基于相變熱模擬方法的工藝調(diào)控對HRB400E組織和性能影響的研究

摘 要：線材是鋼材加工中一種最基本的原料，通常線材的直徑為5.5～16 mm。高速線材軋制后的冷卻控制方式方法，直接影響線材產(chǎn)品的金相組織組成及晶粒度的大小，是決定產(chǎn)品機械性能的關(guān)鍵因素，也決定了線材產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣，針對6規(guī)格HRB400E鋼筋出現(xiàn)延伸率不合問題，并達到精準調(diào)控組織目的，采用DIL 805L熱膨脹儀進行試驗，并利用EBSD確定相應(yīng)相比例；并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化控冷工藝。試驗結(jié)果表明，冷卻速率為3℃/s時，開始出現(xiàn)貝氏體組織，冷卻速率為20℃/s時，出現(xiàn)馬氏體組織，且優(yōu)化控冷工藝后，解決了6規(guī)格HRB400E鋼筋出現(xiàn)延伸率不合問題，并進一步優(yōu)化了成本。

關(guān)鍵詞：高速線材；HRB400E；CCT；控制冷卻；相變溫度

STUDY ON THE EFFECT OF PROCESS CONTROL ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF HRB400 BASED ON PHASE CHANGE THERMAL SIMULATION METHOD

Hao Feixiang1 Zhang Han2，3 Luo Peigen1 Liang Weijia1 Guo Fujian2，4 Li Xiucheng2，5

（1.Yang Chun New Iron and Steel Co.， Yangchun 529600，China；2.Yang Jiang Advanced Alloys Laboratory Yangjiang 529500，China;3. School of Mechanical Engineering，Jinan University Jinan 250022，China; 4. School of Materials Science and Engineering， Guangdong Ocean University Yangjiang 529500; 5. State Key Laboratory of Advanced Metal Materials， University of Science and Technology Beijing Beijing 100083，China）

Abstract：Wire rod is one of the most basic raw materials in steel processing， usually the diameter of wire rod is 5.5-16 mm. The cooling control method after high-speed wire rod rolling directly affects the metallographic structure composition and grain size of the wire rod product， which is the key factor that determines the mechanical properties of the product， and also determines the quality HRB400E of the wire rod product. The experimental results show that bainite structure begins to appear when the cooling rate is 3°C/s， and martensite structure appears when the cooling rate is 20 ℃/s HRB400E.

Keywords： high-speed wire;HRB400E，;CCT;controlled cooling; phase change temperature

0 前 言

HRB400E是國內(nèi)建筑行業(yè)常見的抗震性能鋼材，具有較高的屈服強度、較好的焊接性等特點[1-3]，現(xiàn)階段鋼筋的生產(chǎn)主要以微合金化、余熱處理、控軋控冷等工藝來實現(xiàn)[4-7]，軋制控軋控冷技術(shù)對鋼材產(chǎn)品機械性能影響較大，控冷工藝的核心是控制軋材的相變速率，不同溫降速率決定了產(chǎn)品最終的金相組織和晶粒度，從而決定了鋼材產(chǎn)品的綜合性能。

CCT曲線即過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。它反映了在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織與性能的依據(jù)，也是制訂熱處理工藝的重要參考資料[8-9]。高線生產(chǎn)的控冷工藝一直沒有得到有效應(yīng)用，各產(chǎn)品的CCT曲線也沒有建立。隨著公司對品種鋼開發(fā)力度加大，精準控制產(chǎn)品質(zhì)量和組織要求更高。而建立高線產(chǎn)品的CCT曲線也逐漸顯現(xiàn)其重要性。如何進行精確控制冷卻，核心在于控制冷卻過程的相變速率，具體相關(guān)的研究較少，未能形成有效的質(zhì)量控制體系，所以有必要對不同品種不同冷卻速率下的相變溫度進行分析與研究，繪制對應(yīng)成分的產(chǎn)品CCT相變溫度曲線，以指導控冷參數(shù)優(yōu)化，從而穩(wěn)定提升線材產(chǎn)品質(zhì)量。本文就HRB400E的冷卻相變等方面進行研究。

1 試驗材料與方法

試樣采用以高線生產(chǎn)的6規(guī)格的HRB400E，試樣用線切割加工為φ3 mm×10 mm的標準試樣，試樣成分如表1所示。

采用DIL 805L熱膨脹儀進行熱模擬試樣，先將試樣加熱以10 ℃/s加熱到1 000 ℃并保溫5 min，然后以1、3、5、10、20 ℃/s的速度冷卻到室溫，工藝圖1所示；根據(jù)試樣膨脹量，采用切線法確定相變點。將熱模擬后的樣品切開，打磨至2000#并進行拋光，清洗干凈后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，之后采用DMI8C徠卡光學顯微鏡和TESCAN CLARA超高分辨掃描電子顯微鏡觀察顯微組織，利用EBSD確定各相比例；最后通過WBE-9009B 100 kN萬能力學性能試驗機對試驗進行拉伸性能測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織分析

圖2為不同冷速下的金相組織照片，圖3為不同冷速下珠光體、貝氏體、馬氏體形貌。隨著組織的轉(zhuǎn)變，硬度從小到大分別為鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體；結(jié)合金相組織和硬度來看，原始試樣硬度為187 HV，為細碎的珠光體和鐵素體；當試樣以較低的冷速（1 ℃/s）冷卻時，硬度為

170 HV，試樣主要以珠光體和鐵素體為主，當試樣以中間冷速（3～5 ℃/s）冷卻時，試樣硬度不斷增加，試樣進入貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，隨著冷卻速度的增加，珠光體相比例逐漸減少，貝氏體增多，當冷速達到10 ℃/s時，試樣組織基本上為貝氏體組織，硬度達到229HV，當試樣以較高冷速（20 ℃/s）冷卻時，試樣400 HV硬度，試樣在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，試樣組織主要為馬氏體和貝氏體。

從不同冷卻速率下的金相組織來看，冷卻速率越快奧氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度越低，開始出現(xiàn)鐵素體和出現(xiàn)珠光體的溫度點也低，轉(zhuǎn)變時間區(qū)間窄，成品的晶粒度越細。冷卻速率為3 ℃/s時，開始出現(xiàn)貝氏體組織，冷卻速率為20℃/s時，出現(xiàn)馬氏體組織。進一步通過EBSD確定各相比例，由于EBSD無法分辨出珠光體和鐵素體，故通過金相法確定相應(yīng)相比例，原始試樣珠光體占37.3%，冷速1℃/s珠光體占49%，圖4為不同貝氏體相比例分數(shù)，貝氏體相比例是通過EBSD分峰法確定的，該方法是采用EBSD得到相應(yīng)的BC圖（band contrast），之后利用多峰模型對歸一化后的BC數(shù)據(jù)進行分析。之后構(gòu)造兩個正態(tài)分布峰，它們與試驗數(shù)據(jù)的分布曲線完美匹配。假設(shè)低波段襯度峰中所有數(shù)據(jù)點均來自馬氏體/貝氏體，低BC峰的分數(shù)給出了該混相組織中馬氏體/貝氏體相的體積分數(shù)[10]。計算經(jīng)過計算，當冷速到3 ℃/s時，出現(xiàn)貝氏體，貝氏體占比36.7%，冷速 5℃/s時，貝氏體占比37.6%，當馬氏體開始出現(xiàn)，冷速10 ℃/s時，貝氏體占比37.6%，冷速進一步提高時，冷速20 ℃/s時，馬氏體占比61.5%。

為了進一步分析馬氏體和貝氏體組織，通過EBSD中的KAM顯示的應(yīng)力分布（如圖5所示）來研究，黃色和紅色為較高的KAM值引起的應(yīng)力集中，由于貝氏體各馬氏體在轉(zhuǎn)變過程中回發(fā)生不同程度的畸變，馬氏體和貝氏體相越多，應(yīng)力集中越大，KAM值越高，高冷速下，貝氏體和馬氏體逐漸成為主要組織，如圖5e、f所示，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力集中。

2.2 CCT曲線圖

當奧氏體發(fā)生相變時，試樣會發(fā)生體積膨脹，出現(xiàn)熱膨脹曲線的偏離，根據(jù)熱膨脹曲線，采用切線法確定不同冷速下的相變溫度[11-12]，如圖6所示，以20 ℃/s為例，可以根據(jù)曲線得出四個轉(zhuǎn)變點溫度，分別為593、472、381、312 ℃，并結(jié)合圖2和圖3中的相變產(chǎn)物，進一步判斷不同冷速下的相變類型，從而繪制處相應(yīng)的CCT曲線。

依據(jù)以上方法，對HRB400E熱模擬試驗數(shù)據(jù)進行處理，找出對應(yīng)的相變溫度，結(jié)果如表2所示。其中冷速為1 ℃/s時，鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度為

732 ℃/s，珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度為643 ℃，結(jié)束點為580 ℃，當冷速增大時，由于過冷度增大，形核所需自由能減小，形核效率增加，相變過程中更易形核，所以相變轉(zhuǎn)變溫度也隨著冷速的增大而減小。當?shù)贸龈骼渌傧孪嘧冝D(zhuǎn)變溫度，進而可繪制出相應(yīng)的CCT曲線，如圖7所示。

3 生產(chǎn)應(yīng)用試驗及優(yōu)化

結(jié)合CCT曲線試驗結(jié)果，以相變溫度為依據(jù)，展開對高線軋制工藝過程控制參數(shù)進行優(yōu)化的生產(chǎn)試驗工作，不斷改進優(yōu)化工藝過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)CCT模擬結(jié)果及現(xiàn)場測溫（圖8所示）情況發(fā)現(xiàn)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在3號和4號風機處，因此在該段通過關(guān)閉保溫罩的方式來達到降低冷速的效果。設(shè)計控冷方案如表3所示，其中方案1為原6規(guī)格HRB400E螺紋鋼生產(chǎn)工藝，方案2、3、4為了進一步接近過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，使得樣品在進入3號風機前未發(fā)生過冷奧氏體轉(zhuǎn)變；方案5嘗試在提高吐絲溫度的狀況下，樣品在經(jīng)過100%1號風機和80%2號風機時能否不發(fā)生過冷奧氏體轉(zhuǎn)變；方案6嘗試樣品在空冷的條件下能否合格。

每個試驗方案取頭尾樣品進行檢測，檢測結(jié)果如圖9所示，從圖中可以得出，試驗方案2、試驗方案3、試驗方案6相比其余方案結(jié)果較好。但試驗方案2和試驗方案6的屈服強度較低，因此試驗方案3最理想。試驗生產(chǎn)出的φ6.0 mm盤螺鋼筋屈服強度＞438.8 MPa，抗拉強度＞627.1 MPa，頭部平均屈服強度為462.68 MPa，尾部平均屈服強度為475.57 MPa，頭部平均抗拉強度為641.51 MPa，尾部平均屈服強度為652.29 MPa，屈服強度和抗拉強度最大差異在26 MPa左右。試驗數(shù)據(jù)說明依據(jù)線材產(chǎn)品CCT曲線相變溫度進行控冷工藝調(diào)整方法是適宜的，方向是正確的。

根據(jù)試驗結(jié)果，持續(xù)對原有工藝參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化。修改控冷程序表部分參數(shù)范圍，將加熱溫度均熱溫度控制范圍原基礎(chǔ)上提高40 ℃。將進精軋溫度原標準基礎(chǔ)上降低20 ℃。將吐絲溫度降低

30 ℃。通過調(diào)整推鋼式加熱爐加熱時間、進精軋口溫度、吐絲溫度、風機開度進行試驗，最終得出適合盤螺鋼筋控冷工藝的最優(yōu)方案，相比原有工藝，各規(guī)格盤螺的力學性能差異縮小，降低了盤螺鋼筋綜合力學性能波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，穩(wěn)定了該系列產(chǎn)品的質(zhì)量，也為成分優(yōu)化提供了支撐和指導。

4 結(jié) 論

1）軋制控軋控冷技術(shù)對鋼材產(chǎn)品機械性能影響較大，控冷工藝的核心是控制軋材的相變速率，不同溫降速率決定了產(chǎn)品最終的金相組織和晶粒度，從而決定了鋼材產(chǎn)品的綜合性能。

2）掌握了不同品規(guī)高線產(chǎn)品的CCT曲線的相變溫度，通過控冷工藝調(diào)整，可管控產(chǎn)品的最終力學性能。

3）需逐一針對線材產(chǎn)品的控冷工藝優(yōu)化，以達到穩(wěn)定產(chǎn)品的性能，減少性能差異過大的影響，避免不合格品的產(chǎn)生，降低金屬消耗，提高成材率。

4）通過冷工藝優(yōu)化后，產(chǎn)生的質(zhì)量過剩，可進一步優(yōu)化產(chǎn)品的化學成分，以達到降低合金成本，實現(xiàn)綜合成本最優(yōu)化。

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