72A簾線鋼連續冷卻轉變規律的分析

范廣彬,劉雅政,孟憲成

(北京科技大學材料科學與工程學院,北京,100083)

72A簾線鋼線材在金屬制品行業中主要用于高級別胎圈絲、高級別鋼絲繩等產品[1]。單一均勻的索氏體組織具有良好的冷拔性能,先共析鐵素體不利于冷拔,因此簾線鋼應具有高索氏體化率,其組織性能要求根據不同品種來控制冷卻工藝參數[2]。連續冷卻轉變(CCT)曲線能精確地反映不同冷卻速度下鋼材的轉變溫度、轉變時間和轉變量之間的關系,對72A簾線鋼生產有著直接的實際指導意義[3]。為此,本文采用熱膨脹法在Gleeble-1500熱模擬實驗機上測定72A簾線鋼的CCT曲線,并分析了開始冷卻溫度為900℃時不同冷卻速度下簾線鋼的室溫組織和連續冷卻轉變規律,以期為工業生產簾線鋼提供依據。

1 試驗與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為某鋼廠72A簾線鋼線材進精軋前的坯料,盤條直徑為10mm,并將其加工成臺階狀(見圖1)。72A簾線鋼的主要化學成分分為:w(C)=0.73%,w(Si)=0.24%,w(M n)=0.50%,w(P)=0.011%,w(S)=0.01%。

圖1 臺階狀試樣加工示意圖Fig.1 Machin ing sketch chart of thermal simulated specimen

1.2 試驗方法

在Gleeble-1500熱模擬實驗機上,先將72A簾線鋼(氬氣保護下)以10℃·s-1的速度由室溫加熱至1 050℃,保溫5 m in后,再以10℃·s-1冷卻速度冷卻至1 000℃;然后將72A簾線鋼進行2次變形,其變形量均為25%,應變速率均為20 s-1;最后將72A簾線鋼以50℃·s-1的冷卻速度快速冷卻至900℃,按設定溫度以1～50℃·s-1的冷卻速度連續冷卻至室溫,同時采集其溫度和膨脹量數據。

2 結果與分析

2.1 72A簾線鋼的動態CCT曲線

根據實際溫度的變化情況,采用切線法確定72A簾線鋼的轉變開始溫度和轉變時間以及轉變終了溫度和轉變時間,觀察72A簾線鋼的室溫組織和電鏡組織,并測量其顯微硬度。圖2為72A簾線鋼的動態CCT曲線。

圖3為不同冷卻速度下72A簾線鋼的轉變完成時間。在相同開始冷卻溫度(900℃)下,冷卻速度越快,簾線鋼轉變完成的時間越短,其原因是,隨著冷卻速度的加快,過冷度增大,使鋼中奧氏體向鐵素體和珠光體轉變的自由焓差值增大,晶界、位錯等處的臨界形核自由能與均勻形核時的臨界形核自由能相比逐漸變小[4],所以在晶界上越易形核,相變越易進行,簾線鋼轉變完成的時間越短。

圖2 72A簾線鋼的動態CCT曲線Fig.2 Dynamic CCT curves of 72A cord steel

圖3 不同冷卻速度下72A簾線鋼的轉變完成時間Fig.3 Finishing transformation time of 72A cord steel at different cooling rates

2.2 72A簾線鋼的組織分析

圖4為不同連續冷卻速度下72A簾線鋼的顯微組織。72A簾線鋼在較低冷卻速度(25℃·s-1以下)時僅發生過冷奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變;較高冷卻速度(35℃·s-1以上)時僅發生珠光體和馬氏體轉變,不發生鐵素體轉變。據Image tool軟件測得,在1、5、20℃·s-1的冷卻速度下,鋼中鐵素體所占體積分別為1.64%、1.28%、0.30%。當冷卻速度為25℃·s-1時,鋼中鐵素體含量為0。由此可知,隨著冷卻速度加快,轉變產生的鐵素體越來越少。冷卻速度為35～50℃·s-1時,鋼中出現了馬氏體,且馬氏體含量隨著冷卻速度加快而增加。當冷卻速度達到35℃·s-1時,由于冷卻速度過快導致先共析鐵素體晶胚達不到形成晶核的臨界尺寸,因此來不及析出先共析鐵素體,此時過冷奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體兩相,即亞共析成分的過冷奧氏體不析出先共析相而直接分解為鐵素體和滲碳體組成的珠光體。

圖5為不同連續冷卻速度下72A簾線鋼的電鏡組織。當冷卻速度為1℃·s-1時,鋼中珠光體片層間距為2～0.16μm,以細珠光體(索氏體)為主,存在少量的粗珠光體(珠光體),冷卻速度繼續加快,粗珠光體逐漸減少;當冷卻速度達到7℃·s-1時,鋼中珠光體片層間距為0.30～0.11 μm,全部為細珠光體(索氏體);冷卻速度達到10℃·s-1以上時,鋼中出現片層間距小于0.1μm的極細珠光體,即組織中出現了屈氏體(或托氏體)。由此可見,隨著冷卻速度加快,鋼中珠光體片層間距越來越小。這是因為鋼的轉變溫度越低,其碳原子擴散速度越小;鋼的過冷度越大,其形核率越高[5]。各種冷卻速度下鋼中珠光體共同特征是其組織均勻性較差,滲碳體片薄且排列紊亂。

圖5 不同冷卻速度下72A簾線鋼的電鏡組織Fig.5 SEM micrographs of 72A cord steel at different cooling rates

圖6為不同冷卻速度下72A簾線鋼中珠光體的顯微硬度變化曲線。鋼中珠光體的硬度(HV 200)隨著冷卻速度加快而增加。當冷卻速度為1～10℃·s-1時,鋼中珠光體組織的硬度值明顯增加,而在20～50℃·s-1冷卻速度下,鋼中珠光組織硬度值變化不大,這是由于鋼中的組織成分和珠光體片層間距發生了變化所致。隨著冷卻速度的加快,鋼中的過冷度加大,其轉變溫度降低,珠光體片層間距減少,即鐵素體和滲碳體變薄,相界面增多。在外力作用下,鋼的抗范性變形能力增強,在宏觀上就表現為其硬度增大。當冷卻速度大于20℃·s-1時,鋼中珠光體片層間距變化較小,即鐵素體和滲碳體片層沒有較大變化,故其硬度變化較小。

由此可見,要得到鋼中均勻的索氏體組織,其冷卻速率不能太快;為減少鋼中鐵素體含量,其冷卻速度不能太慢。因此,在連續冷卻轉變條件下很難得到鋼中均勻而有序的索氏體組織。

圖6 不同冷卻速度下72A簾線鋼中珠光體的顯微硬度Fig.6 Micro hardness of pearlite in 72A cord steel at different cooling rates

3 結論

(1)72A簾線鋼動態連續冷卻速度越快,其轉變完成的時間越短,珠光體片層間距越小,珠光體顯微硬度越大。在連續冷卻時,鋼中發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度為25～35℃·s-1。

(2)當冷卻速度大于1℃·s-1時,72A簾線鋼室溫組織主要為索氏體;大于10℃·s-1時,鋼的珠光體中出現屈氏體。冷卻速度越慢,鋼中相變后的鐵素體含量越多。要獲得鋼中高的索氏體化率,其冷卻速度應控制在1～7℃·s-1,但鋼中珠光體組織的均勻性較差。采用連續冷卻轉變方式難以獲得單一均勻的索氏體組織。

[1] 蔣躍東,羅德信,趙隆崎.高碳鋼SWRH72A線材軋制工藝的實驗研究[J].武鋼技術,2003,41(5):1-5.

[2] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業出版社,1995:182.

[3] 宋維錫.金屬學[M].北京:冶金工業出版社,2004:328.

[4] 張迎暉,康永林,于浩,等.TRIP鋼變形奧氏體連續冷卻過程的相變及組織研究[J].金屬熱處理,2005,30(12):79-81.

[5] 劉宗昌,任慧平.過冷奧氏體擴散型相變[M].北京:科學出版社,2007:54.