬的合金連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

顯微硬度

圖5為Q245 耐酸鋼的顯微硬度，隨著冷卻速度的增大，顯微硬度升高。而冷卻速度大于10 °C/s時，硬度上升幅度較?。划?dāng)冷卻速度達(dá)到20 °C/s后，硬度隨冷卻速度增加的趨于穩(wěn)定。這是因為在該范圍內(nèi)，組織均為貝氏體+少量鐵素體，且尺寸相當(dāng)。而冷卻速度小于10 °C/s 時，硬度較低，但上升明顯。這是由于在該冷卻速度范圍內(nèi)，得到的微觀組織是鐵素體為主，硬度較低，隨著冷卻速度的增加，組織中貝氏體數(shù)量也開始增加，晶粒尺寸減小，促使微觀硬度增加。

圖5 實驗鋼顯微硬度

結(jié)論

（1）Q245 耐酸鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中存在高溫和中溫2 個轉(zhuǎn)變區(qū)，高溫區(qū)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是鐵素體兼有少量貝氏體，而中溫區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要是貝氏體兼有少量鐵素體。

（2） 冷卻速度控制在10 °C/s 以下時，室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體+貝氏體，晶粒尺寸較大；冷卻速度大于10 °C/s 時，室溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是貝氏體+鐵素體，晶粒尺寸較細(xì)小。

（3） 隨著冷卻速度的增加，Q245 耐酸鋼硬度升高，當(dāng)冷卻速度達(dá)到10 °C/s 時，硬度增加幅度變小，尤其是大于20 °C/s 時，硬度趨于穩(wěn)定。