薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)65Mn鋼的CCT曲線和淬透性

黃 剛，吳開明，周 峰，周春泉，周明偉，焦國(guó)華

（1武漢科技大學(xué) 國(guó)際鋼鐵研究院，武漢430081；2湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底417009）

薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)65Mn鋼的CCT曲線和淬透性

黃 剛1，吳開明1，周 峰1，周春泉2，周明偉2，焦國(guó)華2

（1武漢科技大學(xué) 國(guó)際鋼鐵研究院，武漢430081；2湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底417009）

利用Formaster熱膨脹儀和金相法，測(cè)定了薄板坯連鑄連軋工藝（CSP）生產(chǎn)的高碳高強(qiáng)度65Mn鋼的CCT曲線，測(cè)得臨界點(diǎn)為AC1＝719℃，AC3＝747℃，Ms＝267℃，臨界冷卻速率為35℃／s。使用掃描電鏡和硬度儀分析表明，薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的淬火組織細(xì)小均勻，硬度高，比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的淬透性好。

薄板坯連鑄連軋；CSP；CCT曲線；淬透性

高碳65Mn鋼，具有淬透性好，脫碳傾向小，價(jià)格低廉，切削性好等優(yōu)點(diǎn)，用途廣泛，是制造高檔金剛石圓鋸片等切割工器具的重要材料。65Mn鋼由于碳含量高，通常采用模鑄工藝生產(chǎn)。過去幾十年來(lái)，對(duì)于上述工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線和淬透性進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)90年代，劉宗昌和張羊換［1，2］研究了65Mn鋼簡(jiǎn)略的CCT曲線和淬火工藝。近年來(lái)，孫繼兵［3－6］等研究了使用65Mn鋼生產(chǎn)金剛石圓鋸片的熱處理工藝和性能。李煒新和余萬(wàn)華［7，8］等研究了冷卻速率對(duì)65Mn鋼組織和性能的影響，陳景滸和隋培玲［9，10］等研究了65Mn淬火熱處理生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些問題。由以前的研究［5－10］可知，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼用于制造金剛石鋸片基體容易出現(xiàn)以下幾方面的問題：（1）當(dāng)加熱時(shí)間和溫度不夠時(shí)，碳在奧氏體中溶解和均勻化不夠，淬火過程中析出鐵素體降低組織硬度；（2）淬透性不夠，相變不均勻，鋸片發(fā)生變形；（3）奧氏體晶粒過大，形成粗大的馬氏體，容易淬裂；（4）鋼中的C，Mn含量偏低或者鑄坯成分偏析導(dǎo)致的成分、組織和性能不均勻。

薄板坯連鑄連軋（Compact Strip Production，CSP）是當(dāng)今世界鋼鐵工業(yè)將科學(xué)、技術(shù)和工程集于一體，將熱軋板卷的生產(chǎn)在一條短流程生產(chǎn)線上完成的先進(jìn)工藝，在國(guó)內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展［11］。漣鋼充分利用薄板坯連鑄連軋技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在CSP生產(chǎn)線上成功開發(fā)了高強(qiáng)度65Mn鋼。CSP工藝采用了電磁攪拌和液芯輕壓下技術(shù)，具有冷卻速率快，鑄坯等軸晶多，凝固組織和析出物細(xì)小，成分偏析小的特點(diǎn)。CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼相比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼組織更加細(xì)小和均勻，C和Mn元素偏析小，強(qiáng)度和塑性高，力學(xué)性能分布更均勻［12，13］。不同的熱軋組織對(duì)熱處理工藝和性能有不同的影響，本工作研究了CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線和淬透性，為正確使用此鋼種，制定合理的熱處理工藝提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)的65Mn鋼，生產(chǎn)流程為：轉(zhuǎn)爐鋼水—LF精煉—薄板坯連鑄機(jī)—輥底式加熱爐—七機(jī)架精軋—層流冷卻—地下卷取機(jī)—檢驗(yàn)入庫(kù)，其化學(xué)成分如表1所示。

采用Formaster熱膨脹儀，結(jié)合金相法測(cè)定樣品鋼的CCT曲線。樣品熱軋板經(jīng)車削加工成φ3mm×10mm規(guī)格的試樣，一端加工有φ2mm×2mm的小孔，如圖1所示。以0.05℃／s的加熱速率將鋼加熱至850℃，測(cè)得升溫膨脹曲線，在曲線上確定其臨界點(diǎn)Ac1和Ac3。將試樣在850℃保溫10min完全奧氏體化，以不同的冷卻速率（0.05～35℃／s）將試樣連續(xù)冷卻，測(cè)定65Mn鋼的降溫膨脹曲線，確定相變點(diǎn)，結(jié)合金相顯微鏡（Olympus BX51）分析試樣的顯微組織，繪出其CCT曲線，以噴水冷卻測(cè)定其Ms點(diǎn)。

表1 65Mn鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of 65Mn steel（mass fraction／%）

圖1 試樣形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of tested specimens

分別取CSP工藝和傳統(tǒng)工藝流程生產(chǎn)的65Mn高強(qiáng)度鋼板（4.5mm厚），切割成2cm×2cm的小塊，在實(shí)驗(yàn)室馬弗爐中分別加熱至830，800℃和770℃保溫10min，然后淬入油中。使用洛氏硬度計(jì)（HR－150A）分別測(cè)量其淬后硬度，并使用掃描電子顯微鏡（FEI Sirion 200）分析淬火試樣的顯微組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線

圖2是CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的原始軋態(tài)組織，可以看出，它主要由超細(xì)珠光體和少量晶界先共析鐵素體組成。

圖2 65Mn鋼的熱軋態(tài)組織 （a）光學(xué)組織；（b）掃描電鏡組織Fig.2 The as－rolled microstructure of 65Mn steel （a）OM micrograph；（b）SEM micrograph

圖3是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的CCT曲線。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得此65Mn鋼加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ac1＝719℃，加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3＝747℃，降溫時(shí)馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms＝267℃。可知，當(dāng)65Mn鋼的奧氏體以不同的速率連續(xù)冷卻時(shí)，有先共析鐵素體轉(zhuǎn)變（A→F），珠光體轉(zhuǎn)變（A→P）、貝氏體轉(zhuǎn)變（A→B）及馬氏體轉(zhuǎn)變（A→M）。

圖4是不同冷卻速率所對(duì)應(yīng)的65Mn鋼室溫的顯微組織照片。可以看出，當(dāng)冷卻速率小于2.5℃／s，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和珠光體（F＋P），當(dāng)冷卻速率大于2.5℃／s，開始出現(xiàn)貝氏體（B）。冷卻速率達(dá)到5℃／s時(shí)，開始出現(xiàn)馬氏體（M），冷卻速率達(dá)到10℃／s時(shí)，晶界鐵素體的量就明顯減少。當(dāng)冷速達(dá)到15℃／s，馬氏體量增多，轉(zhuǎn)變主要產(chǎn)物是珠光體、馬氏體和貝氏體（P＋M＋B）。如果冷卻速率大于15℃／s，鐵素體就開始消失。當(dāng)冷速為20℃／s時(shí)，馬氏體含量大約占到70%左右，冷速進(jìn)一步增大，達(dá)到35℃／s時(shí)，馬氏體含量達(dá)到90%左右，即臨界冷速為35℃／s。不同冷卻速率對(duì)應(yīng)65Mn鋼的室溫組織如表2所示。

圖3 CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線Fig.3 The CCT diagram of 65Mn steel produced by CSP

2.2 65Mn鋼的淬透性分析

圖4 不同冷速下試樣的光學(xué)顯微組織（a）0.5℃／s；（b）2.5℃／s；（c）5℃／s；（d）15℃／s；（e）20℃／s；（f）35℃／sFig.4 The optical microstructures of the specimens at different cooling rates（a）0.5℃／s；（b）2.5℃／s；（c）5℃／s；（d）15℃／s；（e）20℃／s；（f）35℃／s

表2 不同冷卻速率下的顯微組織Table 2 The microstructures at different cooling rates

表3 不同工藝生產(chǎn)的試樣的淬火硬度Table 3 Measured hardness of quenched specimen produced by different processes

表3為兩種不同工藝生產(chǎn)的65Mn鋼淬火后的硬度，可以看出，在830，800℃和770℃奧氏體化淬火后，CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的硬度均略高于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼，尤其在770℃奧氏體化時(shí)表現(xiàn)更明顯。CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的AC3溫度為747℃，在770℃奧氏體化加熱淬火得到與800，830℃加熱淬火幾乎相同的硬度值，表明此鋼具有十分優(yōu)良的淬透性。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中試件比較大，所以加熱溫度會(huì)比實(shí)驗(yàn)室要高，同時(shí)過高的加熱溫度又會(huì)使組織粗化并產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，所以著重分析800℃加熱淬火后的試樣。圖5是兩種不同工藝生產(chǎn)的樣品在800℃淬火后顯微組織的SEM照片，可知兩種工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的淬火組織主要都是馬氏體。圖5（a）顯示，CSP工藝生產(chǎn)的試樣中的馬氏體針比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的樣品中的馬氏體針更短小，微觀組織更細(xì)小均勻。顯然，這種組織更有利于增加馬氏體的強(qiáng)韌性，減少試樣淬火開裂和淬后變形的發(fā)生。

圖5 800℃淬火試樣的SEM微觀組織 （a）CSP工藝；（b）傳統(tǒng)工藝Fig.5 SEM micrographs in the 800℃quenched specimens produced by CSP（a）and conventional continuous casting process（b）

CSP工藝生產(chǎn)的4.5mm厚65Mn鋼板在鋸片廠使用普通輥底爐加熱，淬火后硬度HRC達(dá)到了61～63，而且硬度分布均勻，沒有發(fā)現(xiàn)開裂和明顯的變形。

3 討論

鋼的成分直接影響其淬透性。65Mn鋼C含量比較高，Mn是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，使鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度下降，推遲過冷奧氏體的珠光體轉(zhuǎn)變，從而能顯著提高鋼的淬透性。兩種或多種合金元素的同時(shí)加入，比單個(gè)元素對(duì)淬透性的影響要強(qiáng)得多，Cr元素可增加相變?cè)杏?，并推遲過冷奧氏體的珠光體轉(zhuǎn)變，提高鋼的淬透性，所以鋼中可以添加一定量的Cr。同時(shí)，Mn和Cr元素又是降低Ms點(diǎn)的元素［14］，Ms點(diǎn)下降，又會(huì)降低65Mn的淬透性。為了提高65Mn的淬透性，在CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼中添加了少量的Cr。

奧氏體的晶粒大小影響馬氏體的轉(zhuǎn)變開始溫度Ms，奧氏體晶粒減小，Ms點(diǎn)下降［15］；同時(shí)奧氏體晶粒減小，有利于加快珠光體的轉(zhuǎn)變，這些都會(huì)影響65Mn鋼的淬透性。但是奧氏體晶粒過大，會(huì)影響馬氏體相變后組織的性能。因此，奧氏體晶粒尺寸既不宜過大，也不宜太小，適當(dāng)?shù)膴W氏體晶粒大小既要有利于得到良好的淬火組織，也應(yīng)有利于提高65Mn鋼的淬透性。所以，在CSP工藝生產(chǎn)過程中，要求適當(dāng)控制終軋溫度和卷取溫度，使奧氏體晶粒大小適中，有利于提高淬透性。

張羊換，劉宗昌［1］等測(cè)定的傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線，最大的不足是既沒有先共析鐵素體的析出區(qū)，也沒有貝氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)，是一個(gè)很粗略的CCT曲線。本工作測(cè)得的CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的CCT曲線和李紅英［3］測(cè)得傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)65Mn鋼的CCT曲線相比，主要的不同有兩點(diǎn)：（1）Ms點(diǎn)不同：傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)65Mn鋼的Ms點(diǎn)為275℃，CSP工藝生產(chǎn)65Mn鋼的Ms點(diǎn)為267℃；（2）出現(xiàn)馬氏體的最低冷速不同：對(duì)于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼，當(dāng)冷卻速率為20℃／s時(shí)出現(xiàn)馬氏體；對(duì)于CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼，當(dāng)冷速達(dá)到5℃／s時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物就開始有馬氏體（M）出現(xiàn)。由此可以看出，CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的淬透性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的65Mn鋼。在實(shí)驗(yàn)室和工廠里進(jìn)行的熱處理實(shí)驗(yàn)也都證明了CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼具有優(yōu)良的淬透性。

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得了CSP工藝生產(chǎn)65Mn鋼的CCT曲線，得到Ac1＝719℃，Ac3＝747℃，Ms＝267℃，臨界冷卻速率為35℃／s，這些參數(shù)的測(cè)定為合理制訂CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼的熱處理工藝提供了依據(jù)。

（2）CSP工藝生產(chǎn)的65Mn鋼淬透性好，淬火組織細(xì)小均勻，硬度高。

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CCT Diagram and Hardenability of 65Mn Steel Produced by Compact Strip Production

HUANG Gang1，WU Kai－ming1，ZHOU Feng1，ZHOU Chun－quan2，ZHOU Ming－wei2，JIAO Guo－h(huán)ua2
（1International Research Institute for Steel Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2Hunan Valin Lianyuan Iron and Steel Co.，Ltd.，Loudi 417009，Hunan，China）

Using Formaster dilatometer and metallographic method，the CCT diagram of 65Mn steel produced by thin slab continuous casting and rolling process（Compact Strip Production，CSP）was measured.The critical points areAC1＝719℃，AC3＝747℃，Ms＝267℃and the critical cooling rate is 35℃／s.By hardness tester and scanning electron microscopy（SEM）analysis showed that quenched 65Mn steel produced by CSP has fine and uniform microstructure and high hardness，and its hardenability was superior to that of the steel produced by traditional process.

thin slab continuous casting and rolling technology；CSP；CCT diagram；hardenability

TG111；TG142

A

1001－4381（2012）04－0052－04

湖南省重大科技專項(xiàng)“CSP工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼的研究與示范”資助項(xiàng)目（2006GK4021）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET050680）；湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃青年杰出人才項(xiàng)目（2006ABB037）；湖北省教育廳國(guó)際合作項(xiàng)目資助（200711001）

2011－06－11；

2011－12－17

黃剛（1977—），男，博士生，E－mail：huanggangwhu＠yahoo.com.cn

吳開明（1966—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鋼鐵材料相變、組織控制與焊接性研究，聯(lián)系地址：湖北省武漢市青山區(qū)和平大道947號(hào)武漢科技大學(xué)8＃信箱（430081），E－mail：wukaiming＠wust.edu.cn，wukaiming2000＠ yahoo.com