H11Mn2SiA焊接用鋼連續冷卻組織轉變與工藝控制

翟林甫 張全剛，2 趙賢平 鄒文輝

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(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司;2.北京科技大學)

H11Mn2SiA焊接用鋼連續冷卻組織轉變與工藝控制

翟林甫1張全剛1，2趙賢平1鄒文輝1

*

(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司;2.北京科技大學)

利用Gleeble－1500熱模擬試驗機測定了H11Mn2SiA的動態連續冷卻轉變(CCT)曲線，并觀察了其組織和硬度。結果表明，當H11Mn2SiA從奧氏體以不同冷卻速率冷卻時，存在奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變;貝氏體轉變的臨界冷卻速度為2.5℃/s;冷卻速度達到20℃/s時會出現馬氏體組織;因此H11Mn2SiA的冷卻速度應控制在≤1℃/s。實踐中選用終軋溫度860℃～900℃、吐絲溫度850±10℃和0.10～0.15 m/s的輥道速度，能夠將冷卻速度控制在0.3～0.6℃/s范圍內，使H11Mn2SiA獲得最佳的組織和性能。

CCT曲線 冷卻速度 工藝控制 延遲冷卻 抗拉強度

0 前言

進入二十一世紀，隨著市場需求的增長和焊接自動化的迅猛發展，氣體保護焊絲生產日臻發展壯大，產量不斷提高，占全部焊接材料的比例穩步提升，目前全國每年焊接材料產量已突破400萬t，其中氣體保護實芯焊絲產量約為120萬t［1］。因此，在我國氣保焊絲還有長足的發展空間，而作為50 kg級氣保焊絲用鋼的H11Mn2SiA在相當長的時期內將會持續增長。氣體保護焊絲的發展趨勢是產能和產量不斷增加、產品質量逐步提高、產品品種日漸完善。

“十一五”期間，安鋼加大了高端高效產品的開發和工藝研究力度，并加快推進與高校和研究院所等科研機構的項目研究合作，焊接用鋼產品成為了安鋼高線機組的一個亮點，其產品強度級別逐步形成系列化。H11Mn2SiA作為制作CO2氣體保護焊絲常用的原材料，其質量問題始終是鋼鐵企業和下游金屬制品行業關注的焦點。針對焊接用鋼H11Mn2SiA在實際生產中存在強度偏高、耗費模具且容易出現斷絲等問題，結合現場實際測定CCT曲線，以便有效指導生產和提高產品質量。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為安鋼100 t轉爐——LF精煉——150 mm×150 mm方坯連鑄——高速線材生產線軋制的H11Mn2SiA盤條，規格為5.5 mm，化學成分為見表1。經校直、打磨拋光后，切割成熱模擬試樣，試樣尺寸為Φ5.0 mm×80 mm。

表1 H11Mn2SiA的化學成分 %

1.2 實驗方法

參考高速線材生產線上實際工藝參數，使用Gleeble－1500熱模擬試驗機測定不同冷速下的動態CCT曲線，實驗測定工藝如圖1所示。

圖1 CCT曲線實驗測定工藝

將Φ5.0×80 mm的熱模擬試樣以10℃/s的速度真空感應加熱到970℃奧氏體化后，保溫5 min，再將其以5℃/s的速度冷卻至920℃，變形40%，變形速率為0.5 s－1，變形后分別以 0.1 ℃ /s、0.3 ℃ /s、0.4 ℃ /s、0.5 ℃ /s、0.7 ℃ /s、1 ℃ /s、3 ℃ /s、5 ℃ /s、10 ℃ /s、20 ℃ /s的冷卻速度冷卻至室溫，根據相變過程中體積的變化膨脹原理來測定動態CCT曲線。另外，將熱模擬試樣以10℃/min的升溫速率緩慢加熱來測定奧氏體轉變開始溫度Ac1和終止溫度Ac3。

2 結果與分析

實驗測得Ac3=850℃和Ac1=790℃。熱模擬試樣在920℃變形后以不同的冷卻速度連續冷卻可得到相應的Ar3和Ar1值，然后以溫度為縱坐標，時間為橫坐標，根據不同冷速下相變開始點和終止點，結合不同冷卻速度下的組織特征，用Origin計算機軟件繪制H11Mn2SiA鋼的CCT曲線，如圖2所示。

圖2 H11Mn2SiA的動態CCT曲線

對不同冷速下所得試樣進行組織分析，如圖3所示。結合H11Mn2SiA的CCT曲線和不同冷卻速度下組織結構特征，可以看出:

1)當H11Mn2SiA從奧氏體以不同冷卻速率冷卻時，存在三種相變區，即奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變;

2)當冷卻速度≤1℃/s時，冷卻過程中鐵素體開始轉變溫度在790℃左右，珠光體開始轉變溫度在630℃左右，溫度降至580℃以下整個冷卻過程的相變已基本完成;

3)當冷卻速度≥3℃/s時，組織中已經存在貝氏體組織，根據轉變規律繪制了貝氏體組織開始出現的臨界冷卻轉變曲線，即冷卻速度為2.5℃/s的曲線;

圖3 不同冷卻速度下H11Mn2SiA的金相組織

4)當冷卻速度達到20℃/s，發現有少量的馬氏體組織出現，但所測冷卻曲線中拐點并不明顯，可見出現馬氏體的量并不大。

冷卻速度與晶粒度和硬度的關系如圖4所示。

圖4 冷卻速度與硬度、晶粒度的關系

由圖4可知，當冷卻速度≤1℃/s時，硬度與晶粒度隨冷卻速度的增加，變化不大，晶粒度穩定在7～7.5級，平均硬度在81～84 HRB;但當冷卻速度＞1℃/s時，硬度和晶粒度隨冷卻速度的增加，出現明顯的上升。通過分析不同冷卻速度下金相組織、晶粒度、硬度的變化規律，得出H11Mn2SiA的冷卻速度應控制在≤1℃/s，最佳控制范圍在0.3～1.0℃/s。

3 工藝控制

3.1 軋制溫度控制

終軋溫度是決定奧氏體晶粒度的主要參數之一，它通過對奧氏體晶粒度的影響，影響到相變過程中的組織轉變和轉變產生的形貌。終軋溫度對奧氏體晶粒度影響規律是:終軋溫度高，晶粒粗大;終軋溫度低，晶粒細小。由于終軋溫度降低，限制了變形后奧氏體晶粒長大，相變前奧氏體晶粒越小，晶界面積增大，為鐵素體形核提供了更多的可能性，有利于鐵素體形核，使隨后的奧氏體—鐵素體相變后的鐵素體量增加，其晶粒尺寸變得細小;而當終軋溫度過高時，變形奧氏體晶粒較粗，會推遲相變結束線，導致貝氏體產生［2］。為獲得相對細小的奧氏體晶粒度，增大組織中鐵素體含量，將終軋溫度設定在860～900℃的范圍內。

3.2 吐絲溫度控制

吐絲溫度的高低直接影響過冷奧氏體的穩定性，因而對產品性能產生重要影響。當吐絲溫度較低時，可細化奧氏體晶粒，使奧氏體向鐵素體和珠光體轉變最佳化;吐絲溫度越高，在相同冷卻工藝下，盤條易出現混晶組織或貝氏體、馬氏體組織［3］。

H11Mn2SiA盤條組織主要為鐵素體+珠光體組織，由于鋼中Si、Mn含量較高，增加了鋼的淬透性，并使C曲線向右下方移動，推遲并延長了轉變時間，如果吐絲溫度不當將會出現過冷組織，對拉拔加工性能不利［4］。根據實際生產工藝流程，結合實驗結果將吐絲溫度設定為850±10℃。

3.3 冷卻速度控制

H11Mn2SiA屬于低碳硅錳鋼，軋后冷卻工藝對其組織和性能起著至關重要的作用。結合現場實際工藝流程，從所測CCT曲線來看，該鋼種不易出現馬氏體組織，但當冷卻速度達到2.5℃/s以上時，會出現貝氏體組織。因此需采用延遲冷卻工藝，選用入口輥道速度0.10～0.15 m/s，并且斯太爾摩冷卻線上保溫罩全部關閉，保證H11Mn2SiA在保溫罩內緩慢進行相變。此工藝生產條件下測得搭接點位置入罩溫度在800℃～815℃，出罩溫度在600℃～620℃，搭接點位置已基本完成相變，而在非搭接點位置已全部完成相變，其搭接點和非搭接點的平均冷卻速度均在0.3～0.6℃/s范圍內。

3.4 產品質量水平

同樣的化學成分下，此工藝生產的H11Mn2SiA盤條組織為等軸鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度為8.5～9.0級;抗拉強度較前期有了大幅下降，其值均在530 MPa以下，且通圈性能穩定，差值小于25 MPa，斷面收縮率也均達到75%以上;該批產品經下游用戶使用，可不經退火熱處理直接拉拔成Φ0.8～1.2 mm的成品焊絲，模具耗費嚴重的情況也大為改善，各項焊接性能指標能夠很好的滿足標準要求，得到了用戶的普遍認可。

4 結論

1)通過實驗手段測定了H11Mn2SiA的CCT曲線，結合不同冷卻速度下的金相組織和硬度值，得知H11Mn2SiA從奧氏體以不同冷卻速率冷卻時，存在三種相變區，即奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變、貝氏體轉變和馬氏體轉變;冷卻速度＞1℃/s時，塑性急劇變差;冷卻速度＞2.5℃/s時，開始出現貝氏體組織;最佳冷卻速度應控制在0.3～1.0℃/s。

2)根據實驗結果，工藝控制中設定終軋溫度860℃～900℃，吐絲溫度850±10℃，斯太爾摩冷卻采用延遲冷卻工藝，選用0.10～0.15 m/s的入口輥道速度，保證H11Mn2SiA在罩內緩慢相變，使產品各項性能指標達到了標準和使用要求。

［1］李春范，杜淼，楊晶秋，等.中國焊接材料的現狀及發展趨勢［J］.焊接，2010(7):28－30.

［2］丁華，劉雅政，張立芬.控冷工藝對ER70S－6鋼相變和組織的影響［J］.軋鋼，2002，19(1):15－17.

［3］張春燕，陳興偉，張曉香，等.ER70S－6盤條質量分析與生產工藝改進［J］.金屬制品，2011，37(2):54－55.

［4］王禮銀，黃肇信，王慶賢，等.ER50－6盤條生產工藝研究［J］.金屬制品，2004，30(2):34－36.

CONTINUOUS COOLING STRUCTURE TRANSFORMATION AND PROCESS CONTROL OF H11Mn2SiA WELDING STEEL

Zhai Linfu1Zhang Quangang1，2Zhao Xianping1Zou Wenhui1
(1.Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd; 2.University of Science and Technology Beijing))

Dynamic continuous cooling transformation(CCT)curves of H11Mn2SiA were measured by Gleeble－1500 thermo － mechanical simulator，then microstructure and hardness of steel were observed.The result indicated that the austenite transforming to ferrite and pearlyte，bainite and martensite were discovered when H11Mn2SiA cooled from austenite by different cooling rates;The bainite critical cooling rate was 2.5 ℃ /s;Martensite would appeared when the cooling rate reached 20℃/s;therefore the cooling rate of H11Mn2SiA should not be more than 1℃/s.When the finishing temperature 860℃～900 ℃，the spinning temperature 850±10 ℃ and the roller speed 0.10～0.15 m/s were setted in the practice，the cooling rate of H11Mn2SiA could be controlled at 0.3～0.6 ℃ /s，and it would obtain the better microstructure and properties.

CCT curves cooling rate process control delayed cooling tensile strength

*聯系人:翟林甫，助理工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心;2012—3—9